Zr基块体非晶合金在过冷液态区微正挤压实验研究

王 懿 郑志镇 李建军

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074

0 引言

以塑性加工方式生产至少在二维方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术称为微成形技术[1]。这一技术继承了传统塑性加工技术的许多优点，非常适合微型零件的大批量生产。但是，随着产品的微型化，金属材料成形特征表现出极强的尺寸效应。已有研究表明[2－4]，一般金属的材料流动、摩擦行为等都呈现出明显依赖于坯料尺寸及材料晶粒尺寸的尺寸效应现象，由此导致传统成形理论和工艺不能完全适用于微成形。与一般金属相比，非晶合金具有长程无序短程有序的非晶态结构，在微成形中不存在晶粒尺寸效应，而且在过冷液态区块体非晶合金具有超塑性成形性能，所生产的零件尺寸精度高，能够精确地复制模具尺寸，因此在生产微小精密零件方面，具有一般金属不可比拟的优势和广泛的应用前景。

大块非晶合金超塑性微挤压成形时，材料流动行为以及工件与模具间摩擦作用会对工艺和产品 质 量 产 生 重 要 影 响。Kawamura 等[5]对Zr65Al10Ni10Cu15大块非晶合金在过冷液态区内进行正挤压实验，发现非晶合金在高应变速率下成形具有很好的超塑性行为，且随着应变速率的增大，合金应力过冲减小，从而成形压力减小。Chiu等[6]研究了Zr44Ti11Cu10Ni10Be25块体非晶合金正挤压成形过程中材料的流动行为，通过计算挤出长度与挤压实验工艺参数间的关系，得到材料流变特性为牛顿流变，进而解释了材料的挤出胀大是由于凹模尾部边界条件突变引起的。张志豪等[7]对Zr55All0Ni5Cu30大块非晶合金进行了超塑性正挤压成形试验，发现挤压速度和非晶合金的表面状态对摩擦因数影响较大，在温度和模具尺寸一定的情况下，摩擦因数与挤压速度成反比，而随着真空度的提高，合金表面的吸附膜和氧化膜破裂且难以再生，导致摩擦因数增大。郑志镇等[8]采用双杯挤压实验研究了成形温度、应变速率等工艺参数对Zr55Cu30All0Ni5块体非晶合金在过冷液相区塑性成形时模具和零件之间的摩擦行为的影响，结果表明非晶合金在过冷液相区内变形的摩擦因数在0.2～0.7之间。

当前，对于非晶合金微挤压成形的研究主要集中于成形温度、应变速率等工艺参数对挤压过程材料流动和摩擦行为的影响。为了进一步研究微正挤压成形中的尺寸效应，本文基于相似理论的原理，选择Zr基大块非晶合金作为实验材料，在过冷液态区进行了微正挤压实验。

1 实验

采用电弧熔炼／水冷铜模吸铸技术制备得到直径3mm、长度130mm的Zr55Cu30All0Ni5非晶合金棒料，经X射线衍射（XRD）检测，试样由单一的非晶相组成，制备过程中没有晶化现象产生。利用差式扫描量热法（DSC）测得Zr55Cu30All0Ni5的起始玻璃化转变温度tg＝411℃、结晶温度tx＝497℃，过冷液态区温差为86℃。按高径比1.5∶1，分别将非晶合金棒料磨削、切割加工为φ2mm×3mm、φ1mm×1.5mm 和 φ0.5mm×0.75mm尺寸坯料。

正挤压实验模具（图1）的材料采用4Cr5MoSiV1热作模具钢。为了取件方便，凹模设计为左右两个半模，并加工两块挡板夹住凹模，以防止工件出现飞边。按挤压比4加工凹模工作带孔径，凹模工作带长度则综合考虑模具强度和加工难度的因素，选择两种尺寸规格，一种为1mm短凹模工作带，而另一种为保证挤压过程坯料始终在凹模孔内，选择6.5mm长凹模工作带。对两个半模相接触的表面、凹模与坯料相接触的端面以及凹模孔进行研磨加工，以减小表面粗糙度。采用高温固体润滑剂，以防止工件粘模。

选取实验温度为450℃（约1.1tg），初始应变速率为0.001～0.01s－1，实验条件如表1所示。实验在Zwick／Roell Z020材料力学性能试验机上完成。实验过程为：加热炉升温至指定温度并保温；待炉内温度稳定后，打开炉门，迅速将事先已经装好试样的模具整体放入加热炉内的压缩平台上，关好炉门；待模具及试样温度恢复到指定温度后，继续保温7min，加载达到设定行程后停止实验；使试验机横梁回到初始位置，打开炉门迅速将模具取出在空气中冷却后，取出工件。

图1 正挤压实验模具简图

表1 Zr55Cu30All0Ni5非晶合金正挤压实验条件

2 实验结果与讨论

2.1 挤压零件微观组织分析

对比分析非晶合金坯料挤压成形前后DSC曲线（图2）发现，挤压成形后非晶坯料的晶化峰向低温方向移动且有宽化的趋势，但晶化转变热焓值ΔHcryst并没有明显变化，只从铸态的－40.472J／g变为挤压后的－37.525J／g。这表明挤压成形后坯料的非晶态结构可能发生了一些改变，这与Chan等[9]的研究结果相类似。

采用环境扫描电子显微镜（ESEM）对正挤压后的零件微观组织进行观察，如图3所示。图片显示，非晶合金零件边界存在氧化层，但没有发现明显的晶粒。由此可见，非晶合金在当前实验条件下进行正挤压是可行的。

图2 非晶合金挤压成形前后DSC曲线（温升速率20K／min）

图3 非晶合金挤压成形零件ESEM照片

2.2 正挤压尺寸效应

为了比较坯料尺寸对正挤压的影响，以p＝F／S（F为冲头挤压力，S为坯料横截面面积）计算单位挤压力，利用公式ΔH′＝ΔH／D（ΔH为冲头挤压行程，D为坯料直径）计算相对挤压行程，从而得到单位挤压力－相对挤压行程曲线。

实验成形温度450℃、初始应变速率0.001s－1时的单位挤压力－相对挤压行程曲线如图4所示（其他初始应变速率下所得曲线相似）。

图4 凸模单位挤压力－相对行程曲线

对于φ2mm和φ1mm的坯料，其正挤压过程大致可以分为3个阶段：第Ⅰ阶段，发生在ΔH′＝0.1以下的相对压入量内，曲线走势平缓，单位挤压力变化不大，此阶段坯料开始并逐渐被挤入凹模孔内，但挤入长度不大；第Ⅱ阶段，发生在ΔH′为0.1～0.4的相对压入量内，曲线走势陡然上升，单位挤压力急剧增大，此阶段在短凹模孔内的坯料逐渐被挤出凹模孔出口，而在长凹模孔内的坯料与凹模孔接触面积逐渐增大；第Ⅲ阶段，发生在相对压入量ΔH′＝0.4以后，曲线走势重新归于平缓，单位挤压力基本不变，此阶段坯料处于稳定流动状态。

而对于φ0.5mm的坯料，其正挤压过程没有明显的分段，单位挤压力一直增大，并在后期急剧增大。产生这种现象的原因主要是坯料尺寸减小，摩擦因数增大[10]，导致坯料单位挤压力一直增大。

另外我们发现，在整个挤压成形过程中，随着非晶合金坯料尺寸的减小，单位挤压力增大。产生这种现象的主要原因是随着坯料尺寸减小，非晶合金自身流动应力增大[11]，此外微小尺度下表面积与体积之比增大，从而摩擦力影响加大，这也是导致单位挤压力增大的原因。

不同坯料尺寸条件下，凸模单位挤压力－行程曲线变化趋势不同，且单位挤压力随着坯料尺寸减小而增大，非晶合金正挤压成形力的大小和变化特点呈现出明显依赖于坯料尺寸的尺寸效应现象。

2.3 凹模长度对正挤压的影响

实验成形温度450℃、初始应变速率0.001s－1时，不同尺寸坯料在不同长度凹模中的单位挤压力－行程曲线如图5所示（其他初始应变速率下所得曲线相似）。

图5 凸模单位挤压力－行程曲线

比较3种不同尺寸坯料发现，在挤压过程后期，短凹模（L＝1mm）中的单位挤压力均大于长凹模（L＝6.5mm）中的单位挤压力。为此，我们设计实验，考察了φ0.5mm坯料在短凹模工作带中挤压的情况。以单位挤压力转折点ΔH＝0.4mm为起始点，间隔0.1mm依次增大凸模压入量，即分别选择 ΔH 为0.4mm、0.5mm 和0.6mm进行正挤压成形。实验发现，当ΔH＝0.4mm时，坯料前端刚好挤到凹模出口位置（图6a），而随着挤压行程继续增大，坯料前端完全被挤出凹模出口（图6b、图6c）。由此可见，同尺寸坯料在不同长度凹模中挤压，其单位挤压力出现差别就发生在坯料挤出短凹模出口之后。

图6 φ0.5mm×0.75mm非晶合金坯料被挤出凹模孔出口过程

根据已有的流变学理论，可以分析凹模长度对非晶合金单位正挤压力的影响。材料在挤压过程中的单位挤压力由三部分构成，即

式中，p为凸模单位挤压力；pdie为挤压力在凹模工作带中的压力降；pentry、pexit分别为挤压力在凹模工作带入口和出口处的压力降[6]；η为非晶合金黏度；v为挤压速度；α为与凹模工作带入口和出口几何尺寸有关的修正系数。

坯料挤出短凹模（L＝1mm）出口后，pdie不再变化，这时出现了出口压力降pexit；坯料在长凹模（L＝6.5mm）中挤压时，随着与凹模接触面积的增大，摩擦力增大，导致pdie增大；而对于不同长度凹模，pentry相同，如图5所示，短凹模中的单位挤压力大于长凹模中的单位挤压力，可见出口压力降pexit的作用大于摩擦力增大的作用。

另外，由式（3）可见，非晶合金坯料尺寸减小（凹模直径d减小），材料流动应力增大，引起相同应变速率下黏度η增大[12]。在d减小和η增大的共同作用下，短凹模入口和出口压力降pentry＋pexit增大，这就是导致φ0.5mm坯料挤出短凹模出口后单位挤压力急剧上升的原因。

2.4 成形工艺条件对挤出胀大的影响

测量记录挤压零件的挤出直径d′发现，坯料挤出后都有不同程度的径向胀大，计算挤出胀大如图7所示。

图7 非晶合金坯料在不同条件下的挤出胀大比

我们可以发现，相同挤压应变速率下，坯料挤出胀大比随坯料尺寸减小而增大，而相同尺寸坯料的挤出胀大比则随挤压应变速率的增大而增大。另外，坯料在短凹模中的挤出胀大比大于在长凹模中的挤出胀大比。

根据已有的流变学理论分析，导致非晶合金挤出胀大的因素主要有三个：①弹性回复。在非晶合金坯料进入凹模的过程中，材料被压缩，发生弹性形变，材料挤出后引发弹性回复，导致坯料挤出胀大。②黏性回复。非晶合金坯料在挤出过程中，材料除了发生剪切流变外，还沿径向发生拉伸流变，黏性流动完全松弛需要一定的时间，否则挤出后将发生黏性回复，导致坯料挤出胀大。③边界条件变化。在非晶合金坯料挤出凹模出口的瞬间，材料流动边界条件发生剧烈变化，模具对挤出部分的径向约束力消失，根据非晶合金自由体积模型，此时材料内部沿径向自由体积增多，引起原子的径向跃迁数量随之增多，从而坯料挤出胀大。

弹性回复主要由弹性变形的大小决定。随着非晶合金坯料尺寸减小或挤压应变速率增大，材料流动应力增大，流动过程中弹性变形部分增大，从而坯料产生了更大的弹性形变，储存了更多的弹性能，使弹性回复随之增大。黏性回复主要取决于松弛时间，而松弛时间由材料黏度控制。随着坯料尺寸减小，相同应变速率下黏度增大，黏性流动所需松弛时间变长，坯料来不及松弛，从而黏性回复增大；当坯料尺寸相同，挤压应变速率较大时，坯料来不及松弛，黏性回复增大。因此，随着坯料尺寸减小或挤压应变速率的增大，其弹性回复和黏性回复的同时增大，导致坯料挤出胀大比增大。另外，由于坯料在短凹模中停留时间更短，黏性流动来不及松弛，从而坯料的黏性回复大于在长凹模中的黏性回复，加之边界条件变化的影响，导致非晶合金坯料在短凹模中的挤出胀大比大于在长凹模中的挤出胀大比。

3 结论

（1）Zr55Cu30All0Ni5大块非晶合金在成形温度450℃、初始应变速率0.001～0.01s－1的条件下，挤压出的零件保持良好的非晶态组织，其挤压是可行的。

（2）随着非晶合金坯料尺寸减小，单位挤压力增大，且当坯料直径减小到0.5mm时，挤压成形力表现出明显不同的变化趋势，单位挤压力一直上升，并在挤压后期急剧上升。

（3）由于凹模出口压力降的影响，非晶合金在短凹模中的单位挤压力大于在长凹模中的单位挤压力。

（4）非晶合金坯料挤出后均有不同程度胀大，挤出胀大比为10%～36%。随着非晶合金尺寸的减小或挤压应变速率的增大，坯料挤出胀大比增大，且非晶合金在短凹模的挤出胀大比大于在长凹模的挤出胀大比。

[1]Engel U，Eckstein R.Microforming－from Basic Research to Its Realization[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，125-126：35-44.

[2]Krishnan N，Cao J.Study of the Size Effect on Friction Conditions in Microextrusion[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007，129（4）：669-689.

[3]Parasiz S A，Kinsey B，Krishnan N，et al.Investigation of Deformation Size Effects during Microextrusion[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007，129（4）：690-697.

[4]彭昊，申昱，崔振山.微型正挤压尺度效应实验研究[J].塑性工程学报，2008，15（6）：72-75.

[5]Kawamura Y，Shibata T，Inoue A，et al.Workability of the Supercooled Liquid in the Zr65Al10－Ni10Cu15Bulk Metallic Glass[J].Acta Mater.，1998，46（1）：253-263.

[6]Chiu H M，Kumar G，Blawzdziewicz J，et al.Thermoplastic Extrusion of Bulk Metallic Glass[J].Scripta Materialia，2009，61（1）：28-31.

[7]张志豪，周成，谢建新.Zr55All0Ni5Cu30大块非晶合金的超塑性挤压成形性能[J].中国有色金属学报，2005，15（1）：33-37.

[8]郑志镇，成蛟，王新云，等.Zr基大块非晶合金在过冷液态区超塑性成形的摩擦行为及机理研究[J].中国机械工程，2009，20（20）：2510-2513.

[9]Chan K C，Liu L，Wang J F.Superplastic Deformation of Zr55Cu30Al10Ni5Bulk Metallic Glass in Supercooled Liquid Region[J].Journal of Non－crystalline Solids，2007，353：3758-3763.

[10]Engel U，Messner A，Tiesler N.Cold Forging of Microparts－effect of Miniaturization on Friction[C]／／Proceedings of the First ESAFORM Conference on Materials Forming.Sophia Antipolis，1988：77-80.

[11]李宁.非晶合金的形变行为及尺寸效应研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[12]惠希东，陈国良.块体非晶合金[M].北京：化学工业出版社，2006.