CN102967279A

CN102967279A - 一种采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法

Info

Publication number: CN102967279A
Application number: CN2012104756593A
Authority: CN
Inventors: 孔见; 严钰龙
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种采用块体非晶合金新材料作为印模材料来测量表面粗糙度的方法。块体非晶合金在过冷液相区间内具有热塑成形能力，利用此特点可以实现低温印模处理，该材料在印模时为完全的塑性材料，印模后转变为高强度的刚性材料。因此，与传统材料相比块体非晶合金印模材料可以实现对样品表面形貌高精度的复制，且印模可以长久稳定保存。同时本发明工艺简单操作方便且无污染，符合社会可持续发展的要求，有着广泛的应用前景。

Description

一种采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法

技术领域

本发明涉及一种块体非晶合金的新用途及使用方法，具体涉及一种采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，属于材料领域。

背景技术

表面粗糙度是表征物体表面微观形貌最常用的参数，它的存在将会影响工件的配合性质和零件的工作精度和强度，降低工件表面的抗腐蚀性，因此，检测工件的表面粗糙度是保证产品质量的重要措施。表面粗糙度反映的是机械零件表面的微观几何形状误差，随着机械加工行业的发展表面粗糙度测量技术也得到长足进步，特别是随着计算机的普及和现代光学技术、激光应用技术的发展，使粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要，表面粗糙度已成为精密零件的重要技术参量，甚至是决定精密零件合格与否的决定参数之一。研究与开发表面粗糙度的高精度测量技术具有重要的意义。

表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类：在接触式测量中主要有：比较法、印模法、触针法等；非接触测量方式中常用的有：光切法、实时全息法、散斑法、像散测定法、光外差法、原子力显微镜（A FM）法、光学传感器法等。在上述方法中，除印模法外，其他测试方法都直接针对测试对象，且现有的方法往往需要采用一些专门的光学或机械精密仪器来实现，其成本较高，操作不便，往往不易在现场使用。特别是针对成品机械装备或机械零件较复杂区域，例如模具内壁、深孔、凹槽等，难以进行表面粗糙度的测量。此外，材料是否导电、是否透明等也会制约测量方法的应用。而印模法是一种有效的离线解决方案，该技术是利用某些塑性材料作块状印模贴合在被测表面上，或采用熔融态的印模材料倒在材料上后冷却，取下后印模上存有被测表面的轮廓形状，然后对印模的表面进行测量，得出原来零件的表面粗糙度。

传统的印模材料往往采用石蜡、马来树胶、赛璐珞片、硫磺石墨混合物、低熔点合金、聚苯乙烯、树脂等，原理是将印模材料熔化浇覆或者塑性压印。但由于印模材料表面张力难以达到微小峰谷的底部；熔化浇覆时材料凝固会产生收缩；印模与待测零件热膨胀系数的差异；且由于传统印模材料在压印前后都是软塑性材料，在剥离时容易粘连脱落甚至发生变形。这些原因都会导致印模法测量工件粗糙度时测量失真。因此传统材料由于其本身性质制约，难以实现高精度的印模。

块体非晶合金（金属玻璃）是一类新型材料，常温下它具有一系列不同于普通晶态合金的优异性能，如高强度、高硬度、良好的耐腐蚀性等，使其具有广阔的应用前景。新型块体非晶合金往往具有较宽的过冷液相区宽度△Tx＝Tx－Tg，式中Tx为晶化温度，Tg为玻璃转变温度，在Tg~Tx的过冷液相区温度范围内块体非晶合金具有超塑性，可以像塑料一样对其进行热塑成形，同时块体非晶合金冷却到玻璃转变温度Tg以下时，又会拥有远超传统金属材料的高强度高硬度的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用块体非晶合金材料作为印模材料测定表面粗糙度的方法，该方法能实现对样品表面形貌高精度的复制。

本发明原理：本发明采用块体非晶合金新材料作为印模材料来测量金属或陶瓷工件表面粗糙度，特别是对于除印模法外其他方法较难测量的模具内壁、深孔、凹槽内表面粗糙度等。非晶合金在其玻璃转变温度Tg和晶化温度之间Tx的过冷液相区宽度ΔTx=Tx-Tg范围内具有超塑性，可以进行热塑成型。将非晶合金加热至其过冷液相区温度范围（Tg~Tx）内对金属或陶瓷工件进行印模，可以对工件表面形貌实现高精度的、原子尺度级别的形状“复制”，同时非晶合金印模冷却后转变为高强度的刚性材料，可以使材料粗糙度信息长期保存而不失真。

实现本发明的技术方案为：一种采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，包括以下步骤：

步骤1. 选择玻璃转变温度为60℃<Tg<400℃，过冷液相区宽度ΔTx>30℃的块体非晶合金材料；

步骤2.将非晶合金材料加热至其过冷液相区温度（即Tg~Tx）范围之间，用非晶合金作为印模对待测样品进行压印，待印模冷却后剥离；

步骤3.测定非晶合金印模的表面粗糙度。

步骤1中所述的块体非晶合金可采用采用熔体急冷法、铜模铸造法、水淬法或机械合金化法制备。

步骤1中所述的非晶合金材料优选Au基、Pd基、稀土基或Pt基。

可对步骤2中所述的待测样品进行加热，加热温度控制在过冷液相区温度范围内。

步骤2所述的加热采用油浴法或感应加热法，所述的压印挤压压力0.05-10MPa。

步骤3中所述的表面粗糙度的测定采用光切法。

本发明与现有的测定表面粗糙度的技术相比，其显著优点是：

1. 对待测材料性质要求低，如导电性、光透性、硬度等；

2. 印模法对复杂工件的深孔、凹槽、模具内壁等也可测量表面粗糙度；

3. 与传统印模材料相比，本发明采用的块体非晶合金在其过冷液相区温度范围内具有高塑性，冷却后又有高强度的特点，取下印模过程中变形粘连损耗非常低；

4. 传统印模材料冷却前后一般均为塑性材料，而块体非晶印模在常温下具有高强度、高硬度、耐腐蚀等特点，可以长久稳固保存。

具体实施方式

下面通过实施例和对比例进一步说明本发明。

实施例1. 使用Ce基非晶印模材料测量铝合金板表面粗糙度

采用水淬法制备Ce基块体非晶合金Ce₇₀Al₁₀Cu₂₀，具体热力学数据如下：Tg=68℃，Tx=135℃，ΔTx=67℃。将铝合金板样品表面处理干净待用，将Ce基非晶合金和待测铝合金样品采用硅油油浴加热至110℃，保温1分钟，此时将具有热塑成型能力的Ce基非晶取出，迅速在铝合金板表面进行压印贴合，挤压压力控制在1MPa左右，待冷却至室温后取下印模。采用光切法分别测定铝合金板指定位置与Ce基印模对应位置的表面粗糙度，根据光切显微镜测量数据直接计算轮廓的最大高度Rz表征表面粗糙度，即在一个取样长度内，最大轮廓峰高Zp和最大轮廓谷深Zv之和。实验中测量得铝合金板表面粗糙度Rz=8.32μm，对印模相应位置也采用光切法测量其表面粗糙度，测得表面粗糙度Ra=8.25μm，同时采用马来树胶作为印模材料作为比较，测量得Rz=7.84μm。可见非晶印模材料与传统印模材料马来树胶相比，印模时贴合度更高，表面粗糙度精确度大大提高，且更易剥落，印模后为刚性材料稳固性强。

实施例2. 使用Pt基非晶印模材料测量陶瓷模具内表面粗糙度

采用铜模铸造法制备Pd基块体非晶合金Pt_57.5Cu_14.7Ni_5.3P_22.5，具体热力学数据如下：Tg=235℃，Tx=333℃，ΔTx=98℃。将待测陶瓷模具内壁处理干净，将已制备的Pt基非晶合金加热至300℃左右，保温1分钟，随后将具有热塑成型能力的Pt基非晶合金与陶瓷模具内壁待测处压合，压力控制在50kPa左右，充分贴合后冷却至室温，剥离取下冷却后的印模。采用光切法测定印模的表面粗糙度Rz=18.57μm，即得到陶瓷模具内壁的表面粗糙度。

实施例3. 使用Pd基非晶印模材料测量钢件深孔内侧表面粗糙度

采用铜模铸造法制备Pd基块体非晶合金Pd₄₃Ni₁₀Cu₂₇P₂₀，具体热力学数据如下：Tg=305℃，Tx=406℃，ΔTx=101℃。将钢件样品处理干净待测，将制备好的Pd基非晶合金加热至370℃左右，保温1分钟，将Pd基非晶合金与钢件深孔内待测区域压合，压力控制在5MPa左右，充分贴合后冷却至室温，取下冷却后的印模。采用光切法测定印模的表面粗糙度Rz=11.26μm。解决了光切法难以在不破坏样品的情况下测深孔内表面粗糙度的问题。

实施例4. 使用Au基非晶印模材料测量铍青铜挠性杆凹槽内表面粗糙度

采用铜模铸造法制备Au基块体非晶合金Au₅₅Cu₂₅Si₂₀，具体热力学数据如下：Tg=75℃，Tx=110℃，ΔTx=35℃。挠性杆属于微小构件，其中部凹槽尺寸和表面粗糙度影响其性能，而采用传统方法不易精确测量凹槽部位的表面粗糙度，采用非晶合金印模法可以很好解决。实验中将铍青铜挠形杆凹槽内待测区域清洗干净，采用油浴加热Au基非晶合金至100℃，保温1分钟，随后将具有热塑成型能力的Au基非晶取出，压入铍青铜挠形杆凹槽内，压力控制在500kPa左右,充分压印后冷却至室温，取下非晶印模。采用光切法测得Au基印模的表面粗糙度Rz=0.95μm。

实施例5. 使用Zr基非晶印模材料测量U形零件内侧表面粗糙度

采用水淬火法制备Zr基块体非晶合金Zr₆₅Al_7.5Cu_17.5Ni₁₀，具体热力学数据如下：Tg=383℃，Tx=462℃，ΔTx=79℃。将待测不锈钢U形零件内侧处理干净，将已制备的Zr基非晶合金与不锈钢U形零件加热至430℃左右，随后将具有热塑成型能力的Pt基非晶合金贴合在不锈钢U形零件内一侧，贴合压力控制在10MPa左右，充分贴合后冷却至室温，剥离取下冷却后的印模。采用光切法测定印模的表面粗糙度Rz=3.27μm，即得到U形零件内侧表面粗糙度。

由于加热时温度会不稳定，因此较大的过冷液相区ΔTx温度范围可以降低对加工温度的要求，保证非晶合金处于塑性状态，不发生晶化。因此Au基、Pd基、稀土基或Pt基非晶材料优选过冷液相区宽度ΔTx相对大的块体非晶合金。例如，Au基块体非晶合金材料有很多种，其ΔTx范围是25~70℃，Pd基非晶材料ΔTx范围是25~110℃，Au基非晶材料选靠近70℃的为佳，Pd基非晶材料选靠近110℃的为佳。

Claims

1.一种采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤2.将非晶合金材料加热至其过冷液相区温度范围之间，用非晶合金作为印模对待测样品进行压印，待印模冷却后剥离；

步骤3.测定非晶合金印模的表面粗糙度。

2.根据权利要求1所述的采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，其特征在于步骤1中所述的块体非晶合金可采用采用熔体急冷法、铜模铸造法、水淬法或机械合金化法制备。

3.根据权利要求1所述的采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，其特征在于步骤1中所述的非晶合金材料优选Au基、Pd基、稀土基或Pt基。

4.根据权利要求1所述的采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，其特征在于可对步骤2中所述的待测样品进行加热，加热温度控制在过冷液相区温度范围内。

5.根据权利要求1所述的采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，其特征在于步骤2中所述的加热采用油浴法或感应加热法，所述的压印挤压压力为0.05-10MPa。

6.根据权利要求1所述的采用非晶合金精确测定表面粗糙度的方法，其特征在于步骤3中所述的表面粗糙度的测定采用光切法。