CN109136789B - 一种非晶合金usb接口及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶合金USB接口，包括：中空接口及设于接口底部的固定部，所述中空接口由两侧的侧边插接部以及顶端、底端的平行插接部合围而成；所述固定部、侧边插接部、平行插接部中的至少一组由非晶合金制成。本发明中的非晶合金USB接口在插拔区域相对常规USB接口的材料强度高，常规使用难以出现超越非晶合金强度极限的情况，从而不会出现使用中破损的现象。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种包含非晶合金的USB接口及其制备方法。
背景技术
现有的消费类电子产品往往需要通过数据线与外部通信装置进行数据资源的互通，在现有设计中，考虑到消费类电子产品的便携性和设计感，往往将充电装置与数据连接装置统一，这样的设计不仅能够节约设计空间，而且非常有利于消费类电子产品的重量控制。尽管现有技术中的上述设计广泛被应用于各种不同的消费类电子产品中，如智能手机、平板电脑、智能穿戴式设备等，在这种设计下会导致电子产品中数据线与电子产品本体连接处的位置插拔使用非常频繁，从而导致该连接处的使用寿命，而连接处的使用寿命直接影响到该电子产品的使用体验。
现有技术中USB接口常使用塑料和金属两大类的材料制成，塑料接口由于强度低、易变形、易老化变色等缺点导致使用寿命短，同时由于塑料接口外形与目前金属化的设计趋势不符，越来越退出历史的舞台。随着消费类电子产品的更新换代，金属材质的USB固定接口已经占据了更为重要的位置。金属类的接口在使用效果方面相对于塑料产品具有非常大的优势，常用的接口材料为不锈钢材料或者铝合金材料。常用的金属材料尽管比起塑料具有优势，但是在消费类电子产品整体的使用时间和使用频率持续大幅上涨的情况下，仍旧存在长期多次使用后变形的缺点，，而且不锈钢或者铝合金材料制成的接口在长期使用过程中容易受到外界环境的腐蚀影响接口处的外观，也容易造成接口处插拔力的增加，影响消费者的使用体验。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种具有高强度、高硬度特点的非晶合金制成的USB接口，同时提供了该接口的制备方法。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的非晶合金USB接口，包括：
中空接口及设于接口底部的固定部，所述中空接口由两侧的侧边插接部以及顶端、底端的平行插接部合围而成；
所述固定部、侧边插接部、平行插接部中的至少一组由非晶合金制成。
进一步地，由非晶合金制成的结构部分厚度为非非晶合金结构部分的20-50%。
进一步地，所述接口中非晶合金部分弹性极限为0.8-1.4%，维氏硬度为350-900HV，抗拉强度为1200-1800MPa，支架厚度为0.2-0.4mm。
进一步地，所述非晶合金部分为锆基非晶合金，其成分组成为(Zr，Hf)aTib(Cu，Ni)c(Al，Be，Mg)d(Y，C)e，其中a、b、c、d、e每个独立地表示原子百分比，42≤a≤55、6≤b≤12、16≤c≤24、14≤d≤23、0.5≤e≤2。
进一步地，所述非晶合金部分为镍基非晶合金，其成分组成为Nia(Zr，Hf，Ta，Ti)b(Si，B)cNbd，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，52≤a≤64、20≤b≤40、0.2≤c≤4、5≤d≤18。
进一步地，所述非晶合金部分为钛基非晶合金，其成分组成为(Ti，Zr)aCubNic(Si，Sn，Al，B)d，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，50≤a≤65、20≤b≤35、7≤c≤20、1≤d≤6。
本发明中提供的非晶合金USB接口的制备方法，包括如下：
按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.01-0.1MPa真空度条件下进行压铸，压铸成型冷却后，制成全部由非晶合金材料构成的USB接口；
或者，
按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.01-0.1MPa真空度条件下进行压铸、浇铸或者吸铸，铸造成型冷却后，制成0.4-0.5mm厚度的非晶合金板，然后加热至400-450℃，热压成型制成所需USB接口；
或者，
首先将非非晶合金材料制成的USB接口中的部分结构构件放置入模具中的设定位置，然后按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，利用模内压铸工艺，在0.01-0.1MPa真空度条件下将非晶合金熔液注射入模具内与非非晶合金制成的构件共同构成USB接口的整体结构。
或者，
首先将第一种非晶合金材料制成USB接口中的部分结构构件放置入模具中的设定位置，然后按照第二种非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，利用模内压铸工艺，在0.01-0.1MPa真空度条件下将第二种非晶合金熔液注射入模具内与第一种非晶合金材料构件共同构成USB接口的整体结构；
所述第二种非晶合金材料的玻璃化转变温度低于第一种非晶合金材料；
或者，
按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.01-0.1MPa真空度条件下进行压铸、浇铸或者吸铸，铸造成型冷却后，制成0.4-0.5mm厚度的非晶合金板，然后加热至400-450℃，热压成型制成USB接口中的部分结构构件，放置入设定的模具内；然后将非非晶合金材料或者第二种非晶合金材料熔炼后，利用模内压铸工艺，在0.01-0.1MPa真空度条件下将熔液注射入模具内与模具内的非晶合金构件共同构成USB接口的整体结构；
所述第二种非晶合金材料的玻璃化转变温度低于前一种非晶合金材料。
进一步地，非晶合金为锆基非晶合金时，非晶合金的熔炼温度为900-1100℃；非晶合金为镍基非晶合金时，非晶合金的熔炼温度为1100-1300℃；非晶合金为钛基非晶合金时，非晶合金的熔炼温度为1300-1500℃。
进一步地，所述非非晶合金材料包括耐热塑料、黑色金属、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铍及铍合金、锌及锌合金、金属钙、水溶性陶瓷中的一种或者多种或者以上述材料为原料的复合材料。
进一步地，所述USB接口成型后还包括后处理工序，所述后处理工序包括利用普通切刀切割、电热切刀切割、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸、CNC数控加工中一种或多种的机械加工方式；还包括利用酸性溶液、碱性溶液、循环水流、冲击水流、络合剂溶液进行溶解的加工方式；还包括将机械加工与溶解加工方式共同进行使用的加工方式。
本发明具有以下优点：
1、本发明中的非晶合金USB接口在插拔区域相对常规USB接口的材料强度高，常规使用难以出现超越非晶合金强度极限的情况，从而不会出现使用中破损的现象。
2、本发明中的非晶合金USB接口在插拔区域具有较高的硬度与耐磨性，常规使用难以出现超越非晶合金硬度与耐磨性的情况，从而不会出现使用中磨损的现象。
3、本发明中的非晶合金USB接口针对常规消费类电子的使用要求，采用的是成本低、弹性极限略低的非晶合金体系，常规使用难以出现超越非晶合金弹性极限的情况，从而不会出现使用中变形的现象。
4、本发明中的非晶合金USB接口的制备方法简单易行，适合工业化生产。
5、本发明中的非晶合金USB接口比强度高、厚度低，符合目前消费类电子产品轻薄化的设计趋势。
附图说明
图1为本发明中非晶合金USB接口的结构示意图；
图2为本发明中非晶合金USB接口中中空接口的结构示意图；
图3为本发明中另一种非晶合金USB接口的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1-20
在实施例1-20中制备得到的USB接口的结构形状如附图1所示，USB接口包括上端的中空接口以及设于接口底部的固定部101，中空接口由弯角结构的侧边插接部102、顶端平行插接部104、弯角结构的侧边插接部103、低端平行插接部105合围而成。在实施例1-20中的接口中，固定部、侧边插接部、平行插接部中的至少一组由非晶合金制成，下述具体实施例的阐述中会一一提到。
由于非晶合金的比强度比常见材料高，故由非晶合金制成的结构部分厚度为非非晶合金结构部分的20-50%即可达到常见材料（不锈钢）的性能。如采用力学性能较佳的锆基、镍基、钛基非晶合金，由非晶合金制成的结构部分厚度为不锈钢材料的30%左右为最佳，若是与铝合金材料相比，厚度为铝合金的20-25%最佳，能够大幅减少接口处的设计厚度。如果采用的是力学性能相对略低的铝基、稀土基非晶合金，则厚度适当提升。由于是作为USB接口的应用，使用过程中重点考虑的是插拔对接口形态的影响，配合考虑的是突发性外力的作用，如嵌入产品后的碰撞等，针对特定的使用状态，本发明中的接口中非晶合金部分弹性极限设为0.8-1.4%、维氏硬度为350-900HV、抗拉强度为1200-1800MPa、支架厚度为0.2-0.4mm即可满足使用要求，在插拔区域相对常规USB接口的材料强度和硬度高，常规使用难以出现超越非晶合金强度极限和耐磨程度的情况，从而不会出现使用中破损的现象。同时，使用上述非晶合金材料会使得非晶合金的制造成本大幅降低（降低了工艺过程控制中的真空度要求等苛刻的条件控制），使价格较为昂贵的非晶合金通过降低原料使用量和工艺制造难度来降低整体成本，从而使得取代现有廉价材料成为可能，在工业中得到广泛应用。
实施例1-10中采用的是整体压铸的方式，及制备方法为：
按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.1MPa真空度条件下进行压铸，压铸成型冷却后，制成全部由非晶合金材料构成的USB接口。
实施例1-10中非晶合金的配方依次为：Zr41Hf11.5Ti7Cu12.9Ni10.6Al12Be3Mg0.4Y0.6C1、Zr45Ti10Cu11.5Ni11.5Be20.5Y1Mg0.5、Zr47Ti11Cu9.5Ni8Be22.5C2、Ni56Zr19Ti12Hf3Ta0.5Si3Nb6.5、Ni53.25Nb5.5Ta37.25B4 、Ni63Nb17Ti12.5Hf7.5 、Cu31Ti48Zr13Ni7Si1、Cu25Ti42Ni18Zr10Sn5 、Ti57Cu33Ni12Zr3Al7Si3B1、Ti54Ni20Cu20B1Si2Sn3。在压铸过程中，真空度控制在0.1MPa以下即可，无需与现有技术中动辄控制在低于10-1Pa条件下的真空度相同。实施例1-5中接口产品的表面硬度分别为HV508、HV519、HV527、HV825、HV820、HV813、HV624、HV629、HV630、HV657（维氏硬度计HV3测试）。
熔炼温度：锆基非晶合金950-1050℃、镍基非晶合金1100-1200℃、钛基非晶合金1350-1450℃。成型后的降温速率控制高于100K/s。
实施例11-10中使用的非金合金配方依次与实施例1-10中相同，不同之处在于设于接口底部的固定部101为不锈钢材料制成，中空接口部分为非晶合金，制备方法为：
首先将不锈钢304材料制成的USB接口中接口底部的固定部101的形状，然后放置入模具中的设定位置，然后按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，利用模内压铸工艺，在低于0.1MPa真空度的条件下将非晶合金熔液注射入模具内与固定部结构共同构成USB接口的整体结构。
实施例21-25
实施例21-25中制成的USB接口的结构形状与实施例1-20中大致相同，不同之处在于中空接口形状如附图2所示，由弧形侧边插接部201、顶端平行插接部202、弧形侧边插接部203、低端平行插接部204合围而成。在实施例21-25形状的接口中，弧形侧边插接部在插拔过程中更容易受到损坏变形，故将弧形侧边插接部201和203利用非晶合金制成，实施例21-25中使用的非金合金配方依次为Zr41Hf11.5Ti7Cu12.9Ni10.6Al12Be3Mg0.4Y0.6C1、Zr45Ti10Cu11.5Ni11.5Be20.5Y1Mg0.5、Zr47Ti11Cu9.5Ni8Be22.5C2、Zr42Hf10.5Ti7Cu12.9Ni10.6Al11Be3Mg0.4Y1.6C1、Zr47Ti11Cu9.5Ni8Al12Be12.5C2。
制备方法为：
首先将不锈钢304材料制成的USB接口中接口底部的固定部和平行插接部的形状，然后放置入模具中的设定位置，然后按照上述非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，利用模内压铸工艺，在低于0.1MPa真空度的条件下将非晶合金熔液注射入模具内与固定部结构共同构成USB接口的整体结构。
实施例26
本实施例中形状与实施例21-25中相同，本实施例中将平行插接部设置为钛基非晶合金Ti54Ni20Cu20B1Si2Sn3，弧形插接部设置为锆基非晶合金Zr47Ti11Cu9.5Ni8Be22.5C2。钛基非晶合金由于熔炼温度高、玻璃化转变温度高，适合用于两种非晶复合材料中的第一种非晶合金原料，制备方法为：
首先将上述钛基非晶合金制成USB接口中的固定部和平行插接部放置入模具中的设定位置，然后按照上述锆基非晶合金的原料配方进行称重混合后熔炼均匀，利用模内压铸工艺，在低于0.1MPa真空度条件下将锆基非晶合金熔液注射入模具内与钛基非晶合金材料构件共同构成USB接口的整体结构。
实施例27
钛基非晶合金由于成型性能好，更适合利用热压工艺整体成型。
本实施例中使用的钛基非晶合金成分为Ti55Ni19.5Cu19.5B1Si2Sn3，接口形状与实施例26相同，USB接口的制备方法为：按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.01MPa真空度条件下进行压铸，铸造成型冷却后，制成0.4mm厚度的非晶合金板，然后加热至435℃，热压成型制成所需USB接口。
实施例28
本实施例中采用热压与模内压铸相结合的工艺制备USB接口，其结构形状与实施例26相同，具体制备方法为：
按照钛基非晶合金Ti55Ni19.5Cu19.5B1Si2Sn3原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.01MPa真空度条件下进行压铸，铸造成型冷却后，制成0.4mm厚度的非晶合金板，然后加热至435℃，热压成型制成USB接口中的固定部和平行插接部，放置入设定的模具内；然后将锆基非晶合金材料Zr47Ti11Cu9.5Ni8Be22.5C2熔炼后，利用模内压铸工艺，在0.01MPa真空度条件下将锆基非晶合金熔液注射入模具内与模具内的非晶合金构件共同构成USB接口的整体结构。
实施例29
本实施例中制备方法与实施例28相同，不同之处在于将锆基非晶合金替换为耐热塑料PEEK，利用模内注塑的工艺制成USB接口的整体结构。
实施例30
本实施例中制备方法与实施例28相同，不同之处在于其制备得到的USB接口结构如附图3所示，钛基非晶合金Ti55Ni19.5Cu19.5B1Si2Sn3制成固定部301，锆基非晶合金Zr47Ti11Cu9.5Ni8Be22.5C2制成中空筒状插口302。
根据本发明提供的方案，根据USB接口设计的不同可采用不同的非非晶合金材料应用于上述实施例中，包括耐热塑料、黑色金属、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铍及铍合金、锌及锌合金、金属钙、水溶性陶瓷中的一种或者多种或者以上述材料为原料的复合材料。采用上述不同材料可便于接口处的表面处理、表面加工或者结构上的进一步改进，如利用普通切刀切割、电热切刀切割、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸、CNC数控加工中一种或多种的机械加工方式对接口处结构件进行细微处结构的调整，如利用酸性溶液、碱性溶液、循环水流、冲击水流、络合剂溶液进行溶解的加工方式去除多余的结构设计。
由上述实施例可以看出，本发明中的非晶合金USB接口在插拔区域相对常规USB接口的材料强度高，常规使用难以出现超越非晶合金强度极限的情况，从而不会出现使用中破损的现象。本发明中的非晶合金USB接口在插拔区域具有较高的硬度与耐磨性，常规使用难以出现超越非晶合金硬度与耐磨性的情况，从而不会出现使用中磨损的现象。本发明中的非晶合金USB接口针对常规消费类电子的使用要求，采用的是成本低、弹性极限略低的非晶合金体系，常规使用难以出现超越非晶合金弹性极限的情况，从而不会出现使用中变形的现象。本发明中的非晶合金USB接口的制备方法简单易行，适合工业化生产。本发明中的非晶合金USB接口比强度高、厚度低，符合目前消费类电子产品轻薄化的设计趋势。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种非晶合金USB接口，包括：
中空接口及设于接口底部的固定部，所述中空接口由两侧的侧边插接部以及顶端、底端的平行插接部合围而成；
所述固定部、侧边插接部、平行插接部中的至少一组由非晶合金制成；
由非晶合金制成的结构部分厚度为非非晶合金结构部分的20-50%；
所述接口中非晶合金部分弹性极限为0.8-1.4%，维氏硬度为350-900HV，抗拉强度为1200-1800MPa，支架厚度为0.2-0.4mm；
所述非晶合金部分为镍基非晶合金，其成分组成为Nia (Zr，Hf，Ta，Ti)b(Si，B)cNbd，其中a、b、c、d每个独立地表示原子百分比，52≤a≤64、20≤b≤40、0.2≤c≤4、5≤d≤18。
2.如权利要求1所述非晶合金USB接口的制备方法，其特征在于：
按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0.01-0.1MPa真空度条件下进行压铸，压铸成型冷却后，制成全部由非晶合金材料构成的USB接口；
或者，
按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，在0 .01-0 .1MPa真空度条件下进行压铸、浇铸或者吸铸，铸造成型冷却后，制成0 .4-0 .5mm厚度的非晶合金板，然后加热至400-450℃，热压成型制成所需USB接口；
或者，
首先将非晶合金材料制成的USB接口中的部分结构构件放置入模具中的设定位置，然后按照非晶合金原料配方进行称重混合后熔炼均匀，利用模内压铸工艺，在0.01-0.1MPa真空度条件下将非晶合金熔液注射入模具内与非非晶合金制成的构件共同构成USB接口的整体结构。
3.如权利要求2所述非晶合金USB接口的制备方法，其特征在于：
所述非晶合金材料的熔炼温度为1100-1300℃。
4.如权利要求2所述非晶合金USB接口的制备方法，其特征在于：所述非非晶合金材料包括耐热塑料、黑色金属、铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金、铍及铍合金、锌及锌合金、金属钙、水溶性陶瓷中的一种或者多种或者以上述材料为原料的复合材料。
5.如权利要求2所述非晶合金USB接口的制备方法，其特征在于：所述USB接口成型后还包括后处理工序，所述后处理工序包括利用普通切刀切割、电热切刀切割、砂轮加工、钻头加工、喷砂、喷丸、CNC数控加工中一种或多种的机械加工方式；还包括利用酸性溶液、碱性溶液、循环水流、冲击水流、络合剂溶液进行溶解的加工方式；还包括将机械加工与溶解加工方式共同进行使用的加工方式。
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