一种提高中空锥形非晶合金热稳定性和耐磨性的方法

摘要

本发明涉及一种提高中空锥形非晶合金热稳定性和耐磨性的方法，包括：设计制作制备中空锥形试样的铜模，制备中空锥形非晶合金试样，测试中空锥形非晶合金试样的性能，将制备的中空锥形非晶合金试样经过高压扭转变形，测试中空锥形非晶合金经过高压扭转变形后热力学和耐磨性性能。本发明制备了中空锥形非晶合金，并利用高压扭转技术对中空锥形非晶合金进行塑形变形，提高了中空锥形非晶合金的热稳定性以及耐磨性。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种提高中空锥形非晶合金热稳定性和耐磨性的方法。

(二)背景技术

非晶合金与晶体相比具有一些特殊的优良性能，如高强度、高韧性和高耐 蚀性等。中空锥形非晶合金因其形状的特殊性可广泛用于军事领域，而且非晶 合金材料在高速载荷的作用下具有非常高的动态断裂韧性，在侵彻金属时具有 良好的自锐性，是穿甲弹芯的首选材料之一。还可以将其应用于直喷汽油机中 空锥形燃油喷雾的喷头，汽车或者飞机发动机的发动机燃油喷头等等，尤其是 一些常规晶体金属及其合金不能够满足硬度、耐磨性或者腐蚀性等要求的特殊 场所。

目前，已有研究表明利用高压扭转技术可以提高晶体材料的性能。高压扭 转是在变形体轴向方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上施加 一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的特殊塑性变形工艺。利用 高压扭转技术已经对铝合金、钛合金、镍合金、纯铬、纯钛、纯铜和铜合金、 Co-NiO复合材料进行了研究，结果表明，这些材料经过高压扭转后其性能得到 了明显的改善。

(三)发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种提高中空锥形非晶合金热稳定性和 耐磨性性的方法；本发明的技术方案由以下几部分组成：1、设计制作制备中空 锥形试样的铜模；2、制备中空锥形非晶合金试样；3、测试中空锥形非晶合金 试样的性能；4、将制备的中空锥形非晶合金试样经过高压扭转变形；5、测试 中空锥形非晶合金经过高压扭转变形后热力学和耐磨性性能。

一种提高中空锥形非晶合金热稳定性和耐磨性的方法，包括如下步骤：

1、制备中空锥形铜模

中空锥形铜模采用纯铜制作：铜模a为两个完全相同的实心半圆柱体，两端 通过螺母将两个实心半圆柱体的竖切面无间隙啮合在一起；在每个实心半圆柱 体的竖切面上，最上部开始是一个小直径的半圆柱体空腔(冒口)；冒口下面是 半圆锥体空腔，用来形成锥形铸件；半圆锥体空腔下面是两个直径不同的半圆 柱空腔(起定位作用)；两个半圆柱体铜模对应组成完整的圆锥体和圆柱体空腔； 完整空腔与实心小铜模b啮合，铜模b上部分为实心圆锥体，下部为两个直径不 同的实心圆柱体；铜模b的圆锥体部分是铜模a圆锥体空腔部分的等比例缩小， 而圆柱体部分与铜模a的空腔直径相同；铜模a和铜模b圆锥体部分啮合形成的薄 壁圆锥体空腔即为所需的中空锥形铸件。

2、制备中空锥形非晶合金试样

第一步，制备母合金：按照设计的合金的原子百分比，将合金中的组元转 换成重量百分比wt.％，称取各组元量值，将按成分配比称量的金属材料放在电 弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼： 首先抽真空至10^-3Pa，然后充入氩气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续进 行电磁搅拌熔炼10秒钟，冷却，然后将其翻转，进行第二次熔炼，如此反复熔 炼至少3次，得到成分均匀的母合金锭；第二步，吸铸中空锥形合金试样：将上 述熔炼好的母合金锭置于石英管内，石英管一端与氩气相通，另一端有直径2mm 的小孔；管内通氩气保护，利用感应线圈加热的方式熔炼母合金，熔化后，开 启吹铸装置，同时断电，让合金熔体通过石英管的小孔吹入制备的铜模中，冷 却至室温，拆开铜模即可得到薄壁中空锥形合金。

3、测试中空锥形非晶合金试样的性能

中空锥形非晶合金的X射线衍射是在D/max-rB型X射线衍射仪上完成的。其 扫描范围可达5°～100°，扫描速度为4deg/min，步长为0.02°，Cu靶辐射，工作电 压和电流分别为40kV和120mA。中空锥形非晶合金的X射线衍射曲线通常表现 为有一个漫散射峰，而晶体材料则表现为衍射曲线上强度各不相同的明锐的衍 射峰。利用XRD曲线确定试样是否为非晶态合金。

同时，利用差示扫描量热仪测量试样的DSC，再利用滑动摩擦系统测试试样 的耐磨性性能。

4、将制备的中空锥形非晶合金试样经过高压扭转变形

利用高压扭转设备将制备的中空锥形非晶合金试样进行高压扭转变形，压 力20吨，扭转一周，扭转速度为1转/分钟。

5、测试经过高压扭转变形后中空锥形非晶合金试样的性能

利用差示扫描量热仪测量高压扭转变形后试样的DSC和滑动摩擦系统测试 耐磨性性能。测量结果表明经过高压扭转变形后中空锥形非晶合金的特征温度 提高，过冷液相区间增大，耐磨性提高。

本发明的创新点为：

制备了中空锥形非晶合金，并利用高压扭转技术对中空锥形非晶合金进行 塑形变形，提高了中空锥形非晶合金的热稳定性以及耐磨性。

本发明应用领域：中空锥形非晶合金在结构和性能上的特殊性使其在应用 方面具有广阔的前景，尤其是在军事领域。例如非晶合金材料在高速载荷的作 用下具有非常高的动态断裂韧性，在侵彻金属时具有良好的自锐性，是穿甲弹 芯的首选材料之一。还可以应用于直喷汽油机中空锥形燃油喷雾的喷头，汽车 或者飞机发动机的发动机燃油喷头等等，一些常规金属及其合金不能够满足硬 度、韧性或者腐蚀性要求下的特殊场所。

(四)附图说明

图1为铜模的AutoCAD图

图中：a图为铜模aAutoCAD图；b图为小铜模bAutoCAD图。

图2为高压扭转工作图及变形前后试样实物图；

图中：图a为高压扭转工作示意图；图b和图c分别为扭转变形前后的试 样实物图。

图3为中空锥形非晶合金试样高压扭转变形前后的XRD图。

由图3看出：两条XRD曲线都是弥散的峰，表明制备的试样变形前为非晶 态结构，而且经过高压扭转变形，结构成份没有变化，仍是非晶态结构。

图4为空锥形非晶合金试样高压扭转前后DSC图。

图4看出：在DSC图上可以清晰的看出，高压扭转前的玻璃转变温度是 385℃，晶化温度是463℃。高压扭转后，玻璃转变温度提高为390℃，晶化温 度提高为486℃。

图5为中空锥形非晶合金试样高压扭转前后磨损量对比图；

由图5看出：相同条件下，经过高压扭转后中空锥形非晶合金试样的磨损 量明显减少，表明高压扭转提高了中空锥形非晶合金的耐磨性。

(五)具体实施方式

1、制备中空锥形非晶合金试样

首先设计制作中空锥形铜模。说明书附图中图1即为设计的铜模。铜模分为 铜模a和铜模b两部分：铜模a为两个完全相同的实心半圆柱体，两端通过螺母将 竖切面无间隙啮合在一起。在实心半圆柱体竖切面上，上部是直径为5.49mm的 半圆柱体空腔(冒口)，下面是半圆锥体空腔(形成铸件)，紧接着是两个不同 直径的半圆柱体空腔(起定位作用)。两个半圆柱体铜模对应组成完整的圆锥体 和圆柱体空腔，与另一个实心小铜模b啮合，小铜模b圆锥体部分是圆锥体空腔 的等比例缩小，铜模a和铜模b形成的空腔即为铸件。

选用Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀合金。将原子百分比换算成质量百分比,按质量百 分比秤量Zr，Cu，Ni，Al混合料，分别放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用 非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼。首先抽真空至10^-3Pa，然后充入氩 气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续进行电磁搅拌熔炼10秒钟，冷却， 然后将其翻转，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少3次，得到成分均匀的 Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀合金锭；

利用设计制作的中空锥形铜模吹铸制备铸态试样。取上述熔炼好的适量的 Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al₁₀合金锭置于石英管内，石英管一端与气体相通，另一端有 直径2mm的小孔，管内通氩气保护。利用感应线圈加热的方式熔炼母合金，熔 化后，开启吹铸装置，同时断电，让合金熔体通过石英管的小孔充入铜模型腔 中，冷却至室温，得到需要的中空薄壁锥体试样。试样底面大直径19.8mm，高 14.0mm，壁厚1.2mm。(本发明不局限于此尺寸及其合金组分，但形状固定即中 空锥形，壁厚不固定。具体尺寸由实际需要确定)

2、测试中空锥形非晶合金试样性能

(1)取试样中间区域做XRD测试。如图3中变形前(a)所示，XRD曲线只 有一个弥散峰，表明制备的合金试样为完全非晶结构。

(2)差示扫描量热仪测量中空锥形非晶合金试样的DSC曲线。如图4所示， 根据曲线可确定中空锥形非晶合金试样的玻璃转变温度和晶化温度分别为 385℃，463℃。

(3)往复式滑动系统对中空锥形非晶合金试样进行耐磨性测试，在10N压 力，700m磨损长度条件下磨损量是9.89mg。

(4)对中空锥形非晶合金试样进行高压扭转变形，压力为20吨，扭转一周。 高压扭转工作示意图以及高压扭转前后试样实物图如说明书附图中图2所示，可 以看出经过高压扭转变形后试样的形状和尺寸没有明显变化。

(5)测量高压扭转变形后中空锥形非晶合金试样的XRD。方法如上所述(与 测量高压扭转前中空锥形非晶合金试样的方法一致)。XRD结果如图3中变形后 (b)所示，试样经过高压扭转变形后仍然为一个弥散峰，说明中空锥形非晶合 金试样的结构没有发生明显变化，仍然为非晶合金。

(6)测量高压扭转变形后中空锥形非晶合金试样的DSC。DSC的结果表明， 经过高压扭转变形后中空锥形非晶合金试样的特征温度提高，变形前玻璃转变 温度为385℃，晶化温度为463℃，变形后玻璃转变温度提高为390℃，晶化温度 提高为486℃，过冷区间从79℃提高到96℃，表明高压扭转变形提高了中空锥形 非晶合金试样的热稳定性。

(7)往复式滑动系统对经过高压扭转变形后的中空锥形非晶合金试样进行 耐磨性测试，在10N压力，700m磨损长度条件下磨损量是9.55mg，与变形前的 磨损量9.89mg相比明显降低，表明高压扭转变形提高了中控锥形非晶合金的耐 磨性能。

本次制备的非晶合金，选用的成分是Zr_64.13Cu_15.75Ni_10.12Al_10。但是本发明不仅 仅局限于此种成分的非晶，不局限于锆基。同时不局限于本次制备的试样尺寸， 尺寸根据实际需要进行调整，但是整体形状固定即薄壁中空锥形。可以换用其 他合适的成分，制备中空锥形非晶合金，满足不同的需要。