一種熱塑性擠壓制造Ce基非晶合金微小齒輪的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非晶態(tài)合金的成形應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種非晶合金微小齒輪的加工方法。
技術(shù)背景
[0002]自上個(gè)世紀(jì)六十年代非晶合金被發(fā)現(xiàn)以來，非晶態(tài)合金以其獨(dú)特的優(yōu)于普通合金的力學(xué)性能、磁學(xué)性能、抗腐蝕性能及良好的生物相容性，而具有極其廣泛的潛在應(yīng)用，并且受到了材料領(lǐng)域的極大關(guān)注。非晶態(tài)合金由于在加熱的過程中經(jīng)過玻璃化轉(zhuǎn)變后進(jìn)入過冷液相區(qū)，并在過冷液相區(qū)里呈現(xiàn)粘流態(tài)，能在很低的應(yīng)力下(2MPa左右)發(fā)生流動(dòng)，為其在將來的加工成型提供了很大的方便，而存在極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。另外，非晶合金在凝固的過程中具有較小的收縮，使其在精密成型技術(shù)上具有優(yōu)于普通合金鑄造性能。非晶態(tài)合金沒有晶界，具有光滑的表面和良好的抗腐蝕能力，在耐蝕合金、微機(jī)械制造領(lǐng)域也存在著潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前以Zr基非晶合金為材料，在400°C左右的加工溫度下，采用兩階段沖孔成形工藝方案，已經(jīng)可以在較小的載荷下獲得充型效果良好、輪廓清晰的精密帶輪毅直齒圓柱齒輪。
[0003]2005年，中國科學(xué)院物理所發(fā)現(xiàn)了鈰基合金具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使非晶合金的Tg降低到了 100°C以下，使得非晶態(tài)合金能像普通的聚合物工程塑料一樣可以在較低的溫度下發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，進(jìn)而可以很容易的進(jìn)行熱塑性成型，并把這個(gè)體系的合金取名為金屬塑料。非晶合金能像工程塑料一樣容易的進(jìn)行變形，而強(qiáng)度卻是工程塑料的幾倍甚是幾十倍。對于非晶合金的加工成型，其玻璃形成能力和過冷液相區(qū)的穩(wěn)定性是很關(guān)鍵的參數(shù)。本申請利用已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有較好玻璃形成能力和很低的過冷液相區(qū)的Ce7tlGa8.5&118.5附3非晶合金，在140°C的較低溫度下用熱塑性擠壓的方法制造微小齒輪。使金屬塑料在工程上的應(yīng)用有了進(jìn)一步的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于利用金屬塑料在過冷液相區(qū)的超塑性，通過熱塑性擠壓的方式獲得良好的充型性能，用以制造直徑在I毫米量級的齒輪零件。同時(shí)由于鈰基非晶合金具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低的特點(diǎn)，使得熱塑性擠壓過程能夠在很小的載荷(18N)和較低的溫度條件下進(jìn)行(在加熱到140°C附近進(jìn)行充型)，在節(jié)省能源的同時(shí)，降低了對成型機(jī)械的強(qiáng)度和耐熱性要求，從而降低工程實(shí)施的難度。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明熱塑性擠壓制造Ce基非晶合金微小齒輪的方法，其特點(diǎn)在于:將Ce基非晶合金在140°C下、以18N的載荷進(jìn)行熱塑性擠壓，即得Ce基非晶合金微小齒輪。
[0007]Ce基非晶合金熱塑性擠壓過程中的溫度和載荷的可控和量化利用DMA熱分析儀實(shí)現(xiàn)。所得Ce基非晶合金微小齒輪的外輪廓直徑在I毫米量級。
[0008]本發(fā)明熱塑性擠壓制造Ce基非晶合金微小齒輪的方法的具體步驟為:
[0009]設(shè)置玻璃模具，在所述玻璃模具中心通過光刻技術(shù)加工有齒輪形狀型腔；設(shè)置銅質(zhì)裝載容器，在所述裝載容器中心設(shè)置有通孔；將所述裝載容器放置在所述玻璃模具的上方，且使通孔中軸線與齒輪形狀型腔的中軸線對齊；在所述玻璃模具的下方放置一墊板，以封住齒輪形狀型腔下方；將Ce基非晶合金放入裝載容器的通孔中，然后將一壓頭伸入通孔中并壓住所述Ce基非晶合金，完成模具裝配；
[0010]將裝配完成后的模具放入DMA動(dòng)態(tài)熱分析儀中，向壓頭施加壓力，使Ce基非晶合金載荷為18N，以20°C /min的升溫速率升溫至120°C，然后以3°C /min的升溫速率升溫至140°C，保溫使Ce基非晶合金流動(dòng)變形，充滿齒輪形狀型腔，冷卻后取出，即獲得Ce基非晶合金微小齒輪。
[0011]本發(fā)明應(yīng)用的Ce基非晶合金是以純金屬鈰作為主要成分，其原子百分比組成可以用如下的公式表示:Ce7(lGa8.5Cu18.5Ni3^中所用原料中Ce金屬的純度不低于99%，Ga、Cu、Ni金屬的純度不低于99.9%。
[0012]Ce基非晶合金是通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的方法制備的，具體包括如下步驟:
[0013](I)母合金的制備:按照通式Ce7(lGa8.5Cu18.5Ni^需的原子配比，將所需金屬元素的質(zhì)量配好，通過氬氣保護(hù)電弧熔煉或者是其他的熔煉方法得到母合金鑄錠；
[0014](2)吸鑄:將步驟⑴中得到的母合金鑄錠重新熔化，利用電弧爐中的吸鑄裝置或者其他本行業(yè)內(nèi)可以利用的裝置，將母合金熔體鑄成一定形狀和尺寸的樣品或者制件。
[0015]任何合適的在保護(hù)氣氛條件下的非晶生產(chǎn)或鑄造技術(shù)，例如，噴鑄法、單輥或雙輥旋轉(zhuǎn)熔體法、平面流鑄造法、霧化制粉法等，都可以用來制備本發(fā)明中的Ce基非晶合金。
[0016]本發(fā)明提供的Ce基非晶合金的非晶特性和所含非晶相的體積分?jǐn)?shù)可以用多種已知的技術(shù)進(jìn)行確認(rèn)與估計(jì)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，采用日本理學(xué)D/MAX2500V衍射儀的Cu靶1射線對鑄態(tài)樣品進(jìn)行非晶結(jié)構(gòu)的檢測。類似地，可以用任何合適的方法對這些合金的熱性能進(jìn)行測量。例如，本發(fā)明的實(shí)施例中，用TA-Q2000差示掃描量熱儀在高純氬氣保護(hù)的氣氛下進(jìn)行樣品的熱分析測量，儀器的溫度與能量校正樣品是高純In和Zn，等溫和連續(xù)加熱的加熱速度為20°C /min。
[0017]按本發(fā)明所獲得的Ce基非晶合金是由單一的非晶相組成，其具有71K的過冷液相區(qū)寬度和351K的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，這里的過冷液相區(qū)寬度△ Tx定義為非晶合金晶化開始的溫度Tx和玻璃轉(zhuǎn)變開始溫度T g之差，這些熱力學(xué)數(shù)值是用標(biāo)準(zhǔn)差示掃描量熱儀以20K/min的加熱速度獲得的。
[0018]本發(fā)明用到的玻璃模具是石英玻璃，其上有用光刻制造的齒輪形狀型腔；本發(fā)明用到的約束裝置是銅質(zhì)的圓筒形裝載容器，用于固定非晶合金位置，并防止非晶合金擠壓過程中向其它方向流動(dòng)。在加工過程中玻璃模具、非晶合金、裝載容器一起置于數(shù)字化控溫的DMA動(dòng)態(tài)熱分析儀工作爐中。
[0019]本發(fā)明的熱塑性擠壓過程首先經(jīng)過加熱使工作環(huán)境溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的140°C (先以200C /min的速度升溫至120°C，再以3°C /min的速度升溫至140°C );隨后在此140°C的工作溫度下恒溫?cái)D壓，使該非晶合金以過冷液相流動(dòng)直至充滿整個(gè)齒輪形狀型腔。
[0020]本發(fā)明應(yīng)用到的超塑性變形的變形量超過60%。充型結(jié)束后經(jīng)冷卻降溫后取出，非晶合金完全充滿整個(gè)齒形型腔，所以本合金利用該種方法可以用于成形微小齒輪或其它復(fù)雜形狀的微小零件。
[0021]與以前的技術(shù)相比，本發(fā)明所應(yīng)用的合金以Ce為主要成分；本發(fā)明應(yīng)用的加工手段是熱塑性擠壓；本發(fā)明應(yīng)用DMA動(dòng)態(tài)熱分析儀來提供工作所需的條件；本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0022]1、本發(fā)明所應(yīng)用的Ce基非晶合金具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，能夠在較低的溫度條件下發(fā)生塑性變形，比使用目前應(yīng)用較多的Zr基非晶合金的熱塑性擠壓所需的工作溫度低，降低了對熱塑性擠壓設(shè)備的耐熱性要求；
[0023]2、本發(fā)明所應(yīng)用的Ce基非晶合金從加工溫度降溫至室溫的過程中的溫度差比用其它系合金的溫差小，有利于減少產(chǎn)品在降溫過程中的體積收縮；
[0024]3、本發(fā)明在進(jìn)行擠壓時(shí)只需要施加很小的載荷(18N)，比傳統(tǒng)鍛造方法所需的負(fù)載小得多(至少4個(gè)數(shù)量級)，為工業(yè)生產(chǎn)提供了極大的方便；
[0025]4、本發(fā)明所設(shè)置的加工溫度(140°C )能避免所用非晶合金的非晶相在加工過程中晶化，從而得到具有非晶相的產(chǎn)品，有利于保持非晶合金的強(qiáng)度；
[0026]5、本發(fā)明所設(shè)置的加工溫度(140°C )能夠使所用非晶合金具有足夠的流動(dòng)性，獲得很好的充型效果。
[0027]6、本發(fā)明突破了用傳統(tǒng)的齒輪范成法加工齒輪時(shí)對齒輪大小和齒數(shù)的限制，使微小齒輪零件的成型成為可能。
[0028]7、本發(fā)明應(yīng)用DMA動(dòng)態(tài)熱分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度和加載條件的可控、量化。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所應(yīng)用的Ce7tlGa8.5Cu18 5Ni#晶棒材的外觀照片，棒材的成分 -Ce70Ga8.5Cu18.5Ni3，直徑:2_。
[0030]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所應(yīng)用的Ce7tlGa8.5Cu18.5Ni#晶合金樣品的DSC跡線，加熱速率 20K/min。
[0031]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所應(yīng)用的Ce7tlGa8.5Cu18.5Ni#晶合金樣品的XRD圖譜，試驗(yàn)使用Cu靶的Ka射線，功率8kW，掃描速度:4° /min。
[0032]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1應(yīng)用的玻璃模具、裝載容器、非晶合金的裝配簡圖。
[0033]圖5為本發(fā)明所用玻璃模具的齒輪形狀型腔示意圖。
[0034]圖6為DMA動(dòng)態(tài)熱分析儀(DMA Q800)的密封工作爐。
[0035]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1在加工過程中的溫度記錄和擠壓變形量記錄。
[0036]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1在加工擠壓結(jié)束后的玻璃模具的型腔完全被非晶合金填充的圖像。
[0037]圖9為本發(fā)明實(shí)施例1制得的齒輪被放在手指上觀察的圖像。
[0038]圖10為本發(fā)明實(shí)施例1制得的齒輪被置于場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察的圖像。
[0039]圖11為本發(fā)明實(shí)施例1制得的非晶齒輪的XRD圖譜，試驗(yàn)使用Cu靶的Ka射線，功率8kW，掃描速度:8° /min。
[0040]圖12為以145°C作為設(shè)置溫度進(jìn)行擠出壓過后的物質(zhì)的XRD圖譜。
[0041]圖13為設(shè)置不同的工作溫度時(shí)擠壓變形量的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0042]實(shí)施例1
[0043]本實(shí)施例按如下步驟制備Ce基非晶合金微小齒輪:
[0044]1、首先制備 Ce 基非晶合金 Ce7tlGa8.5Cu18.5Ni3:
[0045]用純度為99.27 %的鈰和純度99.9 %以上的Ga、Cu和Ni，按照化學(xué)式
Ce7tlGa8.5&118.