CN110616387A - 用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法 - Google Patents

用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法 Download PDF

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孙江龙
寇生中
李晓诚
蒋希来
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Abstract

用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法，非晶合金的组分为[Zr0.72‑x(Cu0.59Ni0.41)0.28+x]88‑yAl12+yREz，RE为稀土元素，其中x，y，z均为原子百分比，±0.01≤x≤±0.3，±1≤y≤±3，0≤z≤0.2；专用铜模的芯子5与上模2连接，装有芯子5的上模2和下模4通过固定环3密闭连接，下模4相对于垂直面向外有一倾斜角α。方法为：将配好的原料熔炼；当块体原料完全熔化后，反复熔炼3次及以上；吸铸时，先将芯子5预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子5和上模2连接，通过固定环3固定上模2和下模4，最后拧上盖子1，通过盖子1最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，当吸铸压差在0.0525~0.06MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在6.5~7.5Kw时，得到的非晶柔轮铸件。

Description

用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法
技术领域
本发明涉及金属铸造领域，具体涉及锆基非晶合金柔轮毛坯的铸造技术。
背景技术
柔轮作为谐波减速器的核心，在谐波减速器中是一个传递动力的关键零件，服役过程承受复杂的交变应力和摩擦磨损作用，容易发生疲劳断裂和磨损破坏，所以对其性能要求很高。目前柔轮的制备材料主要采用40CrMoNiA、40CrA、30CrMoNiA、38Cr2Mo2VA等中碳合金钢材料，力学性能指标：抗拉强度 σb ≥980(MPa)，屈服强度 σs ≥835(MPa)，疲劳强度≥480(MPa)，冲击韧性值ak v≥98 (J/cm2)，硬度≤269HB。而非晶合金与传统金属合金比较，由于具有特殊的微观结构，如原子排列长程无序、短程有序，没有晶体材料的位错、晶界等缺陷，因而具有优异的力学性能，例如，锆基非晶合金的强度是钛合金的两倍以上,锆基非晶合金的屈服强度高达1800-2300MPa，疲劳强度高达1000MPa，这是传统金属材料很难达到的；非晶合金另一特点是优异的成型性能，非晶合金铸件的尺寸精度高于相应的晶体合金，非晶合金铸件表面可以复制铸模的微纳尺度精细形貌，表面光洁度能达到镜面，研究表明，采用非晶合金精密铸造成形的柔轮外齿的机械精度能够满足零件的精度要求，因此选用新型非晶合金，通过吸铸方法制造柔轮是一种切实可行的有效制造方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法。
本发明是用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法，用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金，按原子百分比计，其组分为：[Zr0.72-x(Cu0.59Ni0.41)0.28+x]88-yAl12+ yREz，RE为稀土元素，其中x，y，z均为原子百分比， ±0.01≤x≤±0.3，±1≤y≤±3，0≤z≤0.2；RE为Y、Er，余为杂质；所述合金Zr、Cu、Ni、Al、Y纯度大于等于99.99%。
用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，包括盖子1、模具上模2、固定环3、模具下模4和芯子5，芯子5通过过盈配合与上模2连接，装有芯子5的上模2和下模4通过固定环3密闭连接，下模4相对于垂直面向外有一倾斜角α。
用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的制备方法，其步骤为：
（1）按照以上所述的配比，将配好的母合金原料放入氩气保护的水冷铜坩埚磁悬浮感应熔炼炉，采用每30s增加0.1Kw熔炼功率的方式对合金块体原料进行熔炼；
（2）当块体原料完全熔化后，每30s增加0.5Kw熔炼功率，直到将熔炼功率增加至所需功率，将系统在此功率下保温一分钟，然后直接卸载功率至零，让合金锭子随坩埚一同冷却至常温后取出，为保证合金熔炼均匀，反复熔炼3次及以上；
（3）吸铸时，先将芯子5预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子5和上模2连接，然后在上下模分型面之间用硅脂密封，保证具有良好的气密性，通过固定环3固定上模2和下模4，最后拧上盖子1，通过盖子1最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，制备该成分非晶柔轮毛坯，当吸铸压差在0.0525~0.06MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在6.5~7.5Kw时，得到的非晶柔轮铸件。
本发明的有益效果为：与传统钢制材料相比，本发明所选的柔轮制作材料为高强度，高弹性，高耐磨性等优异性能的锆基非晶合金，具有更高的屈服强度和疲劳强度，是更为理性的柔轮选材，同时非晶合金铸件表面可以复制铸模的微纳尺度精细形貌，其铸件的尺寸精度远远高于相应的晶体合金，通过本发明制造的柔轮，具有更好的表面光洁度，尺寸精度，在后续不需要或只需少量的加工工序，降低加工成本，可提高柔轮产品质量稳定性和综合力学性能。
附图说明
图1是本发明非晶柔轮毛坯金属铸造模具的主体剖视图，图2是上模主视图，图3是上模俯视图，图4是下模图，图5是本发明实施例非晶合金结构表征XRD图，图6是本发明实施例非晶合金室温压缩曲线图，图7是本发明实施例非晶柔轮结构表征XRD图，图8是通过模具吸铸的柔轮毛坯实物图，附图标记及对应名称为：盖子1，上模2，固定环3，下模4，芯子5，倾斜角α。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明是用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金及专用铜模和制备方法，用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金，按原子百分比计，其组分为：[Zr0.72-x(Cu0.59Ni0.41)0.28+x]88-yAl12+ yREz，RE为稀土元素，其中x，y，z均为原子百分比， ±0.01≤x≤±0.3，±1≤y≤±3，0≤z≤0.2；RE为Y、Er，余为杂质；所述合金Zr、Cu、Ni、Al、Y纯度大于等于99.99%。
用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，包括盖子1、模具上模2、固定环3、模具下模4和芯子5，芯子5通过过盈配合与上模2连接，装有芯子5的上模2和下模4通过固定环3密闭连接，下模4相对于垂直面向外有一倾斜角α。
用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的制备方法，其步骤为：
（1）按照以上所述的配比，将配好的母合金原料放入氩气保护的水冷铜坩埚磁悬浮感应熔炼炉，采用每30s增加0.1Kw熔炼功率的方式对合金块体原料进行熔炼；
（2）当块体原料完全熔化后，每30s增加0.5Kw熔炼功率，直到将熔炼功率增加至所需功率，将系统在此功率下保温一分钟，然后直接卸载功率至零，让合金锭子随坩埚一同冷却至常温后取出，为保证合金熔炼均匀，反复熔炼3次及以上；
（3）吸铸时，先将芯子5预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子5和上模2连接，然后在上下模分型面之间用硅脂密封，保证具有良好的气密性，通过固定环3固定上模2和下模4，最后拧上盖子1，通过盖子1最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，制备该成分非晶柔轮毛坯，当吸铸压差在0.0525~0.06MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在6.5~7.5Kw时，得到的非晶柔轮铸件。
如图1所示，盖子1外表面滚花，上开有直径为2mm小孔与吸铸连杆连接。
如图1 所示，固定环3外表面滚花。
如图2、图3所示，上模2底面有1个深度为0.8mm，宽为1.5mm的环形槽，2个对称分布直径为2mm的气孔，2个对称分布深度为0.8mm，长度为1.5mm的槽。
如图4所示，下模4相对于垂直面向外的斜角α为1.5°~2°。
盖子1和固定环3的材料为黄铜，上模2和下模4的材料为紫铜，芯子5的材料为石墨，或者紫铜，或者树脂砂。
实施例1：以[Zr0.73(Cu0.59Ni0.41)0.27]88Al12非晶合金作为成型材料，将所述材料放入氩气保护的水冷铜坩埚磁悬浮感应炉，采用每30s加0.1Kw功率至合金熔融，之后每30s加0.5Kw功率至所需功率，反复3次及以上使合金混合均匀。吸铸时，先将芯子（5）预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子5和上模2连接，然后在上下模分型面之间用硅脂密封，保证具有良好的气密性，通过固定环3固定上模2和下模4，最后拧上盖子1，通过盖子1最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，制备该成分非晶柔轮毛坯，当多次实验验证，当吸铸压差在0.0525MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在6.5Kw时，得到的非晶柔轮铸件质量和表面光洁度好。
实施例2：以[Zr0.73(Cu0.59Ni0.41)0.27]88Al12Y1非晶合金作为成型材料，将所述材料放入氩气保护的水冷铜坩埚磁悬浮感应炉，采用每30s加0.1Kw至合金熔融，之后每30s加0.5Kw功率至所需功率，反复3次及以上使合金混合均匀。吸铸时，先将芯子5预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子5和上模2连接，然后在上下模分型面之间用硅脂密封，保证具有良好的气密性，通过固定环3固定上模2和下模4，最后拧上盖子1，通过盖子1最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，制备该成分非晶柔轮毛坯，当多次实验验证，当吸铸压差在0.0512MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在7.0Kw时，得到的非晶柔轮铸件质量和表面光洁度好。
实施例3：以[Zr0.73(Cu0.59Ni0.41)0.27]87Al13非晶合金作为成型材料，将所述材料放入氩气保护的水冷铜坩埚磁悬浮感应炉，采用每30s加0.1Kw至合金熔融，之后每30s加0.5Kw功率至所需功率，反复3次及以上使合金混合均匀。吸铸时，先将芯子5预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子5和上模2连接，然后在上下模分型面之间用硅脂密封，保证具有良好的气密性，通过固定环3固定上模2和下模4，最后拧上盖子1，通过盖子1最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，制备该成分非晶柔轮毛坯，当多次实验验证，当吸铸压差在0.06MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在7.5Kw时，得到的非晶柔轮铸件质量和表面光洁度好。
根据说明书对本发明形状、材质及细节等方面的描述，制造出符合要求、具有一定尺寸的非晶柔轮毛坯，其具体尺寸为：毛坯总高度31mm，上端直径28mm，高度24mm，下端凸台直径为19.5mm，高度6mm，夹持部分长度为8mm。
将所有非晶合金样品在D8 ADVANCE型X射线衍射仪上进行XRD衍射分析，以判定合金是否为非晶。X射线衍射波长λ=1.54Å，Cu靶Kα辐射，测试电压与测试电流设定40KV和120mA，扫描测试角度设定为20°~80°，扫描速度设定为4°/min，步长为0.02°。从图5合金试样的XRD图谱中可以看出，所有成分合金试样的XRD图谱中均存在非晶结构的典型漫散射峰，说明所有合金为非晶。
将非晶合金试样在WDW-100D型万能实验机上以1x10-4s-1的应变速率进行室温压缩性能检测，图6为试样压缩曲线图，下表为试样压缩性能参数。
表1 实施例1至实施例3的工件的压缩性能参数
从图6和表1可以看出，该非晶合金具有高的屈服强度，高达1767MPa，高的抗压强度，达到2541MPa，塑性达到34.2%，说明该非晶合金具有高的性能，可作为柔轮的替代材料。
从图7及图8可以看出，设计的柔轮模具可以通过吸铸的方法制造出柔轮毛坯，并且经过D8 ADVANCE型X射线衍射仪上进行XRD衍射分析，该柔轮毛坯为非晶合金。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金，其特征在于，按原子百分比计，其组分为：[Zr0.72-x(Cu0.59Ni0.41)0.28+x]88-yAl12+yREz，RE为稀土元素，其中x，y，z均为原子百分比， ±0.01≤x≤±0.3，±1≤y≤±3，0≤z≤0.2；RE为Y、Er，余为杂质；所述合金Zr、Cu、Ni、Al、Y纯度大于等于99.99%。
2.用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，包括盖子（1）、模具上模（2）、固定环（3）、模具下模（4）和芯子（5），其特征在于芯子（5）通过过盈配合与上模（2）连接，装有芯子（5）的上模（2）和下模（4）通过固定环（3）密闭连接，下模（4）相对于垂直面向外有一倾斜角α。
3.根据权利要求2所述的用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，，其特征在于盖子（1）外表面滚花，上开有直径为2mm小孔与吸铸连杆连接。
4.根据权利要求1所述的用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，其特征在于固定环（3）外表面滚花。
5.根据权利要求1所述的用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，其特征在于上模（2）底面有1个深度为0.8mm，宽为1.5mm的环形槽，2个对称分布直径为2mm的气孔，2个对称分布深度为0.8mm，长度为1.5mm的槽。
6.根据权利要求1所述的用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，其特征在于下模（4）相对于垂直面向外的斜角α为1.5°~2°。
7.根据权利要求1所述的用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的专用铜模，其特征在于盖子（1）和固定环（3）的材料为黄铜，上模（2）和下模（4）的材料为紫铜，芯子（5）的材料为石墨，或者紫铜，或者树脂砂。
8.用于锆基非晶柔轮毛坯的非晶合金的制备方法，其特征在于，其步骤为：
（1）按照权利要求1所述的配比，将配好的母合金原料放入氩气保护的水冷铜坩埚磁悬浮感应熔炼炉，采用每30s增加0.1Kw熔炼功率的方式对合金块体原料进行熔炼；
（2）当块体原料完全熔化后，每30s增加0.5Kw熔炼功率，直到将熔炼功率增加至所需功率，将系统在此功率下保温一分钟，然后直接卸载功率至零，让合金锭子随坩埚一同冷却至常温后取出，为保证合金熔炼均匀，反复熔炼3次及以上；
（3）吸铸时，先将芯子（5）预热排出其中的水分，之后通过过盈配合使芯子（5）和上模（2）连接，然后在上下模分型面之间用硅脂密封，保证具有良好的气密性，通过固定环（3）固定上模（2）和下模（4），最后拧上盖子（1），通过盖子（1）最上端的通气孔与吸铸连杆接通，通过调节吸铸压差和功率，制备该成分非晶柔轮毛坯，当吸铸压差在0.0525~0.06MPa，过热功率为10Kw，吸铸功率在6.5~7.5Kw时，得到的非晶柔轮铸件。
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