CN107828990A - 一种机器人连接杆及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人连接杆及其制备工艺，属于金属材料领域。机器人连接杆成分及百分含量为：Ta：2‑4％、Si：0.8‑1.2％、Hf：2‑4％、P：0.3‑0.5％、C：0.2‑0.3％、余量为Al和杂质。该原料配比中Ta与C形成的二元合金相，结构稳定，增强铝合金的强度和耐蚀性，Hf与Ta会形成二元合金体系，使得铝合金具有高蠕变强度，P作为一种铝合金变质剂，能实现晶粒细化的作用，结合固溶处理、时效处理来改善合金的性能，增强其使用产品的强度与硬度，通过化学反应，在产品表面形成一层均匀、致密的由O、Al、Zr、Mg、F等元素组成的复合保护膜，使产品在面对复杂多变的环境时，拥有极强的抗性。

Description

一种机器人连接杆及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种机器人连接杆及其制备工艺，属于金属材料领域。
背景技术
铝合金是指以铝为基础，加入一定量的镁、硅、钼、铬、锰等元素并控制杂质元素含量而组成的合金体系。铝合金具有高强度、高硬度、重量轻和良好的延展性，特别适合于作结构材料，因此被广泛应用于国防工业和民用工业中，尤其在汽车、摩托车、枪械和家电行业中占有重要地位。
机器人以其使用方便、功能多样、解放人劳动力等优点被广泛用于各个行业。机器人不仅仅是内部计算机的运行，承载其内部结构的外部材料同样至关重要。铝合金以其高强度、低密度、耐蚀性好而被广泛使用。
传统的铝合金制品通常采用压力加工，使被加工的铝(坯、锭等)产生塑性变形，然后根据铝材加工温度不同分冷加工和热加工两种。铝材的主要加工方法有：轧制、锻造、挤压等。一般的合金材料和加工方法可以满足普通环境下的使用，但是在提升铝合金的性能上(如强度、硬度)依然需要深入研究。
针对传统铝合金裂纹多、延伸率差等缺点，公开号106048379A公开了一种通过在铝合金中加入稀土、锶等元素来提高产品的韧性、延伸率。然而，仅仅提升铝合金的韧性、延伸率等性能并不能使铝合金应对复杂的环境。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种高强度、高硬度、耐蚀以及低杂质元素的机器人连接杆。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机器人连接杆，所述的机器人连接杆由铝合金制成，所述铝合金的成分及其质量百分比为：Ta：2-4％、Si：0.8-1.2％、Hf：2-4％、P：0.3-0.5％、C：0.2-0.3％、余量为Al和杂质。
在目前的铝合金或其他合金成分中，Ta、Hf元素的使用还比较少，但是，作为一种金属，Ta与Hf对合金的性能有极大地提升。钽本身具有加工性能好、化学稳定性高、抗液态金属腐蚀能力强等优异性能，其与C形成的二元合金相，结构稳定，增强铝合金的强度和耐蚀性。Hf具有延展性、抗氧化性和耐高温等特性，是一种良好的合金材料，Hf与Ta会形成二元合金体系，使得铝合金具有高蠕变强度。P作为一种铝合金变质剂，在铝合金液中与铝生成溶点高且细小的AlP化合物，AlP具有与硅相近的晶格结构和晶格常数，成为了Si结晶时的异质核心，产生异相生核作用，促使熔液中的硅晶坯和原子快速生长为晶核，使晶核数量大大增加，从而实现晶粒细化的目的。
作为优选，在所述铝合金成分中，杂质中各含量为H＜0.006％、O＜0.018％。铝合金中的H容易造成材料氢碎，在制备过程中，应时刻注意空气的混入。
本发明在合理选用材料配比的同时还提供了另一种技术方案：
一种机器人连接杆的制备工艺，所述的方法包括如下步骤：
(1)熔炼：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，将原料熔炼成铝合金液并浇注成铝合金板；
(2)热处理：将铝合金板进行固溶处理、时效处理；
(3)成型：将热处理后的铝合金板切削、机加工成机器人连接杆半成品；
(4)表面处理：将机器人连接杆半成品放入含有氟锆酸钠、硝酸镁的水溶液中，抖动机器人连接杆半成品后取出得成品。
具有高强度兼有高韧性、低脆性转变温度的铝合金是较理想的结构材料，而晶粒细化是最直接有效的途径。细化晶粒可以通过变形工艺或者相变工艺来完成，本发明是通过原料中加入P变质剂并结合热处理达到晶粒细化的效果。
同时，本发明结合固溶处理、时效处理来改善合金的性能，增强其使用产品的强度与硬度。
最后，本发明通过化学反应，在产品表面形成一层均匀、致密的由O、Al、Zr、Mg、F等元素组成的复合保护膜，使产品在面对复杂多变的环境时，拥有极强的抗性。
作为优选，在步骤(2)中，所述热处理中固溶处理的温度为700-1300℃，固溶处理的冷却速度为40-120℃/min，采用冷却水冷却。固溶处理可以使合金产品获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。
进一步优选，所述冷却水为含过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠中的一种或多种的水溶液。未做表面处理的合金在水溶液中极易被腐蚀，本发明通过在水溶液中加入缓蚀剂，能有效减少合金的腐蚀。
作为优选，在步骤(2)中，所述热处理中时效处理具体为：将固溶处理后的铝合金板加热至100-200℃，施加频率为50-400Hz的微波，经2-6h后自然冷却至室温。时效处理可以消除铝合金板的内应力，稳定其组织和尺寸，改善其机械性能等。
作为优选，在步骤(4)中，所述表面处理中氟锆酸钠的浓度为1-5g/l，硝酸镁的浓度为1-4g/l，溶液Ph值为2.5-4.5，反应温度为40-90℃，反应时间为15-35min。适当选取反应溶液的温度、浓度及Ph值有利于复合膜形成的均匀性及外观特性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)原料中的钽本身具有加工性能好、化学稳定性高、抗液态金属腐蚀能力强等优异性能，其与C形成的二元合金相，结构稳定，增强铝合金的强度和耐蚀性。
(2)原料中的Hf具有延展性、抗氧化性和耐高温等特性，是一种良好的合金材料，Hf与Ta会形成二元合金体系，使得铝合金具有高蠕变强度。
(4)P作为铝合金的变质剂，会生成AlP，成为Si结晶时的异质核心，促使熔液中的硅晶坯和原子快速生长为晶核，使晶核数量大大增加，实现晶粒细化。
(5)通过化学反应，铝合金在其表面形成一层均匀、致密的由O、Al、Zr、Mg、F等元素组成的复合保护膜，使产品在面对复杂多变的环境时，拥有极强的抗性。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：3％、Si：1％、Hf：3％、P：0.4％、C：0.25％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至1000℃，保温30min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为80℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至150℃，从旁施加频率为250Hz的微波，保持4h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为3g/l氟锆酸钠、浓度为2.5g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为3.5，控制反应温度为65℃，保持反应25min后取出得机器人手腕成品。
实施例2
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：2％、Si：0.8％、Hf：2％、P：0.3％、C：0.2％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至1000℃，保温30min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为80℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至150℃，从旁施加频率为250Hz的微波，保持4h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为3g/l氟锆酸钠、浓度为2.5g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为3.5，控制反应温度为65℃，保持反应25min后取出得机器人手腕成品。
实施例3
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：4％、Si：1.2％、Hf：4％、P：0.5％、C：0.3％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至1000℃，保温30min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为80℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至150℃，从旁施加频率为250Hz的微波，保持4h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为3g/l氟锆酸钠、浓度为2.5g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为3.5，控制反应温度为65℃，保持反应25min后取出得机器人手腕成品。
实施例4
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：3％、Si：1％、Hf：3％、P：0.4％、C：0.25％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至700℃，保温10min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为40℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至150℃，从旁施加频率为50Hz的微波，保持2h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为3g/l氟锆酸钠、浓度为2.5g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为3.5，控制反应温度为65℃，保持反应25min后取出得机器人手腕成品。
实施例5
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：3％、Si：1％、Hf：3％、P：0.4％、C：0.25％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至1300℃，保温50min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为120℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至200℃，从旁施加频率为400Hz的微波，保持6h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为3g/l氟锆酸钠、浓度为2.5g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为3.5，控制反应温度为65℃，保持反应25min后取出得机器人手腕成品。
实施例6
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：3％、Si：1％、Hf：3％、P：0.4％、C：0.25％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至1000℃，保温30min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为80℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至150℃，从旁施加频率为250Hz的微波，保持4h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为1g/l氟锆酸钠、浓度为1g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为2.5，控制反应温度为40℃，保持反应15min后取出得机器人手腕成品。
实施例7
配料：按上述铝合金的成分及其质量百分比称取原料，包括Ta：3％、Si：1％、Hf：3％、P：0.4％、C：0.25％、余量为Al和杂质，其中杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
熔炼：将原料放入中频感应炉中，设置温度，待原料熔融成铝合金液后浇注成铝合金板；
热处理：将铝合金板加热至1000℃，保温30min，取出，将含有过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠的冷却水从铝合金板上方喷淋而下，控制水量和流速，保持铝合金板的冷却速度为80℃/min，直至冷却至室温。再将冷却至室温的铝合金板加热至150℃，从旁施加频率为250Hz的微波，保持4h后自然冷却至室温。
成型：将热处理后的铝合金板进行切削、机加工后得机器人手腕半成品。
表面处理：配置含浓度为5g/l氟锆酸钠、浓度为4g/l硝酸镁的表面处理液，将机器人手腕半成品，调节溶液Ph为4.5，控制反应温度为90℃，保持反应35min后取出得机器人手腕成品。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，对比例1原料中不含Ta、Hf。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，对比例2原料中不含P。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，对比例3热处理仅进行退火处理。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，对比例4表面处理直接对产品进行喷漆处理。
将实施例1-7及对比例1-4中的产品进行测试，测试其强度、耐腐蚀性和硬度，结果如表1所示：
表1：实施例1-7及对比例1-4中产品的性能
从表中数据可以看出，原料中若是缺少Ta、Hf等元素，铝合金内部无法形成Hf-Ta二元合金体系和Ta-C二元合金相，极大地降低了产品的强度和硬度。同时，表面处理形成的表面合金相，极大地增强了产品的耐腐蚀性，更能适应复杂的使用环境。其中，耐腐蚀性为产品表面开始出现腐蚀的时间。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (7)

1.一种机器人连接杆，其特征在于，所述的机器人连接杆由铝合金制成，所述铝合金的成分及其质量百分比为：Ta：2-4％、Si：0.8-1.2％、Hf：2-4％、P：0.3-0.5％、C：0.2-0.3％、余量为Al和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种机器人连接杆，其特征在于，所述杂质包括H＜0.006％、O＜0.018％。
3.一种机器人连接杆的制备工艺，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
(1)熔炼：按权利要求1中铝合金的成分及其质量百分比称取原料，将原料熔炼成铝合金液并浇注成铝合金板；
(2)热处理：将铝合金板进行固溶处理、时效处理；
(3)成型：将热处理后的铝合金板切削、机加工成机器人连接杆半成品；
(4)表面处理：将机器人连接杆半成品放入含有氟锆酸钠、硝酸镁的水溶液中，抖动机器人连接杆半成品后取出得成品。
4.根据权利要求3所述的一种机器人连接杆的制备工艺，其特征在于，所述热处理中固溶处理的温度为700-1300℃，固溶处理的冷却速度为40-120℃/min，采用冷却水冷却。
5.根据权利要求4所述的一种机器人连接杆的制备工艺，其特征在于，所述冷却水为含过锝酸钠、苯并三唑、钼酸钠中的一种或多种的水溶液。
6.根据权利要求3所述的一种机器人连接杆的制备工艺，其特征在于，所述热处理中时效处理具体为：将固溶处理后的铝合金板加热至100-200℃，施加频率为50-400Hz的微波，经2-6h后自然冷却至室温。
7.根据权利要求3所述的一种机器人连接杆的制备工艺，其特征在于，所述表面处理中氟锆酸钠的浓度为1-5g/l，硝酸镁的浓度为1-4g/l，溶液Ph值为2.5-4.5，反应温度为40-90℃，反应时间为15-35min。
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