CN112662962A

CN112662962A - 一种块体非晶合金紧固件及其制造方法

Info

Publication number: CN112662962A
Application number: CN202011387825.5A
Authority: CN
Inventors: 陈堂权
Original assignee: Changzhou Jingye Liquid Metal Co ltd
Current assignee: Changzhou Jingye Liquid Metal Co ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: CN112662962B

Abstract

本发明公开了一种块体非晶合金紧固件及其制造方法，一种块体非晶合金紧固件包括螺栓头和螺栓杆，所述螺栓头和螺栓杆由非晶合金制备，所述螺栓杆内中空，所述螺栓杆的壁厚为0.5～3mm；一种块体非晶合金紧固件的制造方法，包括步骤：熔炼原料、压铸成型、多级冷却、填充镶件、研磨。本发明利用非晶合金将紧固件设计成中空结构，降低壁厚，使其在压铸过程中易于形成非晶，扩展非晶合金产品的应用价值；使用多级冷却工艺增加非晶合金的韧性，防止非晶合金制备的紧固件强度太大，使用过程中崩裂与其接触的其它零件。

Description

一种块体非晶合金紧固件及其制造方法

技术领域

本发明涉及紧固件技术领域，具体为一种块体非晶合金紧固件及其制造方法。

背景技术

非晶合金材料具有高硬度、高强度、高耐磨、高弹性、高耐腐的优异性能，正是因为这种材料特点使非晶产品的应用非常的广阔。在化工领域中，关键机械零部件需要具备强的耐腐性和屈服强度，否则零件会因腐蚀问题和强度导致设备出现安全隐患。一般使用的耐腐材料是不锈钢316和碳钢或不锈钢加表面处理。但这些材料不具备同时具有高强度和高耐腐的特点。而块体非晶同时具有高强度和高耐腐的特性，但是在产品尺寸(厚度)制作上存在一定的限制，即目前为止，厚度超3mm的产品很难形成块体非晶结构，如果不是非晶就会失去非晶的高强度和高耐腐性能。因此如何将产品设计成壁厚3mm以下，使产压铸时不仅易于形成非晶，又能满足产品结构强度的方法变得很重要。

本发明提供一种块体非晶合金紧固件及其制造方法，用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种块体非晶合金紧固件及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种块体非晶合金紧固件，包括螺栓头1和螺栓杆2，所述螺栓头1和螺栓杆2由非晶合金制备，所述螺栓杆2内中空，所述螺栓杆2的壁厚为0.5～3mm。非晶合金材料具有高硬度、高强度、高耐磨、高弹性、高耐腐的优异性能,但是在产品尺寸(厚度)制作上存在一定的限制，即目前为止，厚度超3mm的产品很难形成块体非晶结构,本结构利用非晶合金将紧固件设计成中空结构，降低壁厚，使其在压铸过程中易于形成非晶，扩展非晶合金产品的应用价值，尤其可以解决化工领域机械紧固零件材料中难以同时具备高耐腐和高强度的问题。

优选的，所述螺栓杆2内设置有镶件3，设置镶件3使得本结构和传统结构的紧固件外形无变化，但是强度和耐腐蚀性能却有极大的提升，且在一定程度上提高了本结构的稳定性能。

优选的，所述非晶合金为锆基合金，所述锆基合金的成分按重量百分比计包括锆53～62％、铜12.3～14.2％、铁5.3～8％、镍12.1～14.3％、铌2.3～4.1％、钛余量。

优选的，所述镶件3由碳钢制备，镶件3也可以为不锈钢。

一种块体非晶合金紧固件的制造方法，包括步骤：

S1.熔炼原料；

S2.压铸成型；

S3.多级冷却；

S4.填充镶件；

S5.研磨。

优选的，还包括：S1.熔炼原料：将原料按照既定配比混合，粉碎，熔炼得到合金浇注液；

S2.压铸成型：将合金浇注液在真空状态下充入模具压铸得到坯件，真空下的无氧或少氧环境使非晶材料在压铸过程中具有更好的流动性和非晶形成能力；

S3.多级冷却：将S2得到的坯件进行冷却，包括

1)一级冷却，在1～10Pa的压力下冷却至280～350℃，冷却速度为10～30℃/s，保温保压时间为5～20s，

2)二级冷却,在常压下冷却至室温，冷却速度为25～32℃/s，保温保压时间为2～6s；

使用紧固件时，由于紧固件的强度较大，且紧固件可能会随着设备振动，紧固件和其它零件之间存在较大的咬合力，在该振动作用下，如果紧固件不具有一定的韧性，容易造成其它零件出现甭裂的情况，同样不适用于工业应用，因此紧固件需要具有一定的轻度、耐腐蚀性能的同时，还需要具有一定的硬度，本工艺使用多级冷却代替热处理的作用，增加非晶合金的韧性，防止非晶合金制备的紧固件强度太大，使用过程中崩裂与其接触的其它零件，即受到过大压力时，紧固件可以产生微小的型变，以此保护紧固件和其它零件。且该冷却方式形成均匀的形核，有利于非晶合金的形成。同时该冷却方式减少了工艺步骤，增加了效率，有利于加快生产节奏。

S4.填充镶件：将S3得到的坯件固定于压室内，注入碳钢浇注液压铸成型；

S5.研磨：1)水洗烘干，2)研磨反应，3)清洗。

优选的，所述S1熔炼原料包括：

1)将原料按照既定配比混合，粉碎；

2)将熔融室抽真空后充入氩气，真空度为10^-4torr，氩气占熔融室容积34～46％；

3)熔炼得到合金浇注液，熔炼温度为1000～2400℃，熔炼时间为30～180min。

熔炼过程处于一个无氧化反应的环境，避免了孔隙或者收缩的现象，避免了非晶合金在在压铸过程中出现氧化反应。

优选的，所述S2压铸成型的真空度为1～10Pa，压铸压力为20～80MPa，保压时间为8～14s。真空下的无氧或少氧环境使非晶材料在压铸过程中具有更好的流动性和非晶形成能力。

优选的，所述S5研磨包括：

1)水洗烘干，将S4得到的坯件在室温下水洗烘干；

2)研磨反应，将坯件置入研磨液处理，研磨液温度为22～45℃，反应时间为10～21min；

3)清洗，清洗残留液，清洗液为磷酸钠溶液6g/L。

传统的紧固件在紧密仪器上使用时，需要较高的精确度，否则容易出现卡顿废弃的情况，因此在需要提高紧固件的精度和顺滑度，本工艺公开的研磨过程降低产品胚件表面的粗糙度，使得紧固件的螺纹顺滑，以制备精密零件的紧固件，尤其在精密设备的应用中。

优选的，所述研磨液包括硫酸铵21～30g/L、亚硝酸钠0.7～1g/L、钨酸钠0.2～0.5g/L、脂肪醇聚氧乙烯0.4～0.5g/L。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明公开的中空的螺栓结构，降低了紧固件的壁厚，使其在压铸过程中易于形成非晶，适合非晶合金制备紧固零件，从而使紧固件同时获得高强度和高耐腐的特点，解决化工领域机械紧固零件材料中难以同时具备高耐腐和高强度的问题，扩展了非晶合金产品的应用价值；

2、本发明公开的紧固件的制备方法，在冷却阶段，使用多级冷却的方式，使得紧固件形成一定的韧性，防止非晶合金制备的紧固件强度太大，使用过程中崩裂与其接触的其它零件，即受到过大压力时，紧固件可以产生微小的型变，以此保护紧固件和其它零件。且该冷却方式形成均匀的形核，有利于非晶合金的形成。

3、本发明公开的紧固件的制备方法，在压铸成型阶段，真空或少氧环境结合合适的压铸压力等工艺，使得合金溶液在压铸过程中具有更好的流动性和非晶形成能力；

4、本发明公开的紧固件的制备方法，公开的研磨过程降低产品胚件表面的粗糙度，使得紧固件的螺纹顺滑，以制备紧密零件的紧固件，以适应更多的化工领域的机械紧固零件的使用场景。

5、本发明公开的工艺简单，步骤较少，相对于传统工艺，生产紧固件需要的设备更少，需要投入的成本减少，且减少了工艺步骤，则增加了效率，有利于紧固件的批量化生产。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种块体非晶合金紧固件方案一的结构示意图；

图2是本发明一种块体非晶合金紧固件方案二的结构示意图；

图中：1、螺栓头；2、螺栓杆；3、镶件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供方案一：一种块体非晶合金紧固件，包括螺栓头1和螺栓杆2，所述螺栓头1和螺栓杆2一体成型，螺栓头1和螺栓杆2由非晶合金制备，螺栓杆2内中空，螺栓杆2的壁厚为0.5～3mm。利用非晶合金将紧固件设计成中空结构，降低壁厚，使其在压铸过程中易于形成非晶。

非晶合金为锆基合金，锆基合金的成分按重量百分比计包括锆53～62％、铜12.3～14.2％、铁5.3～8％、镍12.1～14.3％、铌2.3～4.1％、钛余量。普通碳钢或不锈钢热处理以后的屈服强度约为700MPa，而非晶材料的屈服强度高达1400MPa以上，即使中空的结构也可以远远满足强度使用要求。

请参阅图2，本发明提供方案二：一种块体非晶合金紧固件，包括螺栓头1和螺栓杆2，螺栓头1和螺栓杆2由非晶合金制备，螺栓杆2内中空，螺栓杆2的壁厚为0.5～3mm。

非晶合金为锆基合金，锆基合金的成分按重量百分比计包括锆53～62％、铜12.3～14.2％、铁5.3～8％、镍12.1～14.3％、铌2.3～4.1％、钛余量。

螺栓杆2内设置有镶件3，所述镶件3和螺栓杆2固定连接，使得紧固件平整，不易形成死角。

镶件3由碳钢或不锈钢制备。

实施例1：一种块体非晶合金紧固件的制造方法，包括：

S1.熔炼原料：1)将原料按照既定配比混合，粉碎，2)将熔融室抽真空后充入氩气，真空度为10^-4torr，氩气占熔融室容积34％，3)熔炼得到合金浇注液，熔炼温度为1000℃，熔炼时间为30min；

S2.压铸成型：将合金浇注液在真空状态下充入模具压铸得到坯件，真空度为1Pa，进料压铸压力为20MPa，保压时间为8s；

S3.多级冷却：将S2得到的坯件进行冷却，包括1)一级冷却，在1Pa的压力下冷却至280℃，冷却速度为10℃/s，保温时间为5s，2)二级冷却,在常压下冷却至室温，冷却速度为25℃/s，保温时间为2s；

S5.研磨：1)水洗烘干，将S4得到的坯件在室温下水洗烘干，2)研磨反应，将坯件置入研磨液处理，研磨液温度为22℃，反应时间为10min，研磨液包括硫酸铵21g/L、亚硝酸钠0.7g/L、钨酸钠0.2g/L、脂肪醇聚氧乙烯0.4g/L，3)清洗，清洗残留液，清洗液为磷酸钠溶液6g/L。

得到壁厚为0.5mm的有镶件紧固件。

实施例2：一种块体非晶合金紧固件的制造方法，包括：

S1.熔炼原料：1)将原料按照既定配比混合，粉碎，2)将熔融室抽真空后充入氩气，真空度为10^-4torr，氩气占熔融室容积46％，3)熔炼得到合金浇注液，熔炼温度为2400℃，熔炼时间为180min；

S2.压铸成型：将合金浇注液在真空状态下充入模具压铸得到坯件，真空度为10Pa，压铸压力为80MPa，保压时间为14s；

S3.多级冷却：将S2得到的坯件进行冷却，包括1)一级冷却，在10Pa的压力下冷却至350℃，冷却速度为30℃/s，保温时间为20s，2)二级冷却,在常压下冷却至室温，冷却速度为32℃/s，保温时间为2～6s；

S5.研磨：1)水洗烘干，将S3得到的坯件在室温下水洗烘干，2)研磨反应，将坯件置入研磨液处理，研磨液温度为45℃，反应时间为21min，研磨液包括硫酸铵30g/L、亚硝酸钠1g/L、钨酸钠0.5g/L、脂肪醇聚氧乙烯0.5g/L，3)清洗，清洗残留液，清洗液为磷酸钠溶液6g/L。

得到壁厚为3mm的无镶件紧固件。

实施例3：一种块体非晶合金紧固件的制造方法，包括：

S1.熔炼原料：1)将原料按照既定配比混合，粉碎，2)将熔融室抽真空后充入氩气，真空度为10^-4torr，氩气占熔融室容积40％，3)熔炼得到合金浇注液，熔炼温度为1700℃，熔炼时间为100min；

S2.压铸成型：将合金浇注液在真空状态下充入模具压铸得到坯件，真空度为5Pa，压铸压力为50MPa，保压时间为11s；

S3.多级冷却：将S2得到的坯件进行冷却，包括1)一级冷却，在5Pa的压力下冷却至310℃，冷却速度为20℃/s，保温时间为12s，2)二级冷却,在常压下冷却至室温，冷却速度为29℃/s，保温时间为4s；

S5.研磨：1)水洗烘干，将S4得到的坯件在室温下水洗烘干，2)研磨反应，将坯件置入研磨液处理，研磨液温度为30℃，反应时间为16min，研磨液包括硫酸铵26g/L、亚硝酸钠0.85g/L、钨酸钠0.34g/L、脂肪醇聚氧乙烯0.45g/L，3)清洗，清洗残留液，清洗液为磷酸钠溶液6g/L。

得到壁厚为1.5mm的有镶件紧固件。

对比例1：常规的碳钢紧固件。

对比例2：和实施例1的区别在于将S3多级冷却的方式替换为常规的冷却方式；

对比例3：和实施例1的区别在于将S5研磨的工艺替换为常规的精打磨；

实验1：硬度检测，将直径为10mm的碳化钢球压入实施例1～5和对比例1～3的紧固件表面进行硬度检测，试验力为1500kgf；

实验2：屈服强度测试，用拉力试验机测试实施例1～3和对比例1～3的紧固件的屈服强度；

实验3：盐雾测试(耐腐蚀测试)，盐雾溶液为5％的氯化钠盐水溶液，溶液PH值＝6.5～7.2，以雾状喷于实施例1～3和对比例1～3的紧固件表面，和盐雾测试标准作对比；

实验4：韧性测试，使用电子拉力实验机折弯实施例1～5和对比例1～3的紧固件，紧固件产生1°弯曲变形时，使用电子显微镜观察裂纹，记录裂纹宽度；

实验5：顺滑测试，拿取实施例1得到的微型尺寸的紧固件和对比例1、3的紧固件各200件，进行旋入测试，记录旋入失败的件数；

根据实验1～5的数据，得到表1：

表1

由表1可知，实施例1～3的紧固件的硬度、屈服强度、耐腐蚀性能、韧性、顺滑性能均良好，而对比例1～3的紧固件的各项性能不能全部达标，尤其是对比例1的紧固件的全部性能均差于实施例1～3的紧固件，对比例2的韧性较差，不能达到设计要求，对比例3的顺滑性较差，在精密设备中使用时费件较多，成本增加，综述可知，本发明公开的紧固件的制备工艺能达到良好的效果，具有实用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种块体非晶合金紧固件，包括螺栓头(1)和螺栓杆(2)，其特征在于，所述螺栓头(1)和螺栓杆(2)由非晶合金制备，所述螺栓杆(2)内中空，所述螺栓杆(2)的壁厚为0.5～3mm。

2.根据权利要求1所述的一种块体非晶合金紧固件，其特征在于，所述螺栓杆(2)内设置有镶件(3)。

3.根据权利要求1或2所述的一种块体非晶合金紧固件，其特征在于，所述非晶合金为锆基合金，所述锆基合金的成分按重量百分比计包括锆53～62％、铜12.3～14.2％、铁5.3～8％、镍12.1～14.3％、铌2.3～4.1％、钛余量。

4.根据权利要求2所述的一种块体非晶合金紧固件，其特征在于，所述镶件(3)由碳钢或不锈钢制备。

5.一种块体非晶合金紧固件的制造方法，其特征在于，包括步骤：

S1.熔炼原料；

S2.压铸成型；

S3.多级冷却；

S4.填充镶件；

S5.研磨。

6.根据权利要求5所述的一种块体非晶合金紧固件的制造方法，其特征在于，还包括：

S1.熔炼原料：将原料按照既定配比混合，粉碎，熔炼得到合金浇注液；

S2.压铸成型：将合金浇注液在真空状态下充入模具压铸得到坯件；

S3.多级冷却：将S2得到的坯件进行冷却，包括

S4.填充镶件：将S3得到的坯件固定于压室内，注入碳钢或不锈钢浇注液压铸成型；

S5.研磨：1)水洗烘干，2)研磨反应，3)清洗。

7.根据权利要求5所述的一种块体非晶合金紧固件的制造方法，其特征在于，所述S1熔炼原料包括：

1)将原料按照既定配比混合，粉碎；

8.根据权利要求5所述的一种块体非晶合金紧固件的制造方法，其特征在于，所述S2压铸成型的真空度为1～10Pa，压铸压力为20～80MPa，保压时间为8～14s。

9.根据权利要求5所述的一种块体非晶合金紧固件的制造方法，其特征在于，所述S5研磨包括：

1)水洗烘干，将S4得到的坯件在室温下水洗烘干；

3)清洗，清洗残留液，清洗液为磷酸钠溶液6g/L。

10.根据权利要求9所述的一种块体非晶合金紧固件的制造方法，其特征在于，所述研磨液包括硫酸铵21～30g/L、亚硝酸钠0.7～1g/L、钨酸钠0.2～0.5g/L、脂肪醇聚氧乙烯0.4～0.5g/L。