CN101829772B - 金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法，包括：(1)将金属玻璃定位在模具中并对金属玻璃的边缘进行限制；(2)将步骤(1)所述的金属玻璃在真空环境或空气中预加压加热，使金属玻璃的温度达到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg以上且其晶化温度以下，增加压力使得模具上的微结构压入金属玻璃内，保压冷却到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg后撤销压力，接着冷却到固夹温度Tu后夹住金属玻璃，继续冷却到脱模温度Td后进行脱模，经切边处理，得到金属玻璃微构件。该方法具有成型效率高，一致性好，可并行加工，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属玻璃微纳结构加工技术领域，尤其涉及一种金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法。
背景技术
金属玻璃是一种新型的金属材料，又称之为非晶态金属，其内部结构表现为类玻璃的长程无序非晶结构。金属玻璃具有很多优良的特性，既具有传统晶体材料的性能，又具有传统氧化物玻璃的特性。金属玻璃在导电性、强度、导热性方面具有金属的特性，但在原子排列上却又类似于玻璃的原子一样呈无序排列。金属玻璃具有很高的强度、硬度、弹性、刚性和优异磁学、耐腐蚀、耐磨损性能等，它可以经受180°弯曲而不断裂，断裂韧性值可达到钢的5倍，是制作电磁传感器等部件的绝好材料。此外，金属玻璃还可以代替石英制作雷达、计算机的导声材料、敏感元件等。目前，针对金属玻璃，在大块金属玻璃的制备方面有较多的研究成果，也有很多的专利，但对金属玻璃的微结构成型技术研究的不多。考虑到金属玻璃的优良特征，其在微纳精密零件中将具有广泛的应用前景，因而探寻低成本、高效、高质量、可并行加工的金属玻璃加工方法非常有必要。
金属玻璃在其玻璃态转化温度Tg以上时具有良好的塑性，但到了晶化温度后其结构便容易转化为晶体结构而失去非晶结构所具有的良好性能。因而切削、激光等产生高温的加工方法并不适用于金属玻璃微结构的加工。
发明内容
本发明利用金属玻璃在其玻璃态转化温度及其晶化温度间具有良好的热塑性的特点，提供了一种方便、低成本的金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法。
一种金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法，包括步骤：
(1)将金属玻璃定位在模具中并对金属玻璃的边缘进行限制；
(2)将步骤(1)所述的金属玻璃在真空环境或空气中预加压加热，使金属玻璃的温度达到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg以上且其晶化温度以下，增加压力使得模具上的微结构压入金属玻璃内，保压冷却到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg后撤销压力，接着冷却到固夹温度Tu后夹住金属玻璃，继续冷却到脱模温度Td后进行脱模，经切边处理，得到金属玻璃微构件。
所述的金属玻璃包括本领域各种类型的金属玻璃，可选用大块金属玻璃(Bulk metallic glass)或金属玻璃薄带。
所述的固夹温度Tu和脱模温度Td的关系满足(Tg-Td)αm＝(Tg-Tu)αp；其中，αm是模具的热膨胀系数，αp是的热膨胀系数，Tg是金属玻璃的玻璃态转化温度。
所述的模具由相互配合的上模具和下模具构成，其中下模具为槽型，通过下模具的侧壁对所述的金属玻璃的边缘进行限制。
所述的上模具在下模具上的正投影面积小于下模具中槽的面积，这样在上模具和下模具夹紧金属玻璃时，会形成准封闭的模腔。
为了进一步保证金属玻璃与模具的一致性收缩，脱模时仍需夹住金属玻璃。可以利用夹持装置与下模具夹住金属玻璃在上模具周边的位置，使上模具脱离金属玻璃时，金属玻璃在夹持装置与下模具的作用下保证与模具的一致性收缩。
所述的夹持装置可选用本领域常用的具有夹持能力的装置，以其用于夹持金属玻璃的部件能够限制金属玻璃在上模具周边的位置为准，例如，可选用与模具同轴设置的脱模罩，脱模时通过脱模罩与下模具夹住金属玻璃在上模具周边的位置。
步骤(2)中，所述的金属玻璃选择在真空环境或空气中预加压加热，可以视具体模具上的微结构特征尺度的大小而定；当模具上的微结构特征尺度处在100μm及以上量级时，模具上的微结构内的空气在热塑性压制成型时较容易排出，为了提高加工效率，可不进行抽取真空操作，此时，选择将金属玻璃在空气中预加压加热；当模具上的微结构特征尺度处在10μm及以下量级时，由于模具上的微结构内的空气在热塑性压制成型时很难完全排出，影响金属玻璃微构件成型质量，此时，抽取真空步骤不能省略，选择将金属玻璃在真空环境中预加压加热；当模具上的微结构特征尺度处在10μm～100μm之间时，可根据实际加工结果确定。
本发明具有的有益的效果是：
本发明借鉴了注塑成型中由于模腔封闭，使得内部特征结构可以获得较好填充的优点，通过预先限制金属玻璃边缘，并在经模具冲压的金属玻璃冷却到固夹温度Tu后夹住金属玻璃直至经模具冲压的金属玻璃冷却到脱模温度Td，使模具与金属玻璃间形成一个准封闭模腔，可以大幅提高模腔上的微结构特征处的压力，相较于一个开放模腔的压制过程，可以大幅提高其填充效率。
本发明针对金属玻璃的弹性模量较大，而模具和金属玻璃间的热膨胀系数相差很大，使得冷却脱模时金属玻璃微构件的根部容易发生应力集中，引起脱模时金属玻璃微构件的特征破坏的问题，提出均一性收缩方法来保证模具和金属玻璃间的收缩量相同，从而提高金属玻璃微构件最终成型质量。
本发明方法成型效率高，一致性好，可并行加工，成本低，无需特殊的装置，且适于工业化生产。
采用本发明方法加工金属玻璃微构件，其模具可以多次重复利用，可大幅度降低加工成本。同时本发明方法还具有可并行加工及可推广到金属玻璃纳米尺度构件加工中的优势。
附图说明
图1为适用于本发明方法的一种典型的热塑性成型装置的局部结构示意图；
图2为采用图1中热塑性成型装置加工金属玻璃微构件的流程图；其中，(a)为将金属玻璃定位在模具下方并对金属玻璃的边缘进行限制时热塑性成型装置状态图，(b)为预加压加热后施加压力使得模具上的微结构压入金属玻璃内时热塑性成型装置状态图，(c)为冷却到固夹温度Tu后夹住金属玻璃时热塑性成型装置状态图，(d)为夹住金属玻璃脱模时热塑性成型装置状态图，(e)为脱模完成时热塑性成型装置状态图，(f)为切边处理前金属玻璃的结构示意图，(g)为金属玻璃微构件的结构示意图；
图3为本发明方法的工艺参数对应关系图；
图4为施加压力使得模具上的微结构压入金属玻璃内时金属玻璃的流动效果示意图；其中，(h)为开放模腔的压制过程中金属玻璃的流动效果示意图，(i)为准封闭模腔的压制过程中金属玻璃的流动效果示意图。
图1中，1是下加热板，2是金属玻璃基片，3是上模具，4是升降机构，5是槽型下模具，6是上加热板，7是脱模气道，8是脱模罩，9是真空罩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，金属玻璃微构件的热塑性成型加工装置，包括升降机构4、脱模罩8、真空罩9、用于安放金属玻璃微构件模具的上加热板6和下加热板1，以及贯穿脱模罩8、真空罩9和上加热板6的脱模气道7；模具由相互配合的上模具3和槽型下模具5构成，上模具3设有模具的微构件，槽型下模具5用于安放金属玻璃基片2，通过槽型下模具5的侧壁对金属玻璃基片2的边缘进行限制；下加热板1和上加热板6相互靠近时，上模具3上的微构件作用于金属玻璃基片2；脱模罩8、真空罩9以及上加热板6与升降机构4连接，升降机构4分别独立控制脱模罩8、真空罩9以及上加热板6的升降。
上模具3在槽型下模具5上的正投影面积小于槽型下模具5中槽的面积，这样在上模具3和槽型下模具5夹紧金属玻璃基片2时，会形成准封闭的模腔。
如图2中(a)所示，将金属玻璃加工成指定规格大小的金属玻璃基片2，放入与其规格对应的槽型下模具5中，通过槽型下模具5将金属玻璃基片2定位在模具3正下方并通过槽型下模具5的侧壁对金属玻璃基片2的边缘进行限制。金属玻璃基片2的初始温度为T0。
如图2中(b)和图3所示，开启升降机构4，控制真空罩9向下做直线运动直至真空罩9底沿与下加热板1接触在真空罩9内形成密闭空间，通过脱模气道7对该密闭空间抽真空，再通过升降机构4控制上加热板6向下做直线运动，通过上加热板6给金属玻璃基片2施加预压力Pp进行预压；同时给上加热板6和下加热板1通电，对模具3和金属玻璃基片2进行加热软化，使金属玻璃基片2的温度达到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg以上且其晶化温度Tc以下(即压入温度Te)，增加压力至压入压力Pe使得模具3上的微结构压入金属玻璃基片2内，共耗时t1；保持该压入压力Pe并保压时间th，冷却到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg后撤销压入压力Pe。
如图2中(c)所示，接着将金属玻璃基片2冷却到固夹温度Tu后，通过升降机构4控制脱模罩8向下做直线运动直至脱模罩8底部插入金属玻璃基片2中，与槽型下模具5一起夹住金属玻璃基片2在上模具周边的位置，以避免金属玻璃基片2过度收缩。
如图2中(d)所示，继续冷却，当金属玻璃基片2的温度至其脱模温度Td后，在脱模罩8夹住金属玻璃基片2的同时，通过脱模气道7注入压缩氮气，利用膨胀的氮气气体推动作用下上加热板6向上做直线运动，进行气动脱模。
如图2中(e)所示，当上加热板6向上运动时，膨胀的氮气气体会进一步推动脱模罩8向上运动，使脱模罩8脱离金属玻璃基片2。启动升降机构4控制真空罩9向上做直线运动，使真空罩9脱离下加热板1，取出如图2中(f)所示的切边处理前金属玻璃，经切边处理，得到如图2中(g)所示的金属玻璃微构件。
固夹温度Tu和脱模温度Td的关系满足(Tg-Td)αm＝(Tg-Tu)αp；其中，αm是模具的热膨胀系数，αp是的热膨胀系数，Tg是金属玻璃的玻璃态转化温度。
为了提高金属玻璃在热塑性成型时的成型效率，本发明在上模具3和槽型下模具5夹紧金属玻璃基片2时形成一个准封闭的模腔，通过该准封闭模腔提高模具微结构特征处的压力，相较于一个开放模腔的压制过程，可以大幅提高其填充效率。如图4所示，对开放模腔的压制过程及准封闭模腔的压制过程进行的有限元模拟，当模具同样压入80μm的距离时，采用开放模腔压制，其流动最大速度出现在边缘，填充高度仅有11μm，如图4中(h)所示；而采用准封闭模腔压制，其流动最大速度出现在微结构内部，其填充高度达到58μm，如图4中(i)所示。可见，本发明采用准封闭模腔进行金属玻璃的热塑性成型能大幅提高其填充效率。
Claims (2)
1.一种金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法，包括步骤：
(1)将金属玻璃定位在模具中并对金属玻璃的边缘进行限制；
(2)将步骤(1)所述的金属玻璃在真空环境或空气中预加压加热，使金属玻璃的温度达到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg以上且其晶化温度以下，增加压力使得模具上的微结构压入金属玻璃内，保压冷却到该金属玻璃的玻璃态转化温度Tg后撤销压力，接着冷却到固夹温度Tu后夹住金属玻璃，继续冷却到脱模温度Td后进行脱模，脱模时仍需夹住金属玻璃，经切边处理，得到金属玻璃微构件；
所述的固夹温度Tu和脱模温度Td的关系满足(Tg-Td)αm＝(Tg-Tu)αp；其中，αm是模具的热膨胀系数，αp是金属玻璃的热膨胀系数，Tg是金属玻璃的玻璃态转化温度；
所述的模具由相互配合的上模具和下模具构成，其中下模具为槽型，通过下模具的侧壁对所述的金属玻璃的边缘进行限制；
所述的上模具在下模具上的正投影面积小于下模具中槽的面积。
2.根据权利要求1所述的金属玻璃微构件的热塑性成型加工方法，其特征在于，所述的金属玻璃选用大块金属玻璃或金属玻璃薄带。
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