专利名称：离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法
技术领域：
本发明涉及块体非晶制备、材料表面改性两个领域，具体涉及一种离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法。
背景技术：
块体非晶合金因其独特的微观结构，具有晶态合金所无法比拟的机械性能，
如高强度、高硬度、高弹性、高的断裂韧性与耐蚀性，在航天航空、电子产品壳体、医疗器械和体育休闲用品等领域具有广泛的应用前景。特别是锆基非晶合金具有强大的玻璃形成能力和宽大的过冷液相区，能够利用不太复杂的设备较为容易地制备出质量很好的块体非晶合金，同时又显示出高抗拉强度，低的弹性模量、很高的冲击断裂韧性等非常优异的力学性能，故有很大的应用潜力。但已有研究表明，锆基块体非晶合金的显微硬度和耐磨性比成分相同的晶态合金的低。因此，在保持块体非晶合金基材优异的力学性能基础上，提高其耐磨性将大大地促进块体非晶合金的实际应用。
发明内容
针对现有块体非晶合金存在的不足，本发明提供一种离子注入法提高块体
非晶合金耐磨性能的方法。通过在块体非晶合金表面注入Co、 Mo、 Ti、 Cr或V离子，使块体非晶合金的耐磨性能得到改善。
本发明的技术方案是使用真空电弧熔炼、水冷铜模吸铸法制备块体非晶合金，将块体非晶合金表面打磨抛光后，用酒精清洗，然后放入金属离子注入机的真空室中，以40kV的电压、0.5- 2. OmA的束流和每平方厘米1 x 1016~ 1x 1017个离子数的剂量把离子注入到块体非晶合金表面，形成表面耐磨层。
所述的离子为Co、 Mo、 Ti、 Cr或V离子。
所述的块体非晶合金是锆基块体非晶合金。
本发明的一种离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法，其包括如下具体步骤
1) 将一定纯度的原料按所要求的成分进行配料，置于电弧炉中；
2) 对电弧炉抽真空，当达到一定的真空度后充入氩气等惰性气体至一个大气压，在惰性气体保护下先熔钛吸残余氧，再熔炼合金3-5次成母合金；
3) 然后把母合金移至水冷铜模上方的铜蚶埚中再次熔化成液体，利用压力差将合金液吸入到lxl0x70mm型腔的水冷铜模中，得到块体非晶合金；
4) 用MEVVA离子注入机以40kV的电压、0.5 ~ 2. OmA的東流和每平方厘米lxlO" ~ lxlO"个离子数的剂量把离子注入到块体非晶合金表面，形成表面耐磨层；
5) 用X射线衍射法表征该块体非晶合金离子注入处理前后的结构；
6) 用微型摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的摩擦系数义与往复滑行次数7;关系和平均摩擦系数/:。值；
7) 用往复式微动摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的瞬时摩擦系数X,.曲线；
8) 用扫描电镜表征该块体非晶合金离子注入处理前后的表面磨痕形貌。本发明采用离子注入技术来提高块体非晶合金耐磨性能具有如下优点
1) 处理后基体保持非晶态结构(如图l所示)，即保持块体非晶合金的优良性能；
2) 处理温度低，不改变工件原来的尺寸和表面粗糙度；
3) 注入层与基体非晶合金没有明显的分界面，结合牢靠；
4) 离子源和基体种类可以任意选择，且离子注入的能量和剂量精确可控；
5) 处理速度快，所以特别适合于质量要求高的小型零件的最后处理。
图1为Zr55Qi3oNi5Aln)块体非晶合金在注入Co或Mo离子前后的X射线衍射图谱。
图2为Zr55Cu3。Ni5Al1()块体非晶合金在注入Co或Mo离子前后的摩擦系数X
与往复滑行次数 ；关系。
图3为Zf55Cu3oNi5AlH)块体非晶合金未注入离子的瞬时摩擦系数/"曲线。
图4为Zr55Cu3。NisAlK)块体非晶合金在注入Co离子前后的瞬时摩擦系数,,曲线。
图5为Zr55Cu3QNi5Allf)块体非晶合金在注入Mo离子前后的瞬时摩擦系数/:;曲线。
具体实施方式
实施例1
步骤1:将纯度为99. 8%的Zr、纯度为99. 5%的Cu、纯度为99. 98%的Ni和纯度为99. 5%的Al按Zrs5Cu3。Ni5A"块体非晶合金进行配料，置于电弧炉中；
步骤2:对电弧炉抽真空，当达到3x10—3Pa的真空度后充入氩气至一个大气压，在氩气的保护下先熔钛吸残余氧，再熔炼合金3 5次成母合金；
步骤3:然后把母合金移至水冷铜模上方的铜坩埚中再次熔化成液体，利用压力差将合金液吸入到lxl0x70mm型腔的水冷铜模中，得到块体非晶合金；
步骤4:用MEVVA离子注入机以40kV的电压、1. 9mA的東流和每平方厘米7. OxlO"个离子数的剂量把Co离子注入到Zr5sCu3。Ni5A"块体非晶合金表面，形成表面耐磨层；
步骤5:用X射线衍射法表征该块体非晶合金离子注入处理后的结构；
步骤6:用微型摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的摩擦系数义与往复滑行次数7;关系和平均摩擦系数/ 值；
步骤7:用往复式微动摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理后的瞬时摩擦系数/。曲线；
步骤8:用扫描电镜表征该块体非晶合金离子注入处理后的表面磨痕形貌。实施例2
步骤1:将纯度为99. 8%的Zr、纯度为99. 5°/。的Cu、纯度为99. 98%的Ni和纯度为99. 5%的Al按Zr5sCu3。Ni5A"块体非晶合金进行配料，置于电弧炉中；
步骤2:对电弧炉抽真空，当达到3x10-3Pa的真空度后充入氩气至一个大气压，在氩气的保护下先熔钛吸残余氧，再熔炼合金3-5次成母合金；
步骤3:然后把母合金移至水冷铜模上方的铜坩埚中再次熔化成液体，利用压力差将合金液吸入到lxl0x70mm型腔的水冷铜模中，得到块体非晶合金；
步骤4:用MEVVA离子注入机以40kV的电压、0. 5mA的東流和每平方厘米1. Ox 10"个离子数的剂量把Mo离子注入到Zr5sCii3。Ni5A"块体非晶合金表面，形成表面耐磨层；
步骤5:用X射线衍射法表征该块体非晶合金离子注入处理后的结构；
步骤6:用微型摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的摩擦系数义与往复滑行次数t;关系和平均摩擦系数X。值；
步骤7:用往复式微动摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理后的瞬时摩擦系数厶曲线；
步骤8:用扫描电镜表征该块体非晶合金离子注入处理后的表面磨痕形貌。
实施例3
步骤1:将纯度为99. 8%的Zr、纯度为99. 5%的Cu、纯度为99. 98%的Ni和纯度为99. 5%的Al按Zr5sCu3。Ni5Ali。块体非晶合金进行配料，置于电弧炉中；
步骤2:对电弧炉抽真空，当达到3x10-3pa的真空度后充入氩气至一个大气压，在氩气的保护下先熔钛吸残余氧，再熔炼合金3 5次成母合金；
步骤3:然后把母合金移至水冷铜模上方的铜坩埚中再次熔化成液体，利用压力差将合金液吸入到lxl0x70mm型腔的水冷铜模中，得到块体非晶合金；步骤4:用MEVVA离子注入机以40kV的电压、1. 5mA的東流和每平方厘米2. 0 x 10"个离子数的剂量把Ti离子注入到Zrs5Cu3。Ni5A"块体非晶合金表面，形成表面耐磨层；
步骤5:用X射线衍射法表征该块体非晶合金离子注入处理后的结构；
步骤6:用微型摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的摩擦系数/￡与往复滑行次数 ；关系和平均摩擦系数L值；
步骤7:用往复式微动摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理后的瞬时摩擦系数二曲线；
步骤8:用扫描电镜表征该块体非晶合金离子注入处理后的表面磨痕形貌。
实施例4
步骤1:将纯度为99. 8%的Zr、纯度为99. 5%的Cu、纯度为99. 98%的Ni和纯度为99. 5%的Al按Zr5Ai3。NisAh。块体非晶合金进行配料，置于电弧炉中；
步骤2:对电弧炉抽真空，当达到3x10—3Pa的真空度后充入氩气至一个大气压，在氩气的保护下先熔钛吸残余氧，再熔炼合金3 5次成母合金；
步骤3:然后把母合金移至水冷铜模上方的铜坩埚中再次熔化成液体，利用压力差将合金液吸入到lxl0x70mm型腔的水冷铜模中，得到块体非晶合金；
步骤4:用MEVVA离子注入机以40kV的电压、0. 8mA的束流和每平方厘米5. OxlO"个离子数的剂量把Cr离子注入到Zr55Cu3。NU"块体非晶合金表面，形成表面耐磨层；
步骤5:用X射线衍射法表征该块体非晶合金离子注入处理后的结构；
步骤6:用微型摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的摩擦系数与往复滑行次数乙关系和平均摩擦系数L值；
步骤7:用往复式微动摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理后的瞬时摩擦系数厶.曲线；
步骤8:用扫描电镜表征该块体非晶合金离子注入处理后的表面磨痕形貌。实施例5
步骤1:将纯度为99. 8%的Zr、纯度为99. 5%的Cu、纯度为99. 98%的Ni和纯度为99. 5%的Al按Zrs5Cu3。Ni5Ali。块体非晶合金进行配料，置于电弧炉中；
步骤2:对电弧炉抽真空，当达到3xl0-3pa的真空度后充入氩气至一个大气压，在氩气的保护下先熔钛吸残余氧，再熔炼合金3 5次成母合金；
步骤3:然后把母合金移至水冷铜模上方的铜坩埚中再次熔化成液体，利用压力差将合金液吸入到lxl0x70mm型腔的水冷铜模中，得到块体非晶合金；
步骤4:用MEVVA离子注入机以40kV的电压、1. OmA的東流和每平方厘米8. OxlO"个离子数的剂量把V离子注入到Zr55Cii3。Ni5Al,。块体非晶合金表面，形成表面耐磨层；
步骤5:用X射线衍射法表征该块体非晶合金离子注入处理后的结构；
步骤6:用微型摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理前后的摩擦系数X与往复滑行次数t;关系和平均摩擦系数,。值；
步骤7:用往复式微动摩擦磨损仪测试该块体非晶合金离子注入处理后的瞬时摩擦系数,,曲线；
步骤8:用扫描电镜表征该块体非晶合金离子注入处理后的表面磨痕形貌。
表1为Zr55Cu3。NisA"块体非晶合金在载荷为1牛、滑行距离为3亳米、滑行速度每分钟为200亳米、往复滑行次数为200次条件下，注入Co或Mo离子前后的平均摩擦系数和磨痕宽度。
表1
试样状态平均摩擦系数平均磨痕宽度(—
铸态0. 20980. 4
注钴态0. 08560. 5
注钼态0. 06240. 权利要求
1、一种离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法，其特征在于该方法的步骤如下使用真空电弧熔炼、水冷铜模吸铸法制备块体非晶合金，将块体非晶合金表面打磨抛光后，用酒精清洗，然后放入金属离子注入机的真空室中，以40kV的电压，0.5～2.0mA的束流和每平方厘米1×1016～1×1017个离子数的剂量把离子注入到块体非晶合金表面，形成表面耐磨层。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述的离子为Co、 Mo、 Ti、Cr或V离子。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的块体非晶合金为锆 基块体非晶合金。
全文摘要
本发明公开了一种离子注入法提高块体非晶合金耐磨性能的方法，该方法使用真空电弧熔炼、水冷铜模吸铸法制备块体非晶合金，将块体非晶合金表面打磨抛光后，用酒精清洗，然后放入金属离子注入机的真空室中，以40kV的电压，0.5～2.0mA的束流和每平方厘米1×10<sup>16</sup>～1×10<sup>17</sup>个离子数的剂量把离子注入到块体非晶合金表面，形成表面耐磨层，显著地提高了其耐磨性；与传统的材料表面改性强化相比，本发明不仅能保持基体块体非晶合金的优良性能，表面耐磨层与基体结合牢固，而且处理速度快，处理后不改变工件原来的尺寸和表面粗糙度，特别适合于质量要求高的小型零件的最后处理。
文档编号C23C14/48GK101545096SQ20091003912
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者杨元政, 谢致薇, 陈先朝, 陶平均 申请人:广东工业大学