非晶態(tài)合金彈簧材料的開發(fā)

吳明

【摘 要】非晶態(tài)合金材料在原子排列上有著非常明顯的特征，因為它沒有晶粒和晶界，屬于單相無定形的結(jié)構(gòu)排列，所以是不同于一般的晶態(tài)金屬的。而且從微觀結(jié)構(gòu)來說，它又沒有晶體結(jié)構(gòu)的缺陷，這就決定了它在很多方面的優(yōu)良特性，就比如說高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕等等。作為工業(yè)必需品的彈簧來說，以上特性正是其所需要的。因此一直不斷有人嘗試進(jìn)行非晶態(tài)合金彈簧材料的開發(fā)，并在這個過 程中取得了一些效果，但其中的很多問題也是我們所不能忽視的。下文是筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗進(jìn)行的總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】非晶態(tài)合金 彈簧材料 開發(fā)

非晶態(tài)合金我們熟悉的是它的另一個名字—金屬玻璃，是通過極速降溫的方法讓合金液快速冷卻，這樣制成的固態(tài)合金內(nèi)原子排列還會保持著合金液處于液態(tài)的時候的排列狀態(tài)。因為物質(zhì)的特性是由其原子排列決定的，所以說這種物質(zhì)兼具玻璃和金屬的特性，并且非晶態(tài)合金的微觀結(jié)構(gòu)決定了它具有良好的物理性能和優(yōu)異的化學(xué)性能。其應(yīng)用非常廣泛，而要將其用作機(jī)械的彈簧材料的話，對于制作工藝來說的話還是一個不小的考驗。需要從彈簧的設(shè)計結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合非晶態(tài)合金的特性進(jìn)行優(yōu)化，所以說這方面的工作還需要詳細(xì)的工作方案進(jìn)行指導(dǎo)。

1 非晶態(tài)合金的綜合性能

1.1 機(jī)械性能

經(jīng)過實際的實驗我們可以得出，非晶態(tài)合金在強(qiáng)度、硬度以及耐磨性方面有著良好的性能，這些優(yōu)勢不是普通的晶體材料可以相提并論的[1]。非晶態(tài)合金的這些優(yōu)勢與制作過程中在其中添加的元素有很大的關(guān)系，現(xiàn)在的制作工藝當(dāng)中添加的元素的硬度已經(jīng)能夠達(dá)到HV1400，所以這種材料的硬度是要高于市面上的金屬的。其中以鐵元素為基準(zhǔn)的非晶態(tài)合金的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到4000MPA。

有關(guān)專家認(rèn)為非晶態(tài)合金之所以能夠擁有這么高的物理強(qiáng)度，一是因為其內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)有非常強(qiáng)的金屬化學(xué)鍵，二是因為非晶態(tài)合金沒有晶態(tài)合金那樣的位錯、堆垛等缺陷。除此之外其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)還決定了這種合金有非常良好的重塑性和沖擊韌性，這種材料在變形加工時沒有硬化現(xiàn)象。在這種材料的動態(tài)性能方面，它有良好的疲勞壽命以及斷裂韌性，就算是將這種材料對折也不會產(chǎn)生裂紋。以上特性決定了這種非晶態(tài)合金在工業(yè)制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用地位，特別是對于彈簧的制造，更能發(fā)揮的出它本身的特性。

1.2 化學(xué)性能

因為這種非晶態(tài)合金沒有晶界和晶粒，所以說它的耐腐蝕性要比一般的晶態(tài)金屬要好。有關(guān)的化學(xué)專家進(jìn)行過相關(guān)的實驗，發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)合金在一些特殊的環(huán)境之下也能夠保持其穩(wěn)定性，而不會發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象[2]。這種材料能夠保持這種特性的原因，主要和其表面鈍化膜的形成有一定的關(guān)系。而且這種材料沒有結(jié)構(gòu)上的缺陷，所以保持了相當(dāng)程度上結(jié)構(gòu)的均勻性。利用非晶態(tài)合金這方面的特性，我們可以將其應(yīng)用到海洋工業(yè)的施工當(dāng)中。

2 非晶態(tài)合金彈簧材料的制造

2.1 制造過程

非晶態(tài)合金彈簧材料的制作過程是保證其產(chǎn)品最后效果的關(guān)鍵部分。用非晶態(tài)合金材料制造彈簧的工藝的大致過程是將金屬玻璃絲采用旋轉(zhuǎn)槽急冷鋳造法來制作而成的，這一環(huán)節(jié)可以使得金屬玻璃絲定型[3]。之后再用加熱轉(zhuǎn)繞制成彈簧，這種設(shè)備主要是依靠一個外有高頻加熱感應(yīng)圈的圓柱形模具通過旋轉(zhuǎn)制作而成的。加熱感應(yīng)圈可以加熱模具，而模具周圍的轉(zhuǎn)繞位置環(huán)布有氬氣噴嘴，整個制造儀器還有非晶絲引絲機(jī)，用來保證制作效果。通過上面的表述就可以看出，非晶態(tài)合金彈簧材料的制造過程完全是圍繞保證這種合金的特性來出發(fā)的，也正是因為這樣成型之后的彈簧才能夠在最大程度上發(fā)揮其固有的特性。

2.2 加熱工藝

在這整個制造過程當(dāng)中，加熱工藝才是最有技術(shù)含量的。整個加熱過程中，最開始的3到4分鐘要快速加熱，保證溫度達(dá)到400到450攝氏度。然后再通過快速卷繞讓彈簧材料成型，然后再快速讓彈簧材料冷卻至室溫，這整個過程要一氣呵成，中間不能出現(xiàn)任何耽擱，這樣才能夠保證最終彈簧材料的品質(zhì)。并且對于溫度的控制要非常準(zhǔn)確，如果溫度的誤差太大就會出現(xiàn)材料晶化的現(xiàn)象[4]。快速卷繞的工序一般是在Tg+50℃的要求下進(jìn)行的，有關(guān)的專家曾經(jīng)進(jìn)行過這方面的實驗，就是將直徑為1.4毫米的鋯基非晶態(tài)合金，繞成外徑為11毫米的彈簧材料，通過X射線檢測發(fā)現(xiàn)并沒有結(jié)晶的現(xiàn)象發(fā)生。雖然說這一過程證明了現(xiàn)有的非晶態(tài)合金彈簧材料的生產(chǎn)工藝沒有問題，但是在這種合金的金屬疲勞點方面的研究目前還是比較空白的。

3 非晶態(tài)高強(qiáng)度，低彈性彈簧材料的制作

3.1 制作過程

近年來隨著各項工藝標(biāo)準(zhǔn)的完善，飛機(jī)、輪船等大型交通工具的材料性能的要求也是越來越高了。就這些大型設(shè)備上的彈簧材料來說，已經(jīng)在開始逐漸向著質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、而且功能更加完備的方向發(fā)展。上個世紀(jì)60年代，我們就制作出了急冷非晶態(tài)合金，雖然其表現(xiàn)出了很優(yōu)越的機(jī)械性能，但是因為制作工藝的限制只能制作出很薄的薄片，這樣的原料在實際應(yīng)用過程中受到很大限制。直到上個世紀(jì)80年代，通過往非晶態(tài)合金中添加鋯、鈦等元素，再通過極速冷卻的方式就制成出了大塊的非晶態(tài)合金。這種材料相比較以前在應(yīng)用范圍上就有了很大的提高，再加上生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，逐漸用非晶態(tài)合金制成的彈簧材料就能夠滿足日常的需求了。

3.2 結(jié)構(gòu)特點

這種被稱為金屬玻璃的非晶態(tài)合金，在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)的是原子的無序結(jié)構(gòu)，因此有非常良好的耐腐蝕性和軟磁性，詳細(xì)的特性如表1所示。

上表的這些特性是傳統(tǒng)的結(jié)晶合金所不具有的，這種材料非常適合制造汽車等設(shè)備上所應(yīng)用的大型彈簧。應(yīng)用這種材料制作而成的汽車發(fā)動機(jī)能夠讓發(fā)動機(jī)氣缸蓋小型化，進(jìn)而減輕發(fā)動機(jī)的整體質(zhì)量，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以獲得質(zhì)的提高[5]。對于汽車而言，除了發(fā)動機(jī)部件，一些高檔機(jī)械的傳感器也在開始應(yīng)用這種非晶態(tài)合金材料，這樣以來這種合金材料由最初的制造彈簧開始正在逐步成為一種工業(yè)必需品。

4 結(jié)語

非晶態(tài)合金是一種由人為合成的，能夠滿足當(dāng)下多種工業(yè)需求的一種合金材料。經(jīng)過生產(chǎn)工藝的逐步完善，過去只能夠應(yīng)用于彈簧的這種材料已經(jīng)逐漸成為了一種工業(yè)必需品，但是不管是利用其特性做成的彈簧材料還是傳感器零件的應(yīng)用目前都存在很多問題。所以說如何用好這種合金材料是需要從這種材料特性出發(fā)，再落實到我們生產(chǎn)工藝的改進(jìn)的。上文根據(jù)筆者的經(jīng)驗對這類問題進(jìn)行了總結(jié)，以非晶態(tài)合金彈簧材料的開發(fā)為例子，希望能夠推進(jìn)這種材料的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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