Zr基塊體非晶合金在過冷液態區微正擠壓實驗研究

王 懿 鄭志鎮 李建軍

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢，430074

0 引言

以塑性加工方式生產至少在二維方向上尺寸處于亞毫米量級的零件或結構的工藝技術稱為微成形技術[1]。這一技術繼承了傳統塑性加工技術的許多優點，非常適合微型零件的大批量生產。但是，隨著產品的微型化，金屬材料成形特征表現出極強的尺寸效應。已有研究表明[2－4]，一般金屬的材料流動、摩擦行為等都呈現出明顯依賴于坯料尺寸及材料晶粒尺寸的尺寸效應現象，由此導致傳統成形理論和工藝不能完全適用于微成形。與一般金屬相比，非晶合金具有長程無序短程有序的非晶態結構，在微成形中不存在晶粒尺寸效應，而且在過冷液態區塊體非晶合金具有超塑性成形性能，所生產的零件尺寸精度高，能夠精確地復制模具尺寸，因此在生產微小精密零件方面，具有一般金屬不可比擬的優勢和廣泛的應用前景。

大塊非晶合金超塑性微擠壓成形時，材料流動行為以及工件與模具間摩擦作用會對工藝和產品 質 量 產 生 重 要 影 響。Kawamura 等[5]對Zr65Al10Ni10Cu15大塊非晶合金在過冷液態區內進行正擠壓實驗，發現非晶合金在高應變速率下成形具有很好的超塑性行為，且隨著應變速率的增大，合金應力過沖減小，從而成形壓力減小。Chiu等[6]研究了Zr44Ti11Cu10Ni10Be25塊體非晶合金正擠壓成形過程中材料的流動行為，通過計算擠出長度與擠壓實驗工藝參數間的關系，得到材料流變特性為牛頓流變，進而解釋了材料的擠出脹大是由于凹模尾部邊界條件突變引起的。張志豪等[7]對Zr55All0Ni5Cu30大塊非晶合金進行了超塑性正擠壓成形試驗，發現擠壓速度和非晶合金的表面狀態對摩擦因數影響較大，在溫度和模具尺寸一定的情況下，摩擦因數與擠壓速度成反比，而隨著真空度的提高，合金表面的吸附膜和氧化膜破裂且難以再生，導致摩擦因數增大。鄭志鎮等[8]采用雙杯擠壓實驗研究了成形溫度、應變速率等工藝參數對Zr55Cu30All0Ni5塊體非晶合金在過冷液相區塑性成形時模具和零件之間的摩擦行為的影響，結果表明非晶合金在過冷液相區內變形的摩擦因數在0.2～0.7之間。

當前，對于非晶合金微擠壓成形的研究主要集中于成形溫度、應變速率等工藝參數對擠壓過程材料流動和摩擦行為的影響。為了進一步研究微正擠壓成形中的尺寸效應，本文基于相似理論的原理，選擇Zr基大塊非晶合金作為實驗材料，在過冷液態區進行了微正擠壓實驗。

1 實驗

采用電弧熔煉／水冷銅模吸鑄技術制備得到直徑3mm、長度130mm的Zr55Cu30All0Ni5非晶合金棒料，經X射線衍射（XRD）檢測，試樣由單一的非晶相組成，制備過程中沒有晶化現象產生。利用差式掃描量熱法（DSC）測得Zr55Cu30All0Ni5的起始玻璃化轉變溫度tg＝411℃、結晶溫度tx＝497℃，過冷液態區溫差為86℃。按高徑比1.5∶1，分別將非晶合金棒料磨削、切割加工為φ2mm×3mm、φ1mm×1.5mm 和 φ0.5mm×0.75mm尺寸坯料。

正擠壓實驗模具（圖1）的材料采用4Cr5MoSiV1熱作模具鋼。為了取件方便，凹模設計為左右兩個半模，并加工兩塊擋板夾住凹模，以防止工件出現飛邊。按擠壓比4加工凹模工作帶孔徑，凹模工作帶長度則綜合考慮模具強度和加工難度的因素，選擇兩種尺寸規格，一種為1mm短凹模工作帶，而另一種為保證擠壓過程坯料始終在凹模孔內，選擇6.5mm長凹模工作帶。對兩個半模相接觸的表面、凹模與坯料相接觸的端面以及凹模孔進行研磨加工，以減小表面粗糙度。采用高溫固體潤滑劑，以防止工件粘模。

選取實驗溫度為450℃（約1.1tg），初始應變速率為0.001～0.01s－1，實驗條件如表1所示。實驗在Zwick／Roell Z020材料力學性能試驗機上完成。實驗過程為：加熱爐升溫至指定溫度并保溫；待爐內溫度穩定后，打開爐門，迅速將事先已經裝好試樣的模具整體放入加熱爐內的壓縮平臺上，關好爐門；待模具及試樣溫度恢復到指定溫度后，繼續保溫7min，加載達到設定行程后停止實驗；使試驗機橫梁回到初始位置，打開爐門迅速將模具取出在空氣中冷卻后，取出工件。

圖1 正擠壓實驗模具簡圖

表1 Zr55Cu30All0Ni5非晶合金正擠壓實驗條件

2 實驗結果與討論

2.1 擠壓零件微觀組織分析

對比分析非晶合金坯料擠壓成形前后DSC曲線（圖2）發現，擠壓成形后非晶坯料的晶化峰向低溫方向移動且有寬化的趨勢，但晶化轉變熱焓值ΔHcryst并沒有明顯變化，只從鑄態的－40.472J／g變為擠壓后的－37.525J／g。這表明擠壓成形后坯料的非晶態結構可能發生了一些改變，這與Chan等[9]的研究結果相類似。

采用環境掃描電子顯微鏡（ESEM）對正擠壓后的零件微觀組織進行觀察，如圖3所示。圖片顯示，非晶合金零件邊界存在氧化層，但沒有發現明顯的晶粒。由此可見，非晶合金在當前實驗條件下進行正擠壓是可行的。

圖2 非晶合金擠壓成形前后DSC曲線（溫升速率20K／min）

圖3 非晶合金擠壓成形零件ESEM照片

2.2 正擠壓尺寸效應

為了比較坯料尺寸對正擠壓的影響，以p＝F／S（F為沖頭擠壓力，S為坯料橫截面面積）計算單位擠壓力，利用公式ΔH′＝ΔH／D（ΔH為沖頭擠壓行程，D為坯料直徑）計算相對擠壓行程，從而得到單位擠壓力－相對擠壓行程曲線。

實驗成形溫度450℃、初始應變速率0.001s－1時的單位擠壓力－相對擠壓行程曲線如圖4所示（其他初始應變速率下所得曲線相似）。

圖4 凸模單位擠壓力－相對行程曲線

對于φ2mm和φ1mm的坯料，其正擠壓過程大致可以分為3個階段：第Ⅰ階段，發生在ΔH′＝0.1以下的相對壓入量內，曲線走勢平緩，單位擠壓力變化不大，此階段坯料開始并逐漸被擠入凹模孔內，但擠入長度不大；第Ⅱ階段，發生在ΔH′為0.1～0.4的相對壓入量內，曲線走勢陡然上升，單位擠壓力急劇增大，此階段在短凹模孔內的坯料逐漸被擠出凹模孔出口，而在長凹模孔內的坯料與凹模孔接觸面積逐漸增大；第Ⅲ階段，發生在相對壓入量ΔH′＝0.4以后，曲線走勢重新歸于平緩，單位擠壓力基本不變，此階段坯料處于穩定流動狀態。

而對于φ0.5mm的坯料，其正擠壓過程沒有明顯的分段，單位擠壓力一直增大，并在后期急劇增大。產生這種現象的原因主要是坯料尺寸減小，摩擦因數增大[10]，導致坯料單位擠壓力一直增大。

另外我們發現，在整個擠壓成形過程中，隨著非晶合金坯料尺寸的減小，單位擠壓力增大。產生這種現象的主要原因是隨著坯料尺寸減小，非晶合金自身流動應力增大[11]，此外微小尺度下表面積與體積之比增大，從而摩擦力影響加大，這也是導致單位擠壓力增大的原因。

不同坯料尺寸條件下，凸模單位擠壓力－行程曲線變化趨勢不同，且單位擠壓力隨著坯料尺寸減小而增大，非晶合金正擠壓成形力的大小和變化特點呈現出明顯依賴于坯料尺寸的尺寸效應現象。

2.3 凹模長度對正擠壓的影響

實驗成形溫度450℃、初始應變速率0.001s－1時，不同尺寸坯料在不同長度凹模中的單位擠壓力－行程曲線如圖5所示（其他初始應變速率下所得曲線相似）。

圖5 凸模單位擠壓力－行程曲線

比較3種不同尺寸坯料發現，在擠壓過程后期，短凹模（L＝1mm）中的單位擠壓力均大于長凹模（L＝6.5mm）中的單位擠壓力。為此，我們設計實驗，考察了φ0.5mm坯料在短凹模工作帶中擠壓的情況。以單位擠壓力轉折點ΔH＝0.4mm為起始點，間隔0.1mm依次增大凸模壓入量，即分別選擇 ΔH 為0.4mm、0.5mm 和0.6mm進行正擠壓成形。實驗發現，當ΔH＝0.4mm時，坯料前端剛好擠到凹模出口位置（圖6a），而隨著擠壓行程繼續增大，坯料前端完全被擠出凹模出口（圖6b、圖6c）。由此可見，同尺寸坯料在不同長度凹模中擠壓，其單位擠壓力出現差別就發生在坯料擠出短凹模出口之后。

圖6 φ0.5mm×0.75mm非晶合金坯料被擠出凹模孔出口過程

根據已有的流變學理論，可以分析凹模長度對非晶合金單位正擠壓力的影響。材料在擠壓過程中的單位擠壓力由三部分構成，即

式中，p為凸模單位擠壓力；pdie為擠壓力在凹模工作帶中的壓力降；pentry、pexit分別為擠壓力在凹模工作帶入口和出口處的壓力降[6]；η為非晶合金黏度；v為擠壓速度；α為與凹模工作帶入口和出口幾何尺寸有關的修正系數。

坯料擠出短凹模（L＝1mm）出口后，pdie不再變化，這時出現了出口壓力降pexit；坯料在長凹模（L＝6.5mm）中擠壓時，隨著與凹模接觸面積的增大，摩擦力增大，導致pdie增大；而對于不同長度凹模，pentry相同，如圖5所示，短凹模中的單位擠壓力大于長凹模中的單位擠壓力，可見出口壓力降pexit的作用大于摩擦力增大的作用。

另外，由式（3）可見，非晶合金坯料尺寸減小（凹模直徑d減小），材料流動應力增大，引起相同應變速率下黏度η增大[12]。在d減小和η增大的共同作用下，短凹模入口和出口壓力降pentry＋pexit增大，這就是導致φ0.5mm坯料擠出短凹模出口后單位擠壓力急劇上升的原因。

2.4 成形工藝條件對擠出脹大的影響

測量記錄擠壓零件的擠出直徑d′發現，坯料擠出后都有不同程度的徑向脹大，計算擠出脹大如圖7所示。

圖7 非晶合金坯料在不同條件下的擠出脹大比

我們可以發現，相同擠壓應變速率下，坯料擠出脹大比隨坯料尺寸減小而增大，而相同尺寸坯料的擠出脹大比則隨擠壓應變速率的增大而增大。另外，坯料在短凹模中的擠出脹大比大于在長凹模中的擠出脹大比。

根據已有的流變學理論分析，導致非晶合金擠出脹大的因素主要有三個：①彈性回復。在非晶合金坯料進入凹模的過程中，材料被壓縮，發生彈性形變，材料擠出后引發彈性回復，導致坯料擠出脹大。②黏性回復。非晶合金坯料在擠出過程中，材料除了發生剪切流變外，還沿徑向發生拉伸流變，黏性流動完全松弛需要一定的時間，否則擠出后將發生黏性回復，導致坯料擠出脹大。③邊界條件變化。在非晶合金坯料擠出凹模出口的瞬間，材料流動邊界條件發生劇烈變化，模具對擠出部分的徑向約束力消失，根據非晶合金自由體積模型，此時材料內部沿徑向自由體積增多，引起原子的徑向躍遷數量隨之增多，從而坯料擠出脹大。

彈性回復主要由彈性變形的大小決定。隨著非晶合金坯料尺寸減小或擠壓應變速率增大，材料流動應力增大，流動過程中彈性變形部分增大，從而坯料產生了更大的彈性形變，儲存了更多的彈性能，使彈性回復隨之增大。黏性回復主要取決于松弛時間，而松弛時間由材料黏度控制。隨著坯料尺寸減小，相同應變速率下黏度增大，黏性流動所需松弛時間變長，坯料來不及松弛，從而黏性回復增大；當坯料尺寸相同，擠壓應變速率較大時，坯料來不及松弛，黏性回復增大。因此，隨著坯料尺寸減小或擠壓應變速率的增大，其彈性回復和黏性回復的同時增大，導致坯料擠出脹大比增大。另外，由于坯料在短凹模中停留時間更短，黏性流動來不及松弛，從而坯料的黏性回復大于在長凹模中的黏性回復，加之邊界條件變化的影響，導致非晶合金坯料在短凹模中的擠出脹大比大于在長凹模中的擠出脹大比。

3 結論

（1）Zr55Cu30All0Ni5大塊非晶合金在成形溫度450℃、初始應變速率0.001～0.01s－1的條件下，擠壓出的零件保持良好的非晶態組織，其擠壓是可行的。

（2）隨著非晶合金坯料尺寸減小，單位擠壓力增大，且當坯料直徑減小到0.5mm時，擠壓成形力表現出明顯不同的變化趨勢，單位擠壓力一直上升，并在擠壓后期急劇上升。

（3）由于凹模出口壓力降的影響，非晶合金在短凹模中的單位擠壓力大于在長凹模中的單位擠壓力。

（4）非晶合金坯料擠出后均有不同程度脹大，擠出脹大比為10%～36%。隨著非晶合金尺寸的減小或擠壓應變速率的增大，坯料擠出脹大比增大，且非晶合金在短凹模的擠出脹大比大于在長凹模的擠出脹大比。

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