一种热塑性挤压制造Ce基非晶合金微小齿轮的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非晶态合金的成形应用领域，尤其涉及一种非晶合金微小齿轮的加工方法。
技术背景
[0002]自上个世纪六十年代非晶合金被发现以来，非晶态合金以其独特的优于普通合金的力学性能、磁学性能、抗腐蚀性能及良好的生物相容性，而具有极其广泛的潜在应用，并且受到了材料领域的极大关注。非晶态合金由于在加热的过程中经过玻璃化转变后进入过冷液相区，并在过冷液相区里呈现粘流态，能在很低的应力下(2MPa左右)发生流动，为其在将来的加工成型提供了很大的方便，而存在极大的潜在应用价值。另外，非晶合金在凝固的过程中具有较小的收缩，使其在精密成型技术上具有优于普通合金铸造性能。非晶态合金没有晶界，具有光滑的表面和良好的抗腐蚀能力，在耐蚀合金、微机械制造领域也存在着潜在的应用价值。目前以Zr基非晶合金为材料，在400°C左右的加工温度下，采用两阶段冲孔成形工艺方案，已经可以在较小的载荷下获得充型效果良好、轮廓清晰的精密带轮毅直齿圆柱齿轮。
[0003]2005年，中国科学院物理所发现了铈基合金具有较低的玻璃化转变温度，使非晶合金的Tg降低到了 100°C以下，使得非晶态合金能像普通的聚合物工程塑料一样可以在较低的温度下发生玻璃化转变，进而可以很容易的进行热塑性成型，并把这个体系的合金取名为金属塑料。非晶合金能像工程塑料一样容易的进行变形，而强度却是工程塑料的几倍甚是几十倍。对于非晶合金的加工成型，其玻璃形成能力和过冷液相区的稳定性是很关键的参数。本申请利用已经发现的具有较好玻璃形成能力和很低的过冷液相区的Ce7tlGa8.5&118.5附3非晶合金，在140°C的较低温度下用热塑性挤压的方法制造微小齿轮。使金属塑料在工程上的应用有了进一步的可能性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于利用金属塑料在过冷液相区的超塑性，通过热塑性挤压的方式获得良好的充型性能，用以制造直径在I毫米量级的齿轮零件。同时由于铈基非晶合金具有玻璃化转变温度低的特点，使得热塑性挤压过程能够在很小的载荷(18N)和较低的温度条件下进行(在加热到140°C附近进行充型)，在节省能源的同时，降低了对成型机械的强度和耐热性要求，从而降低工程实施的难度。
[0005]本发明解决技术问题采用如下技术方案:
[0006]本发明热塑性挤压制造Ce基非晶合金微小齿轮的方法，其特点在于:将Ce基非晶合金在140°C下、以18N的载荷进行热塑性挤压，即得Ce基非晶合金微小齿轮。
[0007]Ce基非晶合金热塑性挤压过程中的温度和载荷的可控和量化利用DMA热分析仪实现。所得Ce基非晶合金微小齿轮的外轮廓直径在I毫米量级。
[0008]本发明热塑性挤压制造Ce基非晶合金微小齿轮的方法的具体步骤为:
[0009]设置玻璃模具，在所述玻璃模具中心通过光刻技术加工有齿轮形状型腔；设置铜质装载容器，在所述装载容器中心设置有通孔；将所述装载容器放置在所述玻璃模具的上方，且使通孔中轴线与齿轮形状型腔的中轴线对齐；在所述玻璃模具的下方放置一垫板，以封住齿轮形状型腔下方；将Ce基非晶合金放入装载容器的通孔中，然后将一压头伸入通孔中并压住所述Ce基非晶合金，完成模具装配；
[0010]将装配完成后的模具放入DMA动态热分析仪中，向压头施加压力，使Ce基非晶合金载荷为18N，以20°C /min的升温速率升温至120°C，然后以3°C /min的升温速率升温至140°C，保温使Ce基非晶合金流动变形，充满齿轮形状型腔，冷却后取出，即获得Ce基非晶合金微小齿轮。
[0011]本发明应用的Ce基非晶合金是以纯金属铈作为主要成分，其原子百分比组成可以用如下的公式表示:Ce7(lGa8.5Cu18.5Ni3^中所用原料中Ce金属的纯度不低于99%，Ga、Cu、Ni金属的纯度不低于99.9%。
[0012]Ce基非晶合金是通过本领域普通技术人员公知的方法制备的，具体包括如下步骤:
[0013](I)母合金的制备:按照通式Ce7(lGa8.5Cu18.5Ni^需的原子配比，将所需金属元素的质量配好，通过氩气保护电弧熔炼或者是其他的熔炼方法得到母合金铸锭；
[0014](2)吸铸:将步骤⑴中得到的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置或者其他本行业内可以利用的装置，将母合金熔体铸成一定形状和尺寸的样品或者制件。
[0015]任何合适的在保护气氛条件下的非晶生产或铸造技术，例如，喷铸法、单辊或双辊旋转熔体法、平面流铸造法、雾化制粉法等，都可以用来制备本发明中的Ce基非晶合金。
[0016]本发明提供的Ce基非晶合金的非晶特性和所含非晶相的体积分数可以用多种已知的技术进行确认与估计。在本发明的实施例中，采用日本理学D/MAX2500V衍射仪的Cu靶1射线对铸态样品进行非晶结构的检测。类似地，可以用任何合适的方法对这些合金的热性能进行测量。例如，本发明的实施例中，用TA-Q2000差示扫描量热仪在高纯氩气保护的气氛下进行样品的热分析测量，仪器的温度与能量校正样品是高纯In和Zn，等温和连续加热的加热速度为20°C /min。
[0017]按本发明所获得的Ce基非晶合金是由单一的非晶相组成，其具有71K的过冷液相区宽度和351K的玻璃转变温度，这里的过冷液相区宽度△ Tx定义为非晶合金晶化开始的温度Tx和玻璃转变开始温度T g之差，这些热力学数值是用标准差示扫描量热仪以20K/min的加热速度获得的。
[0018]本发明用到的玻璃模具是石英玻璃，其上有用光刻制造的齿轮形状型腔；本发明用到的约束装置是铜质的圆筒形装载容器，用于固定非晶合金位置，并防止非晶合金挤压过程中向其它方向流动。在加工过程中玻璃模具、非晶合金、装载容器一起置于数字化控温的DMA动态热分析仪工作炉中。
[0019]本发明的热塑性挤压过程首先经过加热使工作环境温度达到预设的140°C (先以200C /min的速度升温至120°C，再以3°C /min的速度升温至140°C );随后在此140°C的工作温度下恒温挤压，使该非晶合金以过冷液相流动直至充满整个齿轮形状型腔。
[0020]本发明应用到的超塑性变形的变形量超过60%。充型结束后经冷却降温后取出，非晶合金完全充满整个齿形型腔，所以本合金利用该种方法可以用于成形微小齿轮或其它复杂形状的微小零件。
[0021]与以前的技术相比，本发明所应用的合金以Ce为主要成分；本发明应用的加工手段是热塑性挤压；本发明应用DMA动态热分析仪来提供工作所需的条件；本发明具有如下的优点:
[0022]1、本发明所应用的Ce基非晶合金具有较低的玻璃化转变温度Tg，能够在较低的温度条件下发生塑性变形，比使用目前应用较多的Zr基非晶合金的热塑性挤压所需的工作温度低，降低了对热塑性挤压设备的耐热性要求；
[0023]2、本发明所应用的Ce基非晶合金从加工温度降温至室温的过程中的温度差比用其它系合金的温差小，有利于减少产品在降温过程中的体积收缩；
[0024]3、本发明在进行挤压时只需要施加很小的载荷(18N)，比传统锻造方法所需的负载小得多(至少4个数量级)，为工业生产提供了极大的方便；
[0025]4、本发明所设置的加工温度(140°C )能避免所用非晶合金的非晶相在加工过程中晶化，从而得到具有非晶相的产品，有利于保持非晶合金的强度；
[0026]5、本发明所设置的加工温度(140°C )能够使所用非晶合金具有足够的流动性，获得很好的充型效果。
[0027]6、本发明突破了用传统的齿轮范成法加工齿轮时对齿轮大小和齿数的限制，使微小齿轮零件的成型成为可能。
[0028]7、本发明应用DMA动态热分析仪能够实现对温度和加载条件的可控、量化。
【附图说明】
[0029]图1为本发明实施例1所应用的Ce7tlGa8.5Cu18 5Ni#晶棒材的外观照片，棒材的成分 -Ce70Ga8.5Cu18.5Ni3，直径:2_。
[0030]图2为本发明实施例1所应用的Ce7tlGa8.5Cu18.5Ni#晶合金样品的DSC迹线，加热速率 20K/min。
[0031]图3为本发明实施例1所应用的Ce7tlGa8.5Cu18.5Ni#晶合金样品的XRD图谱，试验使用Cu靶的Ka射线，功率8kW，扫描速度:4° /min。
[0032]图4为本发明实施例1应用的玻璃模具、装载容器、非晶合金的装配简图。
[0033]图5为本发明所用玻璃模具的齿轮形状型腔示意图。
[0034]图6为DMA动态热分析仪(DMA Q800)的密封工作炉。
[0035]图7为本发明实施例1在加工过程中的温度记录和挤压变形量记录。
[0036]图8为本发明实施例1在加工挤压结束后的玻璃模具的型腔完全被非晶合金填充的图像。
[0037]图9为本发明实施例1制得的齿轮被放在手指上观察的图像。
[0038]图10为本发明实施例1制得的齿轮被置于场发射扫描电子显微镜下观察的图像。
[0039]图11为本发明实施例1制得的非晶齿轮的XRD图谱，试验使用Cu靶的Ka射线，功率8kW，扫描速度:8° /min。
[0040]图12为以145°C作为设置温度进行挤出压过后的物质的XRD图谱。
[0041]图13为设置不同的工作温度时挤压变形量的变化。
【具体实施方式】
[0042]实施例1
[0043]本实施例按如下步骤制备Ce基非晶合金微小齿轮:
[0044]1、首先制备 Ce 基非晶合金 Ce7tlGa8.5Cu18.5Ni3:
[0045]用纯度为99.27 %的铈和纯度99.9 %以上的Ga、Cu和Ni，按照化学式
Ce7tlGa8.5&118.