CN115572921B - 一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面改性技术领域，具体涉及一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用。该方法包括以下步骤：(1)冲击头的端面设计：一种超声冲击设备，所述超声冲击设备包括冲击头，且所述冲击头的端面进行织构化设计；(2)超声冲击处理工艺：利用所述超声冲击设备的冲击头对非晶合金的表面进行超声冲击处理。本发明一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法，即冲击头凸起部分因超声冲击提高了非晶合金的塑性，且凹下部分因未被直接冲击而保留了较高的硬度，从而构建强韧配合的非晶合金表面，进而显著提高非晶合金的摩擦学性能。同时，本发明操作简单，效率高，适用于各种尺寸、形状的零件加工，可以保证加工表面的质量要求。

Description

一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用
技术领域
本发明涉及合金表面改性技术领域，具体涉及一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用。
背景技术
非晶合金由于具有优异的高硬度和高强度，一般认为其具有良好的耐磨性。非晶合金还具有低杨氏模量和优异的耐腐蚀性。非晶态合金具有原子无序排布的特点，在交变载荷冲击下，原子位置发生变化，非晶合金的自由体积增加，合金体系具有更高的能量状态，进而实现非晶合金的年轻化。在力学性能上，年轻化非晶合金表现出更高的塑性。然而，高塑性的代价是降低了非晶合金的硬度，进而限制了其摩擦学性能的提升。
提高非晶合金耐磨性的传统有效方法有电解加工技术、电火花加工技术、激光表面微纳加工技术和振动冲击加工技术等。每种加工技术都有其独特的优势，但同时也存在一定的局限性。例如，电解加工技术和电火花加工技术均属于非接触式加工，加工材料范围广，加工时不会在材料的内部产生残余应力，但都存在着工具电极制造复杂、耗能、污染环境等问题；激光表面微纳加工技术具有高效、绿色、可控性强等优点，但其加工成本高，并且在加工过程中会产生一定的微观汽化和烧蚀作用，在微织构周围形成火山状的熔融物，从而影响织构表面质量和加工精度，会对材料的摩擦学性能造成不良影响；振动冲击技术虽然具有低成本、高效率的优势，但其过度依赖于高质量的机床性能，并且不适用于微小尺寸零件的加工。超声冲击处理是近几年来发展起来的一种新的非晶合金加工工艺，具有操作简单、设备轻便，适用范围广，绿色无污染，加工质量好等优点。但是普通的超声冲击处理只能提高非晶合金的塑性，其硬度由于受到超声冲击处理而降低。
因此，亟需提供一种可综合提高非晶合金摩擦学性能的超声冲击处理方法。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一，为此本发明提出一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法及应用，该方法易操作、高效率、适用范围广、绿色无污染、加工质量好且适用于提高非晶合金表面的耐磨性。
本发明的发明构思为：本发明基于超声冲击诱导非晶态合金年轻化的原理，同时基于织构化表面提升摩擦学性能的基础，提出织构化超声冲击提升非晶合金摩擦学性能的方法，冲击头设计为微凹坑织构化结构，有利于在超声处理后试样表面形成与冲击头相匹配的微织构，即冲击头凸起部分因超声冲击提高了塑性，凹下部分因未被直接冲击保留高硬度，构建强韧配合的非晶合金表面，进而显著提高非晶合金的摩擦学性能，而且织构化表面本身也具有提高摩擦学性能的作用。
本发明的第一方面提供一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法。
具体的，所述的方法包括以下步骤：
(1)冲击头的端面设计：一种超声冲击设备，所述超声冲击设备包括冲击头，且所述冲击头的端面进行织构化设计；
(2)超声冲击处理工艺：利用所述超声冲击设备的冲击头对平面结构的非晶合金进行超声冲击处理。
优选的，所述冲击头的形状为扁平状。
优选的，所述冲击头的直径为0.5-20mm。
进一步优选的，所述冲击头的直径为10mm。
优选的，所述冲击头的端面织构化设计为凹坑图形。
优选的，所述凹坑图形的直径为400-600μm，相隔100-300μm，深度1-20μm。
进一步优选的，所述凹坑图形的直径为500μm，凹坑图形之间相隔200μm，凹坑图形的深度为10μm。
优选的，所述超声冲击处理的方式为连续冲击。
优选的，所述连续冲击的角度为试样表面与冲击头之间的夹角，角度为60°-90°，超声频率为15-25KHz，超声功率为50W-2000W。
进一步优选的，所述连续冲击的角度为90°，超声频率为20KHz，超声功率为500W-1600W。
优选的，所述连续冲击的时间为1-80s。
进一步优选的，所述连续冲击的时间为5-30s。
本发明的第二方面提供一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法在钛基非晶合金中的应用。
具体的，所述应用包括以下步骤：
(1)钛基非晶合金的制备；
(2)冲击头的端面设计；
(3)超声冲击处理工艺。
本发明的第三方面提供一种超声冲击设备。
具体的，超声冲击设备应用在第一方面提供的一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法中。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明采用一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法，即冲击头凸起部分因超声冲击提高了非晶合金的塑性，且凹下部分因未被直接冲击而保留了较高的硬度，从而构建强韧配合的非晶合金表面，进而显著提高非晶合金的摩擦学性能。同时，本发明操作简单，效率高，适用于各种尺寸、形状的零件加工，绿色无污染，可以保证加工表面的质量和精度要求以及还可以获得加工表面良好的光洁度。
附图说明
图1为本发明中设计的超声冲击头端面织构化示意图；
图2为本发明实施例1中经超声冲击处理后的钛基非晶合金样品在室温空气环境下用常规的摩擦磨损测试方法得到的摩擦系数COF对比图；
图3为本发明实施例1中经超声冲击处理后的钛基非晶合金样品在室温空气环境下用常规的摩擦磨损测试方法得到的平均磨损量、平均摩擦系数对比图；
图4为本发明实施例2中经超声冲击处理后的钛基非晶合金样品在3.5％NaCl溶液中用常规的摩擦磨损测试方法得到的摩擦系数COF对比图；
图5为本发明实施例2中经超声冲击处理后的钛基非晶合金样品在3.5％NaCl溶液中用常规的摩擦磨损测试方法得到的平均磨损量、平均摩擦系数对比图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
钛基非晶合金的制备：纯度为99.99％的纯金属原料Ti、Zr、Cu、Ni和Be经过打磨、超声清洗后，按照表1中的元素比例配制。在高纯氩气气氛下，采用真空电弧熔炼炉熔炼母合金，为了保证成分均匀，将中间合金重复熔炼4次。将切割清洗打磨后的合金锭在石英管中通过感应加热重新熔化，然后注入铜模中制得125×90×2mm的Ti基非晶合金板。
表1钛基非晶合金的化学成分(质量百分比)
化学成分 Ti Zr Be Cu Ni
含量 32.85 30.21 22.66 9 5.28
在摩擦磨损测试中，使用CFT-I型摩擦磨损测试系统进行往复摩擦试验，选用摩擦副为直径6mm的ZrO2陶瓷球，试验在室温空气环境或3.5％NaCl溶液中进行，载荷为7或20N，滑动速度为1m/min，往复长度为5mm，时间为60分钟。对于每个载荷，测试重复三次。使用探针式轮廓仪扫描磨损轨迹，以获得磨损体积。
实施例1
一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法。
该方法为：
(1)冲击头的选择及其端面微织构处理：根据超声冲击工艺的原理，经过超声冲击处理后的样品表面形貌与所选超声冲击头端面的形状密切相关，因此选用扁平状冲击头并将在其底部端面进行织构化处理，冲击头的直径为10mm，冲击头端部微织构样貌为凹坑图形，凹坑直径500μm，凹坑图形之间相隔200μm，凹坑图形的深度10μm；
(2)超声冲击处理工艺参数优化：根据提高钛基非晶合金耐磨性的优化处理工艺，冲击方式为连续冲击工艺，冲击角度为90°，工作频率为20KHz，超声功率为520W，冲击时间为30s。
效果评定：在室温空气环境下用常规的摩擦磨损测试方法对织构化超声冲击处理前后的2mm厚的钛基非晶合金进行摩擦系数COF测试以及相应平均摩擦系数与平均磨损量测量，其结果如图2、图3所示。经过织构化超声冲击处理后的钛基非晶合金的平均摩擦系数为0.752，平均磨损量为0.193mm3。经织构化超声冲击处理后，钛基非晶合金摩擦系数及磨损量明显低于未经超声冲击处理相对应的数值，达到了减摩耐磨的效果。
实施例2
一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法。
该方法为：
(1)冲击头的选择及其端面微织构处理：根据超声冲击工艺的原理，经过织构化超声冲击处理后的样品表面形貌与所选超声冲击头端面的形状密切相关，因此选用扁平状冲击头并将其底部端面进行织构化处理，冲击头的直径为10mm，冲击头端部微织构样貌为凹坑图形，凹坑直径500μm，凹坑图形之间相隔200μm，凹坑图形的深度为10μm；
(2)超声冲击处理工艺参数优化：根据提高钛基非晶合金耐磨性的优化处理工艺，冲击方式为连续冲击工艺，冲击角度为90°，工作频率为20KHz，超声功率为520W，冲击时间为5s。
效果评定：在室温条件下用常规的摩擦磨损测试方法对织构化超声冲击处理前后的2mm厚的钛基非晶合金置于3.5％NaCl溶液中进行摩擦系数COF测试以及平均摩擦系数与平均磨损量测量，其结果分别如图4、图5所示：经过织构化超声冲击处理后的钛基非晶合金的平均摩擦系数为0.739，平均磨损量为0.021mm3。经织构化超声冲击处理后，钛基非晶合金摩擦系数及磨损量明显低于未经超声冲击处理相对应的数值，达到了减摩耐磨的效果。
对比例1(无织构化)
一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法。
该方法为：
(1)冲击头的选择：选用扁平状冲击头，冲击头的直径为10mm。
(2)超声冲击处理工艺参数优化：根据提高钛基非晶合金耐磨性的优化处理工艺，冲击方式为连续冲击工艺，冲击角度为90°，工作频率为20KHz，超声功率为520W，冲击时间为30s。
效果评定：在室温空气环境下用常规的摩擦磨损测试方法对无织构化的超声冲击处理后的2mm厚的钛基非晶合金进行摩擦系数COF测试以及相应平均摩擦系数与平均磨损量测量，其结果如图2、图3所示。经过无织构化超声冲击处理后，钛基非晶合金的平均摩擦系数为0.813，平均磨损量为0.202mm3。无织构化超声冲击处理后，钛基非晶合金摩擦系数及磨损量明显高于经织构化超声冲击处理相对应的数值，因此织构化超声冲击处理相比无织构化超声冲击处理达到了减磨耐磨的效果。
对比例2(无织构化)
一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法。
该方法为：
(1)冲击头的选择：选用扁平状冲击头，冲击头的直径为10mm。
(2)超声冲击处理工艺参数优化：根据提高钛基非晶合金耐磨性的优化处理工艺，冲击方式为连续冲击工艺，冲击角度为90°，工作频率为20KHz，超声功率为520W，冲击时间为5s。
效果评定：在室温条件下用常规的摩擦磨损测试方法对无织构化的超声冲击处理后的2mm厚的钛基非晶合金置于3.5％NaCl溶液中进行摩擦系数COF测试以及平均摩擦系数与平均磨损量测量，其结果分别如图4、图5所示：经过无织构化的超声冲击处理后，钛基非晶合金的平均摩擦系数为0.692，平均磨损量为0.025mm3。虽然经无织构超声冲击处理后钛基非晶合金摩擦系数低于实施例2经织构化的超声冲击处理，但是无织构超声冲击处理后钛基非晶合金的磨损量仍然高于织构化超声冲击处理的磨损量，因此织构化超声冲击处理相比无织构化超声冲击处理具有更好的耐磨效果。

Claims (3)

1.一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)冲击头的端面设计：一种超声冲击设备，所述超声冲击设备包括冲击头，且所述冲击头的端面进行织构化设计；
(2)超声冲击处理工艺：利用所述超声冲击设备的冲击头对平面结构的非晶合金进行超声冲击处理；
所述冲击头的形状为扁平状；
所述冲击头的直径为0.5-20mm；
所述冲击头的端面织构化设计为凹坑图形；
所述凹坑图形的直径为400-600μm，凹坑图形之间相隔100-300μm，凹坑图形的深度为1-20μm；
所述超声冲击处理的方式为连续冲击；所述连续冲击的角度为60°-90°，超声频率为15-25-kHz，超声功率为50W-2000W，时间为1-80s。
2.权利要求1所述的一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法在钛基非晶合金中的应用。
3.一种超声冲击设备，其特征在于，所述超声冲击设备应用在权利要求1中所述的一种提高非晶合金耐磨性的织构化超声冲击方法中。
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