CN106381458A - 一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于块体非晶合金制备技术领域，具体涉及一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，包括金属原材料依次经过熔炼工序、铜模吸铸工序、限定型高压扭转工序和热处理工序；其中，所述的限定型高压扭转工序是将非晶合金包裹在低碳钢限定套中进行高压扭转，扭转过程中低碳钢限定套伴随非晶合金一起变形。高压扭转所用的上下压砧内通有冷却水，防止变形导致非晶合金温度升高而发生晶化。本发明制备的非晶合金中溶质与溶剂原子间形成的高强度键含量增大，溶剂原子富集的软连接区域转变成由高强度键紧密捆扎的原子团簇，与传统铜模吸铸方法制备的非晶合金相比，具有更为优异的力学性能。

Description

一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法
技术领域
本发明属于块体非晶合金制备技术领域，具体涉及一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法。
背景技术
非晶合金由于其具有各向同性、高强度、低摩擦系数、高耐磨性、高耐腐蚀、优良磁性能等特点，所以近些年已被更多人熟知且在多个领域展开应用。非晶合金材料制备工艺由最初的喷枪冷却、气相沉积等方法发展到如今的高真空吸铸与喷铸，甚至用普通重力铸造的方法也能制备一些特定成分的非晶合金，其中应用最广泛的工艺为高真空铜模吸铸。虽然目前高真空熔炼与吸铸装置已达到较高的水平，但仍存在一定的缺陷，如：熔融金属液体快速冷却凝固过程中，周边金属来不及补充，形成一些极其微小的纳米空洞。为了解决这些缺陷并进一步提高非晶合金的力学性能，多种工艺方法被提出用于改善非晶性能，如静水高压处理，超声波处理，低温退火处理。剪切变形也是一种比较经济实用的非晶合金强化方法，但是由于材料本身的脆性与大变形，很难在剪切变形后保持块体的状态。
发明内容
为克服上述现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，以使制备的非晶合金具有更低的系统能量，包含更多的高强度键，因而具备更为优异的力学性能。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实施的：
一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，包括金属原材料依次经过熔炼工序、铜模吸铸工序、限定型高压扭转工序和热处理工序；其中，所述的限定型高压扭转工序是将非晶合金包裹在低碳钢限定套中进行高压扭转，扭转过程中低碳钢限定套伴随非晶合金一起变形。
发明人研究发现，剪切变形有利于非晶合金中具有较大负混合焓的两种元素（通常为溶剂原子与溶质原子）相互结合形成强度较高的键，并最终保留下来起到增大非晶合金强度的作用。限定型高压扭转可以使非晶合金发生较大限度的剪切变形，不会因为其固有的脆性而发生碎裂。这种大变形有利于非晶合金中溶剂原子富集的软连接转变成由高强度键紧密捆扎的原子团簇，从而大幅度提升非晶合金的力学性能。与传统铜模吸铸方法制备的非晶合金相比，其平均显微硬度提高了20% 以上。
作为优选，所述的低碳钢限定套内径尺寸等于非晶合金圆柱样品的外径尺寸，其外径尺寸大于内径尺寸的两倍，其轴向高度小于外径三分之一，从而确保高压扭转过程中不会发生失稳现象，且钢套不会破裂。
作为优选，所述的限定型高压扭转过程中：扭转圈数为3-8圈，圈数太少变形不充分，难以达到强化的目的；扭转速率为0.1-0.5圈每分钟，速率太高会导致样品急剧升温而发生晶化。
作为优选，所述的限定型高压扭转设备的上下压砧通有冷却水，目的在于将变形产生的热量迅速转移，防止样品升温而导致晶化。
作为优选，所述的上压砧提供高压扭转所需的正压力，下压砧可绕轴线转动实现扭转，这有利于设备的制作与安装，可以直接在普通压力机上工作。
作为优选，所述的热处理工艺为去应力退火，退火温度低于玻璃化转变温度15-25℃，可确保消除内应力的同时，仍保留样品的非晶态结构。
作为优选，所述的热处理工序在真空或惰性气体保护条件下进行。本发明的术语“真空”是本领域的通用术语；惰性气体如选择氩气等，目的是防止氧化。
本发明有以下优点：本发明制备的非晶合金中溶质与溶剂原子间形成的高强度键含量增大，溶剂原子富集的软连接区域转变成由高强度键紧密捆扎的原子团簇。与传统铜模吸铸方法制备的非晶合金相比，具有更为优异的力学性能。与此同时，高压条件有利于湮灭铜模吸铸过程中由于快速冷却形成的微小空洞。
附图说明
图1 为本发明限定型高压扭转的示意图；
图中附图标记的含义：1-上压砧，2-上压砧冷却水道，3-冷却水进水口，4-低碳钢限定套，5-下压砧，6-下压砧冷却水道，7-非晶合金，8-冷却水出水口。
具体实施方式
实施例1：
一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，包括：
（1）按设计比例称取合金原料，使之成分为Zr41.2Ti13.8Ni10Cu12.5Be22.5。
（2）将上述配料在氩气保护条件下，利用多功能电弧熔炼炉反复熔炼3次后获得母合金，母合金熔炼过程中，启动水冷系统下部的感应线圈进行电磁搅拌，完成不同元素的互溶过程。
（3）通过铜模吸铸方法制备直径为2.2mm的非晶铸锭。
（4）通过研磨将非晶铸锭嵌入内径为2mm，外径为10mm，轴向高度为2mm的低碳钢限定套后进行高压扭转，扭转圈数为5，扭转速率为0.2圈每分钟。
（5）在氩气保护条件下，利用低温退火对扭转后的非晶合金进行去应力退火，退火温度低于玻璃化转变温度15-25℃，退火时间为30min。
对本实施例得到的非晶合金进行检测，硬度达到10.4GPa，杨氏模量达到122.5GPa。
实施例2：
本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：合金的成分为La55Al25Co20。
对本实施例得到的非晶合金进行检测，硬度达到4.1GPa，杨氏模量达到48.7GPa。
实施例3：
本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：合金的成分为Zr50Cu50。扭转圈数为3，扭转速率为0.5圈每分钟。
对本实施例得到的非晶合金进行检测，硬度达到9.1GPa，杨氏模量达到104.2GPa。
实施例4：
本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：合金的成分为Cu50Zr45Al5。扭转圈数为8，扭转速率为0.1圈每分钟。
对本实施例得到的非晶合金进行检测，硬度达到9.4GPa，杨氏模量达到107.6GPa。
对比例1：
本实施例其它操作同实施例1，不同之处在于：非晶合金不进行限定型高压扭转处理。
对本实施例得到的非晶合金进行检测，硬度达到8.9GPa，杨氏模量达到103.1GPa。
对比例2
本实施例其它操作同实施例2，不同之处在于：非晶合金不进行限定型高压扭转处理。
对本实施例得到的非晶合金进行检测，硬度达到3.4GPa，杨氏模量达到40.9GPa。
上述优选实施例只是用于说明和解释本发明的内容，并不构成对本发明内容的限制。尽管发明人已经对本发明做了较为详细地列举，但是，本领域的技术人员根据发明内容部分和实施例所揭示的内容，能对所描述的具体实施例做各种各样的修改或/ 和补充或采用类似的方式来替代是显然的，并能实现本发明的技术效果，因此，此处不再一一赘述。本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不构成对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，包括金属原材料依次经过熔炼工序、铜模吸铸工序、限定型高压扭转工序和热处理工序，其特征在于：所述的限定型高压扭转工序是将非晶合金包裹在低碳钢限定套中进行高压扭转，扭转过程中低碳钢限定套伴随非晶合金一起变形。
2.根据权利要求1所述的一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，其特征在于，所述的低碳钢限定套内径尺寸等于非晶合金圆柱样品的外径尺寸，其外径尺寸大于内径尺寸的两倍，其轴向高度小于外径三分之一。
3.根据权利要求1所述的一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，其特征在于，所述的限定型高压扭转过程中，扭转圈数为3-8圈，扭转速率为0.1-0.5圈每分钟。
4.根据权利要求1所述的一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，其特征在于，所述的限定型高压扭转过程中，上下压砧通有冷却水。
5.根据权利要求4所述的一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，其特征在于，所述的上压砧提供高压扭转所需的正压力，下压砧可绕轴线转动实现扭转。
6.根据权利要求1所述的一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，其特征在于，所述的热处理工序为去应力退火，退火温度低于玻璃化转变温度15-25℃。
7.根据权利要求1所述的一种基于限定型高压扭转的非晶合金强化方法，其特征在于，所述的热处理工序在真空或惰性气体保护条件下进行。
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