CN102517525A - 一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，该方法是在经铜模浇铸制得的锆基非晶态合金棒材上采用熨压工艺对所述锆基非晶态合金棒材进行表面处理，降低粗糙度，从而制得耐腐蚀的锆基非晶态合金。

Description

一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法

技术领域

本发明涉及一种制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，更特别地说，是指一种采用铜模浇铸制备锆基非晶态合金棒材，然后采用熨压工艺对所述锆基非晶态合金棒材进行表面处理，降低粗糙度，从而制得耐腐蚀的锆基非晶态合金的方法。

背景技术

表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆，表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程。

各种表面技术是表面工程的技术基础，常用的表面技术有：堆焊技术、熔结技术(低真空熔结、激光熔敷等)、电镀、电刷镀及化学镀技术、非金属镀技术、热喷涂技术(火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、低压等离子喷涂等)、塑料喷涂技术、粘涂技术、涂装技术、物理与化学气相沉积(真空蒸镀、离子溅射、离子镀等)、化学热处理、激光相变硬化、激光非晶化、激光合金化、电子束技术相变硬化、离子注入等。表面工程是表面技术在产品制造或修理中的综合应用。

传统的机械设计偏重于从结构上，从零件的刚度、强度及抗疲劳性能上进行设计，较少重视零件表面性能的设计。传统的机械制造重在零件的成形加工和零件整体性能的处理，较少考虑表面的处理。传统的选材用材原则重视零件整体材质的选择，较少将基材(母材)的选用与表面材质的选用统筹考虑。

通过把合金从气态或液态快速凝固的方法制备的非晶态合金，不具有长程原子有序，而具有特殊的非晶态结构，从而使非晶态合金具有晶态合金所无法比拟的机械性能，如高强度、高硬度、高弹性、高的耐蚀、耐磨性，在航天、航空领域及生物医学领域具有巨大的潜在应用前景。锆(Zr)基非晶态合金以其高非晶形成能力、优良的性能已成功地用于制备高尔夫球杆头、网球拍和航天用太阳风收集器及其它一些产品。

采用铜模浇铸法制备的锆(Zr)基非晶态合金虽然具有较好的强度和硬度，但是由于快速冷却方法制备的构件表面质量有限，构件抗腐蚀性能不能满足实际需要。尤其是在生物医用应用中，构件需要适应各种生物酸碱环境，其抗腐蚀性能十分重要。

熨压加工是一种简单经济的无屑光整表面处理技术。该加工过程中，利用硬质材料制成熨压工具，在工件的加工表面上滑动或旋转挤压，使工件表面产生弹塑性变形，从而达到较高表面粗糙度要求，并能够在工件表面引入残余压应力，并使表面组织得到细化及致密化。该加工技术具有广泛的应用前景。

发明内容

因此，为了解决铜模浇铸法制备的锆基非晶态合金构件表面粗糙度及抗腐蚀性能有限等问题，本发明提出了一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法。该方法是在经铜模浇铸制得的锆基非晶态合金棒材上采用熨压工艺对所述锆基非晶态合金棒材进行表面处理，降低粗糙度，从而制得耐腐蚀的锆基非晶态合金。

本发明的一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，包括有下列制备步骤：

步骤一：按所制得的锆基非晶态合金化学成分配比进行配料；

步骤二：熔炼制母合金

将步骤一制得的所述配料放入真空冶炼炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流20A，熔炼温度1000℃；

熔炼时间5～10min后随炉冷却后取出母合金；

步骤三：铜模浇铸棒材

将步骤二制得的所述母合金放入快速凝固装置的感应炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流2A，感应温度850℃；

熔炼时间2～5min后喷入铜模中，随铜模冷却后制得锆基非晶态合金棒材；

步骤四：熨压表面处理

将步骤三制得的所述锆基非晶态合金棒材安装于数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头与所述锆基非晶态合金棒材接触；熨压加工面先加工锆基非晶态合金棒材的圆柱弧面，后加工锆基非晶态合金棒材的的两个端面；

调节数控机床的主轴转速v为1000～3000r/min，进给量f为5～20μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为5～30μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为5～15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.3～1N/mm，预压力20～60N。

本发明制备耐腐蚀锆基非晶态合金方法的优点在于：

①本发明可以获得表面质量更加优异的锆基非晶态合金构件，在保持构件表面非晶态结构以及优异力学性能的同时，大幅提高了构件的抗腐蚀性能。

②本发明所使用的设备简单，易于操作，成本低，效率高，可以有效的应用到锆基非晶态合金构件的工业制备中。

③本发明中所采用的表面熨压技术可以通过改变熨压加工参数控制表面变形程度，从而控制表面质量，达到最好的构件表面处理效果。

附图说明

图1是非晶棒材圆弧表面熨压加工的示意图。

图1A是非晶棒材端面表面熨压加工的示意图。

图2是本发明经铜模浇铸制得的棒材表面粗糙度的原子力显微图。

图3是本发明经铜模浇铸与熨压加工组合后制得试样表面粗糙度的原子力显微图。

图4是本发明经铜模浇铸与熨压加工组合后制得试样的抗腐蚀性能阻抗谱图。

具体实施方式

参见图1、图1A所示，在本发明中，应用了数控机床和熨压加工设备的组合。首先将被熨压试样(即锆基非晶态合金棒材)安装在数控机床的机床夹具上；然后将熨压加工设备的熨压压头与被熨压试样接触；然后通过调节弹簧来控制弹性预压力P。熨压加工是利用熨压压头在数控机床上对被熨压试样表面进行熨压加工，被熨压试样装卡在机床夹具上，且沿其轴线(即x轴)以一定转速v进行转动。对于被熨压试样的圆弧表面，熨压压头平行于y轴方向，且接触圆弧表面，并通过在熨压深度方向(y轴)上提供的熨压深度a_p、沿被熨压试样轴向方向(x轴)以一定的进给量f前进；对于被熨压试样的端面表面，熨压压头平行于x轴方向，并通过在熨压深度方向(x轴)上提供的熨压深度a_p、沿被熨压试样端面表面方向平行于y轴以一定的进给量f前进；通过调节弹性预压力P、转速v、熨压深度a_p和进给量f能够使熨压加工设备提供适当的熨压力F。所述熨压力F由熨压力测试装置进行监测和反馈，以达到控制表面成型力的作用。熨压压头选用人造聚晶金刚石等超硬材料制作。

本发明的一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，包括有下列制备步骤：

步骤一：按所制得的锆基非晶态合金化学成分配比进行配料；

步骤二：熔炼制母合金

将步骤一制得的所述配料放入真空冶炼炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流20A，熔炼温度1000℃；

熔炼时间5～10min后随炉冷却后取出母合金；

步骤三：铜模浇铸棒材

将步骤二制得的所述母合金放入快速凝固装置的感应炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流2A，感应温度850℃；

熔炼时间2～5min后喷入铜模(分别选择内部凹槽直径为2～20mm的模具)中，随铜模冷却后制得锆基非晶态合金棒材；

步骤四：熨压表面处理

将步骤三制得的所述锆基非晶态合金棒材安装于数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为1.5～2.5mm)与所述锆基非晶态合金棒材接触；熨压加工面先加工锆基非晶态合金棒材的圆柱弧面，后加工锆基非晶态合金棒材的的两个端面；

调节数控机床的主轴转速v为1000～3000r/min，进给量f为5～20μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为5～30μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为5～15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.3～1N/mm，预压力20～60N。

实施例1制备Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶合金棒材

步骤一：按Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶合金化学成分配比进行配料；

步骤二：熔炼制Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃母合金

将步骤一制得的所述配料放入真空冶炼炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流20A，熔炼温度1000℃；

熔炼时间5～10min后随炉冷却后取出母合金；

步骤三：铜模浇铸棒材

将步骤二制得的所述母合金放入快速凝固装置的感应炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流2A，感应温度850℃；

熔炼时间2～5min后喷入铜模(分别选择内部凹槽直径为5mm的模具)中，随铜模冷却后制得Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶合金棒材；

对所制得Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶合金棒材表面进行原子力显微镜观察表面粗糙度，结果如图2所示，图中，表面粗糙度为75.1nm。

步骤四：熨压表面处理

将步骤三制得的Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶合金棒材安装于数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为1.5～2.5mm)与所述锆基非晶态合金棒材接触；熨压加工面先加工Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶态合金棒材的圆柱弧面，后加工Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶态合金棒材的的两个端面；

调节数控机床的主轴转速v为1000r/min，进给量f为10μm/r；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为1.5mm)压入Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃非晶合金棒材的熨压深度a_p为10μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为10N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.65N/mm，预压力35N；

经实施例1制得Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃合金构件表面进行原子力显微镜观察表面粗糙度，结果如图3所示，图中，表面粗糙度为23.0nm。结果显示其表面粗糙度较传统快速冷却方法制得的合金表面有较大提高。

经实施例1制得的Zr₄₇Al₁₀Cu₄₀Y₃合金构件表面进行抗腐蚀性能测试分析(CHI660B电化学工作站，0.1mol氯化钠溶液，传统的三电极，包括饱和甘汞电极，石墨对电极和工作电极，即试样)，并对比传统快速冷却方法制得的构件测试分析结果，实验结果分别如图4所示。从图4开路阻抗谱的结果看出，本发明所制得的构件在氯化钠溶液中的阻抗谱是传统方法制得的构件的五倍到十倍。

实施例2制备(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶合金棒材

步骤一：按(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶合金化学成分配比进行配料；

步骤二：熔炼制母合金

将步骤一制得的所述配料放入真空冶炼炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流20A，熔炼温度1000℃；

熔炼时间5～10min后随炉冷却后取出母合金；

步骤三：铜模浇铸棒材

将步骤二制得的所述母合金放入快速凝固装置的感应炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流2A，感应温度850℃；

熔炼时间2～5min后喷入铜模(分别选择内部凹槽直径为5mm的模具)中，随铜模冷却后制得(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶合金棒材；

步骤四：熨压表面处理

将步骤三制得的(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶合金棒材安装于数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头与所述锆基非晶态合金棒材接触；熨压加工面先加工(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶态合金棒材的圆柱弧面，后加工(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶态合金棒材的的两个端面；

调节数控机床的主轴转速v为1500r/min，进给量f为8μm/r；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为1.5mm)压入所述(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁非晶合金棒材的熨压深度a_p为20μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.65N/mm，预压力30N；

经实施例2制得的(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁合金构件表面进行原子力显微镜观察表面粗糙度，结果显示其表面粗糙度较传统快速冷却方法制得的合金表面有较大提高。

经实施例2制得的(Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀)₉₉Y₁合金构件表面进行抗腐蚀性能测试分析(CHI660B电化学工作站，0.1mol氯化钠溶液，传统的三电极，包括饱和甘汞电极，石墨对电极和工作电极，即试样)，并对比传统快速冷却方法制得的构件测试分析结果，实验结果看出，本发明所制得的构件在氯化钠溶液中的阻抗谱是传统方法制得的构件的五倍到十倍。

Claims (3)

1.一种采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，其特征在于：包括有下列制备步骤：

步骤一：按所制得的锆基非晶态合金化学成分配比进行配料；

步骤二：熔炼制母合金

将步骤一制得的所述配料放入真空冶炼炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流20A，熔炼温度1000℃；

熔炼时间5～10min后随炉冷却后取出母合金；

步骤三：铜模浇铸棒材

将步骤二制得的所述母合金放入快速凝固装置的感应炉中；

调节抽真空度至5×10^-3Pa，然后冲入0.05MPa氩气保护气体；

调节电流2A，感应温度850℃；

熔炼时间2～5min后喷入铜模中，随铜模冷却后制得锆基非晶态合金棒材；

步骤四：熨压表面处理

将步骤三制得的所述锆基非晶态合金棒材安装于数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头与所述锆基非晶态合金棒材接触；熨压加工面先加工锆基非晶态合金棒材的圆柱弧面，后加工锆基非晶态合金棒材的的两个端面；

调节数控机床的主轴转速v为1000～3000r/min，进给量f为5～20μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为5～30μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为5～15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.3～1N/mm，预压力20～60N。

2.根据权利要求1所述的采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，其特征在于：熨压压头端部的半径为1.5～2.5mm。

3.根据权利要求1所述的采用铜模浇铸与熨压组合制备耐腐蚀锆基非晶态合金的方法，其特征在于：熨压压头选用人造聚晶金刚石制作。

Images