非晶态合金弹簧材料的开发

【摘 要】非晶态合金材料在原子排列上有着非常明显的特征，因为它没有晶粒和晶界，属于单相无定形的结构排列，所以是不同于一般的晶态金属的。而且从微观结构来说，它又没有晶体结构的缺陷，这就决定了它在很多方面的优良特性，就比如说高强度、高硬度、耐腐蚀等等。作为工业必需品的弹簧来说，以上特性正是其所需要的。因此一直不断有人尝试进行非晶态合金弹簧材料的开发，并在这个过 程中取得了一些效果，但其中的很多问题也是我们所不能忽视的。下文是笔者根据自己的验进行的总结。

【关键词】非晶态合金 弹簧材料 开发

非晶态合金我们熟悉的是它的另一个名字―金属玻璃，是通过极速降温的方法让合金液快速冷却，这样制成的固态合金内原子排列还会保持着合金液处于液态的时候的排列状态。因为物质的特性是由其原子排列决定的，所以说这种物质兼具玻璃和金属的特性，并且非晶态合金的微观结构决定了它具有良好的物理性能和优异的化学性能。其应用非常广泛，而要将其用作机械的弹簧材料的话，对于制作工艺来说的话还是一个不小的考验。需要从弹簧的设计结构入手，结合非晶态合金的特性进行优化，所以说这方面的工作还需要详细的工作方案进行指导。

1 非晶态合金的综合性能

1.1 机械性能

经过实际的实验我们可以得出，非晶态合金在强度、硬度以及耐磨性方面有着良好的性能，这些优势不是普通的晶体材料可以相提并论的[1]。非晶态合金的这些优势与制作过程中在其中添加的元素有很大的关系，现在的制作工艺当中添加的元素的硬度已经能够达到HV1400，所以这种材料的硬度是要高于市面上的金属的。其中以铁元素为基准的非晶态合金的抗压强度可以达到4000MPA。

有关专家认为非晶态合金之所以能够拥有这么高的物理强度，一是因为其内部的分子结构有非常强的金属化学键，二是因为非晶态合金没有晶态合金那样的位错、堆垛等缺陷。除此之外其内部的结构还决定了这种合金有非常良好的重塑性和冲击韧性，这种材料在变形加工时没有硬化现象。在这种材料的动态性能方面，它有良好的疲劳寿命以及断裂韧性，就算是将这种材料对折也不会产生裂纹。以上特性决定了这种非晶态合金在工业制造领域有着广泛的应用地位，特别是对于弹簧的制造，更能发挥的出它本身的特性。

1.2 化学性能

因为这种非晶态合金没有晶界和晶粒，所以说它的耐腐蚀性要比一般的晶态金属要好。有关的化学专家进行过相关的实验，发现非晶态合金在一些特殊的环境之下也能够保持其稳定性，而不会发生腐蚀的现象[2]。这种材料能够保持这种特性的原因，主要和其表面钝化膜的形成有一定的关系。而且这种材料没有结构上的缺陷，所以保持了相当程度上结构的均匀性。利用非晶态合金这方面的特性，我们可以将其应用到海洋工业的施工当中。

2 非晶态合金弹簧材料的制造

2.1 制造过程

非晶态合金弹簧材料的制作过程是保证其产品最后效果的关键部分。用非晶态合金材料制造弹簧的工艺的大致过程是将金属玻璃丝采用旋转槽急冷造法来制作而成的，这一环节可以使得金属玻璃丝定型[3]。之后再用加热转绕制成弹簧，这种设备主要是依靠一个外有高频加热感应圈的圆柱形模具通过旋转制作而成的。加热感应圈可以加热模具，而模具周围的转绕位置环布有氩气喷嘴，整个制造仪器还有非晶丝引丝机，用来保证制作效果。通过上面的表述就可以看出，非晶态合金弹簧材料的制造过程完全是围绕保证这种合金的特性来出发的，也正是因为这样成型之后的弹簧才能够在最大程度上发挥其固有的特性。

2.2 加热工艺

在这整个制造过程当中，加热工艺才是最有技术含量的。整个加热过程中，最开始的3到4分钟要快速加热，保证温度达到400到450摄氏度。然后再通过快速卷绕让弹簧材料成型，然后再快速让弹簧材料冷却至室温，这整个过程要一气呵成，中间不能出现任何耽搁，这样才能够保证最终弹簧材料的品质。并且对于温度的控制要非常准确，如果温度的误差太大就会出现材料晶化的现象[4]。快速卷绕的工序一般是在Tg+50℃的要求下进行的，有关的专家曾经进行过这方面的实验，就是将直径为1.4毫米的锆基非晶态合金，绕成外径为11毫米的弹簧材料，通过X射线检测发现并没有结晶的现象发生。虽然说这一过程证明了现有的非晶态合金弹簧材料的生产工艺没有问题，但是在这种合金的金属疲劳点方面的研究目前还是比较空白的。

3 非晶态高强度，低弹性弹簧材料的制作

3.1 制作过程

近年来随着各项工艺标准的完善，飞机、轮船等大型交通工具的材料性能的要求也是越来越高了。就这些大型设备上的弹簧材料来说，已经在开始逐渐向着质量更轻、强度更高、而且功能更加完备的方向发展。上个世纪60年代，我们就制作出了急冷非晶态合金，虽然其表现出了很优越的机械性能，但是因为制作工艺的限制只能制作出很薄的薄片，这样的原料在实际应用过程中受到很大限制。直到上个世纪80年代，通过往非晶态合金中添加锆、钛等元素，再通过极速冷却的方式就制成出了大块的非晶态合金。这种材料相比较以前在应用范围上就有了很大的提高，再加上生产工艺的不断进步，逐渐用非晶态合金制成的弹簧材料就能够满足日常的需求了。

3.2 结构特点

这种被称为金属玻璃的非晶态合金，在结构上呈现的是原子的无序结构，因此有非常良好的耐腐蚀性和软磁性，详细的特性如表1所示。

上表的这些特性是传统的结晶合金所不具有的，这种材料非常适合制造汽车等设备上所应用的大型弹簧。应用这种材料制作而成的汽车发动机能够让发动机气缸盖小型化，进而减轻发动机的整体质量，发动机的转速就可以获得质的提高[5]。对于汽车而言，除了发动机部件，一些高档机械的传感器也在开始应用这种非晶态合金材料，这样以来这种合金材料由最初的制造弹簧开始正在逐步成为一种工业必需品。

4 结语

非晶态合金是一种由人为合成的，能够满足当下多种工业需求的一种合金材料。经过生产工艺的逐步完善，过去只能够应用于弹簧的这种材料已经逐渐成为了一种工业必需品，但是不管是利用其特性做成的弹簧材料还是传感器零件的应用目前都存在很多问题。所以说如何用好这种合金材料是需要从这种材料特性出发，再落实到我们生产工艺的改进的。上文根据笔者的经验对这类问题进行了总结，以非晶态合金弹簧材料的开发为例子，希望能够推进这种材料的应用。

参考文献：

[1]索忠源，宋艳玲，王海波，邱克强.高储能Zr基非晶合金弹簧的制备[J].特种铸造及有色合金，2011，02：104-106+199.

[2]崔晓.基于电子输运/内耗性质及熔体状态探索非晶合金GFA[D].合肥工业大学，2013.

[3]王知鸷.Zr/Al基非晶合金的电阻及内耗行为与熔体状态的相关性[D].合肥工业大学，2013.

[4]李凝.电沉积非晶态/纳米晶Ni-Mo合金阴极材料的制备及其改性[D].福州大学，2010.

[5]孙颖迪.Mg-Cu-Gd基块体非晶合金的Sb/Sn/Cd微合金化效应研究[D].南京航空航天大学，2011.