專利名稱：一種采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，更特別地說，是指一種采用銅模澆鑄制備鋯基非晶態(tài)合金棒材，然后采用熨壓工藝對(duì)所述鋯基非晶態(tài)合金棒材進(jìn)行表面處理，降低粗糙度，從而制得耐腐蝕的鋯基非晶態(tài)合金的方法。
背景技術(shù)：
表面工程，是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過表面涂覆，表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)工程。
各種表面技術(shù)是表面工程的技術(shù)基礎(chǔ)，常用的表面技術(shù)有堆焊技術(shù)、熔結(jié)技術(shù) (低真空熔結(jié)、激光熔敷等)、電鍍、電刷鍍及化學(xué)鍍技術(shù)、非金屬鍍技術(shù)、熱噴涂技術(shù)(火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速噴涂、低壓等離子噴涂等)、塑料噴涂技術(shù)、 粘涂技術(shù)、涂裝技術(shù)、物理與化學(xué)氣相沉積(真空蒸鍍、離子濺射、離子鍍等)、化學(xué)熱處理、 激光相變硬化、激光非晶化、激光合金化、電子束技術(shù)相變硬化、離子注入等。表面工程是表面技術(shù)在產(chǎn)品制造或修理中的綜合應(yīng)用。
傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)偏重于從結(jié)構(gòu)上，從零件的剛度、強(qiáng)度及抗疲勞性能上進(jìn)行設(shè)計(jì)， 較少重視零件表面性能的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的機(jī)械制造重在零件的成形加工和零件整體性能的處理，較少考慮表面的處理。傳統(tǒng)的選材用材原則重視零件整體材質(zhì)的選擇，較少將基材(母材)的選用與表面材質(zhì)的選用統(tǒng)籌考慮。
通過把合金從氣態(tài)或液態(tài)快速凝固的方法制備的非晶態(tài)合金，不具有長程原子有序，而具有特殊的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，從而使非晶態(tài)合金具有晶態(tài)合金所無法比擬的機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高彈性、高的耐蝕、耐磨性，在航天、航空領(lǐng)域及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。鋯(Zr)基非晶態(tài)合金以其高非晶形成能力、優(yōu)良的性能已成功地用于制備高爾夫球桿頭、網(wǎng)球拍和航天用太陽風(fēng)收集器及其它一些產(chǎn)品。
采用銅模澆鑄法制備的鋯(Zr)基非晶態(tài)合金雖然具有較好的強(qiáng)度和硬度，但是由于快速冷卻方法制備的構(gòu)件表面質(zhì)量有限，構(gòu)件抗腐蝕性能不能滿足實(shí)際需要。尤其是在生物醫(yī)用應(yīng)用中，構(gòu)件需要適應(yīng)各種生物酸堿環(huán)境，其抗腐蝕性能十分重要。
熨壓加工是一種簡單經(jīng)濟(jì)的無屑光整表面處理技術(shù)。該加工過程中，利用硬質(zhì)材料制成熨壓工具，在工件的加工表面上滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)擠壓，使工件表面產(chǎn)生彈塑性變形，從而達(dá)到較高表面粗糙度要求，并能夠在工件表面引入殘余壓應(yīng)力，并使表面組織得到細(xì)化及致密化。該加工技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容
因此，為了解決銅模澆鑄法制備的鋯基非晶態(tài)合金構(gòu)件表面粗糙度及抗腐蝕性能有限等問題，本發(fā)明提出了一種采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法。該方法是在經(jīng)銅模澆鑄制得的鋯基非晶態(tài)合金棒材上采用熨壓工藝對(duì)所述鋯基非晶態(tài)合金棒材進(jìn)行表面處理，降低粗糙度，從而制得耐腐蝕的鋯基非晶態(tài)合金。
本發(fā)明的一種采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，包括有下列制備步驟
步驟一按所制得的鋯基非晶態(tài)合金化學(xué)成分配比進(jìn)行配料；
步驟二 熔煉制母合金
將步驟一制得的所述配料放入真空冶煉爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流20A，熔煉溫度1000°C ；
熔煉時(shí)間5 IOmin后隨爐冷卻后取出母合金；
步驟三銅模澆鑄棒材
將步驟二制得的所述母合金放入快速凝固裝置的感應(yīng)爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流2k,感應(yīng)溫度850°C ；
熔煉時(shí)間2 5min后噴入銅模中，隨銅模冷卻后制得鋯基非晶態(tài)合金棒材；
步驟四熨壓表面處理
將步驟三制得的所述鋯基非晶態(tài)合金棒材安裝于數(shù)控機(jī)床的機(jī)床夾具上；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭與所述鋯基非晶態(tài)合金棒材接觸；熨壓加工面先加工鋯基非晶態(tài)合金棒材的圓柱弧面，后加工鋯基非晶態(tài)合金棒材的的兩個(gè)端面；
調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速ν為1000 3000r/min，進(jìn)給量f為5 20 μ m/r ；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭在進(jìn)給方向上的熨壓深度、為5 30 μ m ；
調(diào)節(jié)熨壓過程中的彈性熨壓力F為5 15N ；
調(diào)節(jié)加工時(shí)彈性成型控制系統(tǒng)中彈簧剛度0. 3 lN/mm，預(yù)壓力20 60N。
本發(fā)明制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金方法的優(yōu)點(diǎn)在于
①本發(fā)明可以獲得表面質(zhì)量更加優(yōu)異的鋯基非晶態(tài)合金構(gòu)件，在保持構(gòu)件表面非晶態(tài)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)，大幅提高了構(gòu)件的抗腐蝕性能。
②本發(fā)明所使用的設(shè)備簡單，易于操作，成本低，效率高，可以有效的應(yīng)用到鋯基非晶態(tài)合金構(gòu)件的工業(yè)制備中。
③本發(fā)明中所采用的表面熨壓技術(shù)可以通過改變熨壓加工參數(shù)控制表面變形程度，從而控制表面質(zhì)量，達(dá)到最好的構(gòu)件表面處理效果。


圖1是非晶棒材圓弧表面熨壓加工的示意圖。
圖IA是非晶棒材端面表面熨壓加工的示意圖。
圖2是本發(fā)明經(jīng)銅模澆鑄制得的棒材表面粗糙度的原子力顯微圖。
圖3是本發(fā)明經(jīng)銅模澆鑄與熨壓加工組合后制得試樣表面粗糙度的原子力顯微圖。
圖4是本發(fā)明經(jīng)銅模澆鑄與熨壓加工組合后制得試樣的抗腐蝕性能阻抗譜圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1、圖IA所示，在本發(fā)明中，應(yīng)用了數(shù)控機(jī)床和熨壓加工設(shè)備的組合。首先將被熨壓試樣(即鋯基非晶態(tài)合金棒材)安裝在數(shù)控機(jī)床的機(jī)床夾具上；然后將熨壓加工設(shè)備的熨壓壓頭與被熨壓試樣接觸；然后通過調(diào)節(jié)彈簧來控制彈性預(yù)壓力P。熨壓加工是利用熨壓壓頭在數(shù)控機(jī)床上對(duì)被熨壓試樣表面進(jìn)行熨壓加工，被熨壓試樣裝卡在機(jī)床夾具上，且沿其軸線(即χ軸)以一定轉(zhuǎn)速ν進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于被熨壓試樣的圓弧表面，熨壓壓頭平行于y軸方向，且接觸圓弧表面，并通過在熨壓深度方向(y軸)上提供的熨壓深度 、沿被熨壓試樣軸向方向(χ軸)以一定的進(jìn)給量f前進(jìn)；對(duì)于被熨壓試樣的端面表面，熨壓壓頭平行于χ軸方向，并通過在熨壓深度方向(χ軸)上提供的熨壓深度Bp、沿被熨壓試樣端面表面方向平行于y軸以一定的進(jìn)給量f前進(jìn)；通過調(diào)節(jié)彈性預(yù)壓力P、轉(zhuǎn)速ν、熨壓深度 和進(jìn)給量f能夠使熨壓加工設(shè)備提供適當(dāng)?shù)撵賶毫。所述熨壓力F由熨壓力測(cè)試裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和反饋，以達(dá)到控制表面成型力的作用。熨壓壓頭選用人造聚晶金剛石等超硬材料制作。
本發(fā)明的一種采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，包括有下列制備步驟
步驟一按所制得的鋯基非晶態(tài)合金化學(xué)成分配比進(jìn)行配料；
步驟二 熔煉制母合金
將步驟一制得的所述配料放入真空冶煉爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流20A，熔煉溫度1000°C ；
熔煉時(shí)間5 IOmin后隨爐冷卻后取出母合金；
步驟三銅模澆鑄棒材
將步驟二制得的所述母合金放入快速凝固裝置的感應(yīng)爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流2k,感應(yīng)溫度850°C ；
熔煉時(shí)間2 5min后噴入銅模(分別選擇內(nèi)部凹槽直徑為2 20mm的模具)中， 隨銅模冷卻后制得鋯基非晶態(tài)合金棒材；
步驟四熨壓表面處理
將步驟三制得的所述鋯基非晶態(tài)合金棒材安裝于數(shù)控機(jī)床的機(jī)床夾具上；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭(熨壓壓頭端部半徑為1. 5 2. 5mm)與所述鋯基非晶態(tài)合金棒材接觸；熨壓加工面先加工鋯基非晶態(tài)合金棒材的圓柱弧面，后加工鋯基非晶態(tài)合金棒材的的兩個(gè)端面；
調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速ν為1000 3000r/min，進(jìn)給量f為5 20 μ m/r ；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭在進(jìn)給方向上的熨壓深度、為5 30 μ m ；
調(diào)節(jié)熨壓過程中的彈性熨壓力F為5 15N ；
調(diào)節(jié)加工時(shí)彈性成型控制系統(tǒng)中彈簧剛度0. 3 lN/mm，預(yù)壓力20 60N。
實(shí)施例1制備^47AlltlCu4tlY3非晶合金棒材
步驟一按^47AlltlCu4tlY3非晶合金化學(xué)成分配比進(jìn)行配料；
步驟二熔煉制 Zi~47A11(1CU4(1Y3 母合金
將步驟一制得的所述配料放入真空冶煉爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流20A，熔煉溫度1000°C ；
熔煉時(shí)間5 IOmin后隨爐冷卻后取出母合金；
步驟三銅模澆鑄棒材
將步驟二制得的所述母合金放入快速凝固裝置的感應(yīng)爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流2k,感應(yīng)溫度850°C ；
熔煉時(shí)間2 5min后噴入銅模(分別選擇內(nèi)部凹槽直徑為5mm的模具)中，隨銅模冷卻后制得^47AlltlCu4tlY3非晶合金棒材；
對(duì)所制得^47AlltlCu4tlY3非晶合金棒材表面進(jìn)行原子力顯微鏡觀察表面粗糙度，結(jié)果如圖2所示，圖中，表面粗糙度為75. lnm。
步驟四熨壓表面處理
將步驟三制得的^47AlltlCu4tlY3非晶合金棒材安裝于數(shù)控機(jī)床的機(jī)床夾具上；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭(熨壓壓頭端部半徑為1. 5 2. 5mm)與所述鋯基非晶態(tài)合金棒材接觸；熨壓加工面先加工&47A11(1Cu4(1Y3#晶態(tài)合金棒材的圓柱弧面，后加工Zr47AlltlCu4ciYd^ 晶態(tài)合金棒材的的兩個(gè)端面；
調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速ν為lOOOr/min，進(jìn)給量f為10 μ m/r ；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭(熨壓壓頭端部半徑為1. 5mm)壓入^47AlltlCu4tlY3非晶合金棒材的熨壓深度、為10 μ m ；
調(diào)節(jié)熨壓過程中的彈性熨壓力F為ION ；
調(diào)節(jié)加工時(shí)彈性成型控制系統(tǒng)中彈簧剛度0. 65N/mm,預(yù)壓力35N ；
經(jīng)實(shí)施例1制得^47AlltlCu4ciY3合金構(gòu)件表面進(jìn)行原子力顯微鏡觀察表面粗糙度， 結(jié)果如圖3所示，圖中，表面粗糙度為23. Onm0結(jié)果顯示其表面粗糙度較傳統(tǒng)快速冷卻方法制得的合金表面有較大提高。
經(jīng)實(shí)施例1制得的^47AlltlCu4tlY3合金構(gòu)件表面進(jìn)行抗腐蝕性能測(cè)試分析(CHI660B 電化學(xué)工作站，0. Imol氯化鈉溶液，傳統(tǒng)的三電極，包括飽和甘汞電極，石墨對(duì)電極和工作電極，即試樣)，并對(duì)比傳統(tǒng)快速冷卻方法制得的構(gòu)件測(cè)試分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4 所示。從圖4開路阻抗譜的結(jié)果看出，本發(fā)明所制得的構(gòu)件在氯化鈉溶液中的阻抗譜是傳統(tǒng)方法制得的構(gòu)件的五倍到十倍。
實(shí)施例2制備(Zr55AlltlNi5Cu3tl)^Y1非晶合金棒材
步驟一按(Zr55Al10Ni5Cu30) 99Y1非晶合金化學(xué)成分配比進(jìn)行配料；
步驟二 熔煉制母合金
將步驟一制得的所述配料放入真空冶煉爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流20A，熔煉溫度1000°C ；
熔煉時(shí)間5 IOmin后隨爐冷卻后取出母合金；
步驟三銅模澆鑄棒材
將步驟二制得的所述母合金放入快速凝固裝置的感應(yīng)爐中；
調(diào)節(jié)抽真空度至5 X 10 ,然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；
調(diào)節(jié)電流2k,感應(yīng)溫度850°C ；
熔煉時(shí)間2 5min后噴入銅模(分別選擇內(nèi)部凹槽直徑為5mm的模具)中，隨銅模冷卻后制得Gr55AlltlNi5CuJ99Y1非晶合金棒材；
步驟四熨壓表面處理
將步驟三制得的(Zr55AliciNi5Cu3ci)99Y1非晶合金棒材安裝于數(shù)控機(jī)床的機(jī)床夾具上；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭與所述鋯基非晶態(tài)合金棒材接觸；熨壓加工面先加工 (Zr55AlltlNi5Cu3ci)99Yd^晶態(tài)合金棒材的圓柱弧面，后加工(Zr55AlltlNi5Cu3tl)^Y1非晶態(tài)合金棒材的的兩個(gè)端面；
調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速ν為1500r/min，進(jìn)給量f為8 μ m/r ；
調(diào)節(jié)熨壓壓頭(熨壓壓頭端部半徑為1. 5mm)壓入所述(Zr55AliciNi5Cu3ci)99Y1非晶合金棒材的熨壓深度 為20 μ m ；
調(diào)節(jié)熨壓過程中的彈性熨壓力F為15N ；
調(diào)節(jié)加工時(shí)彈性成型控制系統(tǒng)中彈簧剛度0. 65N/mm,預(yù)壓力30N ；
經(jīng)實(shí)施例2制得的(Zr55AlltlNi5Cu3tl) ^Y1合金構(gòu)件表面進(jìn)行原子力顯微鏡觀察表面粗糙度，結(jié)果顯示其表面粗糙度較傳統(tǒng)快速冷卻方法制得的合金表面有較大提高。
經(jīng)實(shí)施例2制得的(Zr55AliciNi5Cu3ci)99Y1合金構(gòu)件表面進(jìn)行抗腐蝕性能測(cè)試分析 (CHI660B電化學(xué)工作站，0. Imol氯化鈉溶液，傳統(tǒng)的三電極，包括飽和甘汞電極，石墨對(duì)電極和工作電極，即試樣)，并對(duì)比傳統(tǒng)快速冷卻方法制得的構(gòu)件測(cè)試分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，本發(fā)明所制得的構(gòu)件在氯化鈉溶液中的阻抗譜是傳統(tǒng)方法制得的構(gòu)件的五倍到十倍。
權(quán)利要求
1.一種采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，其特征在于包括有下列制備步驟步驟一按所制得的鋯基非晶態(tài)合金化學(xué)成分配比進(jìn)行配料； 步驟二 熔煉制母合金將步驟一制得的所述配料放入真空冶煉爐中；調(diào)節(jié)抽真空度至5X 10_3Pa，然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體；調(diào)節(jié)電流20A，熔煉溫度1000°C ；熔煉時(shí)間5 IOmin后隨爐冷卻后取出母合金；步驟三銅模澆鑄棒材將步驟二制得的所述母合金放入快速凝固裝置的感應(yīng)爐中； 調(diào)節(jié)抽真空度至5X 10_3Pa，然后沖入0. 05MPa氬氣保護(hù)氣體； 調(diào)節(jié)電流2k,感應(yīng)溫度850°C ；熔煉時(shí)間2 5min后噴入銅模中，隨銅模冷卻后制得鋯基非晶態(tài)合金棒材； 步驟四熨壓表面處理將步驟三制得的所述鋯基非晶態(tài)合金棒材安裝于數(shù)控機(jī)床的機(jī)床夾具上； 調(diào)節(jié)熨壓壓頭與所述鋯基非晶態(tài)合金棒材接觸；熨壓加工面先加工鋯基非晶態(tài)合金棒材的圓柱弧面，后加工鋯基非晶態(tài)合金棒材的的兩個(gè)端面；調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速ν為1000 3000r/min，進(jìn)給量f為5 20 μ m/r ； 調(diào)節(jié)熨壓壓頭在進(jìn)給方向上的熨壓深度 為5 30 μ m ； 調(diào)節(jié)熨壓過程中的彈性熨壓力F為5 15N ；調(diào)節(jié)加工時(shí)彈性成型控制系統(tǒng)中彈簧剛度0. 3 lN/mm，預(yù)壓力20 60N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，其特征在于熨壓壓頭端部的半徑為1. 5 2. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，其特征在于熨壓壓頭選用人造聚晶金剛石制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用銅模澆鑄與熨壓組合制備耐腐蝕鋯基非晶態(tài)合金的方法，該方法是在經(jīng)銅模澆鑄制得的鋯基非晶態(tài)合金棒材上采用熨壓工藝對(duì)所述鋯基非晶態(tài)合金棒材進(jìn)行表面處理，降低粗糙度，從而制得耐腐蝕的鋯基非晶態(tài)合金。
文檔編號(hào)C22C1/00GK102517525SQ201110460528
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者張崢, 張濤, 逄淑杰, 韓志遠(yuǎn), 駱紅云 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)