CN102345082B - 一种非晶合金压铸件及其热处理方法 - Google Patents

一种非晶合金压铸件及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种非晶合金压铸件的热处理方法，对非晶合金压铸件进行时效处理，时效处理的温度为0.5Tg‑0.6Tg，时间为10min‑24h；并且，还涉及一种非晶合金压铸件，采用上述的热处理方法进行热处理，其为锆基非晶合金压铸件，如下通式所示：(Zr1‑xTix)a(Cu1‑y Niy)bAlcMd，式中，M为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，38≤a≤65，0≤x≤0.35，0≤y≤0.75，20≤b≤40，0≤c≤15，0≤d≤30，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。本发明的非晶合金压铸件的热处理方法处理后的非晶合金压铸件的综合性能有所提高，同时性能的波动性降低。

Description

一种非晶合金压铸件及其热处理方法
技术领域
本发明涉及非晶合金的制造领域，具体来说，涉及一种非晶合金压铸件及其热处理方法。
背景技术
对非晶合金的大量研究证实，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，例如：良好的耐腐蚀性、耐磨性、磁性能和电性能，在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景。
在现有技术中，大块非晶合金即金属玻璃的形成通常是将熔融的金属合金以较快的冷却速度冷却到玻璃转化温度以下，在快冷过程中抑制了晶核的形成和长大，直接凝固形成一种结构上为长程无序的非晶态合金。通常我们将毫米尺寸的非晶合金定义成大块非晶合金。目前，大块非晶合金主要还处在实验室研究阶段，例如：电弧炉熔炼吸铸法，溶剂包敷法，水淬法等，利用高纯度的原料、高真空度、急速冷却等苛刻环境得到较好性能的大块非晶，成本高、效率低，不利于在工业上推广应用。
因而，一些大企业和科研院所将目光投向在常规条件下能大规模生产的非晶制备工艺，非晶压铸是其中最有前景的一个方向。然而，现有的制备方法和条件下所制备的大块非晶合金压铸件往往性能波动大，严重制约非晶合金压铸件的应用推广。
中国发明专利申请(公开号为CN101550521A)公开了一种稀土基块体非晶合金及其复合材料，该复合材料是在该块体非晶基础上通过热处理而得；所述热处理过程是将非晶合金放入退火炉中，在真空为10-3Pa下，在样品的过冷温度区间内等温退火，所述的退火温度为325-650℃；采用这种热处理方法所制备的复合材料具有良好的热稳定性、较高的电阻，优良的软磁性能及过冷液相区优越的加工处理能力，然而，这种热处理利用相对高的退火温度(在过冷液相区，高于玻璃化转变温度Tg)，会使得非晶合金部分晶化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术中，大块非晶合金的制备工艺复杂，而采用压铸成型大块非晶合金压铸件，其性能波动大的缺点。
本发明提供了一种非晶合金压铸件的热处理方法，将非晶合金压铸件进行时效处理，时效处理的温度为0.5Tg-0.6Tg，时间为10min-24h。
优选地，所述非晶合金压铸件采用真空、低速的压铸方式成型，压强为50-200Pa，压铸速率为3-5m/s；非晶合金压铸件的厚度为0.5mm-2mm。
优选地，所述时效处理在0.1-0.5MPa的正压环境下进行。
优选地，所述非晶合金压铸件的厚度为1.0-1.5mm，时效处理的温度为0.53～0.57Tg，时间为30～60min。
优选地，所述非晶合金压铸件为锆基非晶合金压铸件，其组成如下通式所示：(Zr1-xTix)a(Cu1-y Niy)bAlcMd，其中，M为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，38≤a≤65，0≤x≤0.35，0≤y≤0.75，20≤b≤40，0≤c≤15，0≤d≤30，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。
本发明还提供了一种非晶合金压铸件，所述非晶合金压铸件为锆基非晶合金压铸件，采用如上所述的热处理方法进行热处理。
其中，所述锆基非晶合金压铸件的组成为(Zr1-xTix)a(Cu1-y Niy)bAlcMd，式中，M为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，38≤a≤65，0≤x≤0.45，0≤y≤0.75，20≤b≤40，0≤c≤15，0≤d≤30，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。
优选地，所述锆基非晶合金压铸件的组成为：Zr55Al15Cu25Ni50、Zr41Ti14Cu15Ni10Be20。
优选地，所述非晶合金压铸件的厚度为0.5mm-2mm。
本发明提供的非晶合金压铸件的热处理方法处理后的非晶合金压铸件的抗弯强度有所提高，同时性能的波动性有所降低。
附图说明
图1为本发明实施例1的非晶合金压铸件样品A11、B11、C11的XRD衍射图谱；
图2为本发明实施例1的非晶合金压铸件样品A11、B11、C11的DSC曲线图。
具体实施方式
本领域的技术人员应该知道，合金压铸件通常不做热处理，因为常规的铝、锌、镁合金压铸件在高压、高速的压铸成型过程中，不可避免地会将型腔中的空气夹裹在铸件内部，形成皮下气孔，稍加热处理，合金压铸件表面就会冒泡变形，影响压铸件的性能和表观质量。
但是，与常规的铝、锌、镁合金压铸件不同的是，非晶合金存在一个温度较低的过冷液相区，本发明的发明人结合非晶合金的这个特点，通过对非晶合金压铸件的大量试验证实：在压铸过程中采用真空(压强为50-200Pa)、低速(压铸速率为3-5m/s)的压铸方式成型，能够使非晶合金压铸件中卷入的气体比常规铝锌镁合金要少得多；同时，压铸后在大气或正压环境中(压强为0.1-0.5MPa，在中高压的范围内)对非晶合金压铸件进行低温热处理，就可以有效避免常规合金压铸件热处理时冒泡变形的风险。
根据上述研究发现，发明人提出了一种非晶合金压铸件的热处理方法：
步骤1、采用真空、低速的压铸方式成型非晶合金压铸件，真空压强为50-200Pa，压铸速率为3-5m/s；所得非晶合金压铸件的厚度为0.5mm-2mm，其中，大部分非晶合金压铸件的厚度集中在1.0mm-1.5mm。
步骤2、对上述非晶合金压铸件进行时效处理，时效处理的温度为0.5Tg-0.6Tg，时间为10min-24h；在本步骤中，Tg为玻璃化转化温度K，针对具体的非晶合金压铸件通过DSC进行测试可得到具体的数值，Tg的测试可通过现有技术实现；时效处理可以在大气或者正压环境下进行，优选在0.1-0.5MPa的正压环境下进行时效处理，有利于抑制了压铸件中的气体向表面扩散；对于厚度为1.0mm-1.5mm的非晶合金压铸件，优选时效温度为0.53Tg-0.57Tg，优选时效时间为30～60min，随着非晶合金压铸件厚度的减少或增加，时效温度可以适度降低或升高，热处理时间也可以适度缩短或延长，但是需要保证时效处理的温度在0.5Tg-0.6Tg的范围内。
本发明的热处理方法处理后的压铸件没有晶化，也没有出现表面冒泡现象，并且在性能方面有所提高，性能稳定性增强，其原因在于：1、由于非晶合金压铸件在成型后的冷却过程中，各部位的冷却速度不一样，导致局部的薄弱区或应力集中点，而通过本发明的低温时效处理(温度0.5Tg-0.6Tg)能够缓解或释放集中的应力，从而避免非晶合金在达到屈服点前就发生断裂，材料性能提高，稳定性增加；2、非晶合金在真空(压强为50-200Pa)、低速(压铸速率为3-5m/s)下压铸成型，由于非晶合金具有粘度大的特点，压铸件中卷入的气体比常规的合金压铸件少，在后续的时效处理时，由于是在0.1-0.5MPa的中高压环境下进行时效处理，有一定的正压抑制了压铸件中的气体向表面扩散；3、非晶合金快速凝固成型时，微观组织处于高度无序的不稳定状态，低温时效处理(玻璃转变温度Tg以下时效属于低温时效，本发明的时效温度为0.5Tg-0.6Tg)提供的能量不足以使无序状态越过晶化势垒产生晶化，却能促使高能无序状态组织越过亚稳态势垒进入短程有序状态，例如：形成五次对称，二十次对称等准晶，该类短程有序状态不能直接长大形成晶体，需要重新融化成无序状态后才能结晶，但是却能使材料的稳定性增强，性能波动性降低。如图2显示，时效处理后的压铸件的晶化峰面积增加(晶化峰的面积越大表示该样品晶化后放出的热量越多，晶体结构越稳定)，材料稳定性增加。
下面采用实施例对本发明进行进一步详细地描述。
下述实施例1、2的时效处理分别采用典型的两种锆基非晶合金组分，组成为Zr55Al15Cu25Ni50、Zr41Ti14Cu15Ni10Be20，是典型的具有优异非晶形成能力、优异力学性能和具有宽广过冷液相区的块体锆基非晶合金体系，以用于说明本发明的时效处理对于锆基非晶合金的作用。
实施例1
将高纯度的Zr、Al、Cu、Ni(纯度大于99.0wt％)按化学计量配比进行电弧熔炼，然后在Ar气氛下用铜模压铸，压铸的条件为：压强150Pa，压铸速率为3m/s；得到非晶合金压铸件样品15件，尺寸为80*6*1.5mm，标记为A1-A15，其组成为Zr55Al15Cu25Ni50；通过DSC测试得到该合金的Tg温度为704K，将该15件的非晶合金压铸件样品A1-A15分为三份。
其中，第一份非晶合金压铸件样品A1-A5，不做时效处理。
第二份非晶合金压铸件样品A6-A10在0.2MPa的中高压环境中进行时效处理，时效温度为0.53Tg(373K)，时效时间为1小时，得到非晶合金压铸件样品B1-B5。
第三份非晶合金压铸件样品A11-A15在0.2MPa的中高压环境中进行时效处理，时效温度为0.81Tg(573K)，时效时间为1小时，得到非晶合金压铸件样品C1-C5。
性能测试
1)、按照GB/T14452-93的方法，利用CMT5105电子万能试验机，对上述三份非晶合金压铸件样品A1-A5、B1-B5、C1-C5分别进行三点弯曲断裂强度性能测试，测得抗弯强度，计算出平均值和方差，列于表1中。
2)、XRD分析：分别将非晶合金压铸件样品A1、B1、C1在型号为D-MAX2200PC的X射线粉末衍射仪上进行XRD粉末衍射分析，以判定合金是否为非晶合金。X射线粉末衍射的条件包括以铜靶辐射，入射波长加速电压为40千伏，电流为20毫安，采用步进扫描，扫描步长为0.04°，结果如图1所示的XRD衍射图谱，从图1中可以看出，A1、B1具有非晶结构，而C1为晶体结构，有尖锐的衍射峰。
3)DSC测试：DSC测试的设备选用差热及热重分析仪STA409，坩埚选择为Al2O3(纯度：99％)，分别对非晶合金压铸件样品A1、B1、C1进行测试，结果如图2所示的DSC曲线图，从图2中可以看出，经过0.53Tg时效处理后的非晶合金压铸件样品B1的晶化峰面积增加，材料稳定性增加。
表1
第一份样品 抗弯强度(MPa) 第二份 抗弯强度(MPa) 第三份 抗弯强度(MPa)
A1 1978.15 B1 2695.73 C1 965.02
A2 1645.26 B2 2681.6 C2 644.58
A3 1768.73 B3 2282.61 C3 1248.12
A4 1471.5 B4 2362.84 C4 683.6
A5 2280.92 B5 2482.1 C5 621.37
平均值 1828.912 平均值 2500.976 平均值 832.538
方差 333.7656 方差 150.1512 方差 219.2256
实施例2
将高纯度的Zr、Ti、Cu、Ni及Be(纯度大于99.0wt％)按化学计量配比进行电弧熔炼，然后在Ar气氛下用铜模压铸，压铸的条件为：压强120Pa，压铸速率为4m/s；得到非晶合金压铸件样品15件，尺寸80*18*1mm，标记为D1-D15，其组成为Zr0.41Ti0.14Cu0.15Ni0.10Be0.20，通过DSC测试得到该合金Tg温度为662K，将该15件非晶合金压铸件样品D1-D15分为三份。
其中，第一份非晶合金压铸件样品D1-D5，不做时效处理。
第二份非晶合金压铸件样品D6-D10在0.1MPa的大气环境中进行时效处理，时效温度为0.57Tg(377K)，时效时间为0.5小时，得到非晶合金压铸件E1-E5。
第三份非晶合金压铸件样品D11-D15在0.1MPa的大气环境中进行时效处理，时效温度为0.47Tg(311K)，时效时间为0.5小时，得到非晶合金压铸件F1-F5。
性能测试：
利用CMT5105电子万能试验机，对上述三份非晶合金压铸件样品D1-D15、E1-E5、F1-F5分别进行三点弯曲断裂强度性能测试，测得抗弯强度，计算出平均值和方差，列于表2中。
表2
试验结论：从表1中可以看出，经过0.53Tg时效处理的非晶合金压铸件样品B1-B5，相较于未经过时效处理的非晶合金压铸件样品A1-A5，以及经过0.81Tg时效处理的非晶合金压铸件样品B1-B5具有更高的抗弯强度和性能稳定性；从表2中可以看出，经过0.57Tg时效处理的非晶合金压铸件样品E1-E5，相较于未经过时效处理的非晶合金压铸件样品D1-D5，以及经过0.47Tg时效处理的非晶合金压铸件样品F1-F5具有更高的抗弯强度和性能稳定性。由上可知，采用本发明的热处理方法得到的非晶合金压铸件具有较高的抗弯强度和性能稳定性。

Claims (6)

1.一种非晶合金压铸件的热处理方法，其特征在于，对非晶合金压铸件进行时效处理，时效处理的温度为0.5Tg-0.6Tg，时间为10min-24h，
其中，所述时效处理在0.1-0.5MPa的正压环境下进行，
其中，所述非晶合金压铸件为锆基非晶合金压铸件，其组成如下通式所示：
(Zr1-xTix)a(Cu1-yNiy)bAlcMd，其中，M为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，38≤a≤65，0≤x≤0.35，0≤y≤0.75，20≤b≤40，0≤c≤15，0≤d≤30，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。
2.根据权利要求1所述的非晶合金压铸件的热处理方法，其特征在于，所述非晶合金压铸件采用真空、低速的压铸方式成型，压强为50-200Pa，压铸速率为3-5m/s；非晶合金压铸件的厚度为0.5mm-2mm。
3.根据权利要求1或2所述的非晶合金压铸件的热处理方法，其特征在于，所述非晶合金压铸件的厚度为1.0-1.5mm，时效处理的温度为0.53～0.57Tg，时间为30～60min。
4.一种非晶合金压铸件，其特征在于，所述非晶合金压铸件为锆基非晶合金压铸件，采用如权利要求1-3任意一项所述的热处理方法进行热处理，
所述锆基非晶合金压铸件的组成为(Zr1-xTix)a(Cu1-yNiy)bAlcMd，式中，M为Be、Y、Sc、La中的一种或几种，38≤a≤65，0≤x≤0.45，0≤y≤0.75，20≤b≤40，0≤c≤15，0≤d≤30，且a+b+c+d＝100，a、b、c、d为摩尔百分数。
5.根据权利要求4所述的非晶合金压铸件，其特征在于，所述锆基非晶合金压铸件的组成为：Zr55Al15Cu25Ni50、Zr41Ti14Cu15Ni10Be20。
6.根据权利要求4所述的非晶合金压铸件，其特征在于，所述非晶合金压铸件的厚度为0.5mm-2mm。
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