非晶轴体的制作方法

本实用新型属于金属复合材料领域，具体涉及一种包含非晶态合金的轴体以及该轴体的制备方法。

背景技术：

轴体是一种常用机械部件，是穿在如轴承、车轮、齿轮等结构制件中间的一种结构制件，多为圆柱形，少部分为方形，是用于支承转动零件并与之一同回转用以传递运动、扭矩或者婉拒的机械零件。由于在工作过程中往往需要承受剪切、冲击、拉伸、折弯等多种受力状态，如各种减速器中的轴，轴体制件所选用的材料必须具有高的强度和扭转刚度，同时还需要具有良好的综合力学性能。随着工业化不断进步，在越来越多的应用领域中，如航空航天领域，考虑到续航能力、能耗和便携性等的需求，提出了更高的轻量化的要求，也就提出了让结构制件的质量更小或者在相同质量下具备更高的力学性能的要求。

现有技术中用作制备轴制件的原料往往选用高强度钢材、钛合金、铝合金材料。钢材的强度和硬度高，耐腐蚀能力强，缺点是密度大、制件往往较重，无法实现轻量化，而质量较轻的铝合金制件则耐磨耐蚀性差，各项强度不足，钛合金的性能则处于两者之间，密度适中、强度和耐蚀性与钢材不相上下，但是从成本和加工性上考虑又难以广泛应用，而且在复杂环境或者要求较高的环境中，钛合金仍旧难以满足要求。

非晶合金材料是近年来得到广泛认同的新型金属材料，因具有短程有序长程无序的原子结构而具有比传统金属材料更加优异的力学性能。非晶合金具有优异的铸造性能、熔点低，具有比常规金属材料和塑胶材料更低的收缩率，而且由于内部微观结构为非晶态，成型过程避开了结晶过程，非晶合金内部微观结构中没有成分偏析和晶粒不均所带来的性能差异，故可获得优异的宏观机械性能，同时还具有强的耐蚀性耐磨性。非晶合金的优异性能提供了其作为取代现有技术中的常规金属材料的可能性，尤其非晶合金的各项特性均符合轴体材料的要求。

然而非晶合金作为轴体材料的应用还存在以下问题：

1、非晶合金尽管强度硬度高，但是脆性比钢材、钛合金、铝合金高，完全利用非晶合金制成的轴体制件不易抵挡剪切强度。

2、非晶合金材料相比常规金属材料成本略高。

技术实现要素：

为了解决所述上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种包含有非晶合金材料的轴体，并提供了一种制备上述轴体的方法，利用本实用新型中的方法制备出的轴体强度高、韧性好，能够适应作为轴制件应用。

本实用新型所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本实用新型中提供一种轴体，包括基材及芯材，所述基材包裹芯材组成轴体，所述基材为非晶合金，所述芯材为非非晶合金的金属材料；所述芯材包括柱形主体部分以及主体部分上的凸起部或凹陷部。

进一步地，所述芯材为钢材、钛合金、铜合金或者铝合金中的一种。

进一步地，设芯材柱形主体部分半径为a，轴体半径与芯材柱形主体部分半径之差为b，芯材凸起部长度为P，芯材凹陷部深度为Q，则0.05<P：（a+b）<0.4,0.05<Q：（a+b）<0.4，0.08<P：b<0.8，0.08<Q：a<0.8。

进一步优选，设芯材柱形主体部分半径为a，轴体半径与芯材柱形主体部分半径之差为b，芯材凸起部长度为P，芯材凹陷部深度为Q，则0.1<P：（a+b）<0.2,0.1<Q：（a+b）<0.2，0.4<P：b<0.5，0.2<Q：a<0.5。

进一步地，0.1<a：b<10。

进一步地，所述非晶合金的组成为Zr_aHf_bTi_cCu_dNi_e Al_f Nb_g，a、b、c、d、e、f、g为组分原子摩尔百分含量，其中50≤a≤56、0.5≤b≤1、3≤c≤5、11≤d≤14、11≤e≤14、3≤f≤5、11≤g≤15。

本实用新型中还提供一种制备上述轴体的方法，包括如下步骤：

S01：预制包含柱形主体部分以及主体部分上的凸起部或凹陷部的芯材以及与之相适配的轴体成型模具；

S02：将芯材固定于成型模具中；

S03：将熔化的非晶合金熔液注射于成型模具中，冷却后，非晶合金包裹芯材形成非金合金体，即制得所需轴体。

进一步地，S03步骤中，非晶合金的熔炼过程在保护气体或者真空条件下进行，控制非晶合金熔液中氧含量低于1000ppm。

进一步地，S03步骤中，以体积计，非金合金体内晶化相含量占非金合金体总体的20%以上。

进一步优选，S03步骤中，以体积计，非金合金体内晶化相含量占非金合金体总体的80-90%。

本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型中的非晶合金材料与非非晶合金材料制成的复合轴体耐腐蚀性高、耐磨性高，对比单一非非晶合金材料制成的轴体其剪切、抗弯、冲击强度均有大幅度的提升。

2、在轻量化方面，本实用新型中的非晶合金材料与钢材复合制成复合轴体能大幅降低轴体质量，非晶合金材料与质量较轻的铝合金、钛合金制成复合轴体时，在相同的强度要求下，也能够减少轴体质量。

3、对比完全由非晶合金材料制成的轴体，本实用新型中制成的复合轴体成本更低，且由于具有常规金属材料作为芯材而具有良好的韧性，符合优良轴体制件的要求。

附图说明

图1为本实用新型中非晶轴体的结构示意图之一；

图2为本实用新型中非晶轴体的结构示意图之二；

图3为图2中A-A截面剖面示意图；

图4为本实用新型中非晶轴体的结构示意图之三。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明。

如附图1所述为本实用新型中复合轴体的一种结构，包括基材101和芯材102，基材包裹芯材组成轴体本身，基材101为非晶合金材料，芯材102则选用非非晶合金的金属材料，芯材102由柱形的主体部分以及主体部分上的凸起部103组成。芯材上除了凸起部，还可设有凹陷部，如附图4中的304。附图2为复合轴体的另一种结构，比附图1中的复合轴体，除了具有基材201以外，还设有芯材202，其芯材202两端均设有凸起部203。附图4则为另一种结构，除了基材301外，其芯材302一端设有凸起部303，另一端则设为凹陷部304。

芯材的原材料即可选用现有技术中的常见轴体材料，如各类钢材、钛合金或者铝合金等，选材根据具体情况而定。

非晶合金材料与非非晶合金材料在复合制备成轴体并进行实际应用的过程中主要面临以下问题：

（1）两种不同材料制成复合件以后，相接触相界面之间的连接强度能否符合轴体材料应用的要求；

（2）两种不同材料在复合过程中，由于收缩率、熔点等参数有异，如何在制备复合轴体的工艺中避免由于上述材料参数的差异造成的问题。

本实用新型中在芯材上设置凸起部或者凹陷部，或者两者同时设立即可解决上述问题。芯材上的凸起部或者凹陷部形状、深度可根据需求进行设计，从加工难易程度考虑，设为普通的圆孔状或者方孔状凸起或者凹陷即可，无需额外增加加工芯材形状的难度，利用普通的CNC或者其他机械加工手段即可完成型材形状的加工。凸起部或者凹陷部能够有效增强非晶合金材料与非非晶合金芯材复合成型后的连接强度，同时凸起部和凹陷部在轴体加工过程中也为芯材提供了一定的形变余裕，使芯材在加工过程中被非晶合金熔液包裹时主体柱体部分形变量小，从而不会影响整体轴体整体的尺寸精度。

从加工可行性和复合轴应用可行性上考虑，对芯材与基材之间的受力进行模拟运算，如附图3、4所示，设芯材柱形主体部分半径为a，轴体半径与芯材柱形主体部分半径之差为b，芯材凸起部长度为P，芯材凹陷部深度为Q，则0.05<P：（a+b）<0.4,0.05<Q：（a+b）<0.4，0.08<P：b<0.8，0.08<Q：a<0.8。

优选地，0.1<P：（a+b）<0.2,0.1<Q：（a+b）<0.2，0.4<P：b<0.5，0.2<Q：a<0.5。

优选地，0.1<a：b<10该范围最佳。非晶合金基材与非非晶合金芯材的用量也需进行控制，基材过多尽管能够增大强度硬度，但是柔韧性会降低，且轴体质量提升，基材过少则无法达到满意的使用强度。同时，两者的配比也会影响到复合轴体在使用过程中，两相界面之间的结合强度。

在本实用新型中，优选非晶合金的组成为Zr_aHf_bTi_cCu_dNi_e Al_f Nb_g，a、b、c、d、e、f、g为组分原子摩尔百分含量，其中50≤a≤56、0.5≤b≤1、3≤c≤5、11≤d≤14、11≤e≤14、3≤f≤5、11≤g≤15。锆基非晶合金强度高硬度高，机械性能好，加工成型性能好，能够制成各种不同形状的包裹基材，对于结构复杂的轴体也能够轻松成型。

本实用新型中复合轴体的制备方法为：

S01：预制包含柱形主体部分以及主体部分上的凸起部或凹陷部的芯材以及与之相适配的轴体成型模具；

S02：将芯材固定于成型模具中；

S03：将熔化的非晶合金熔液注射于成型模具中，冷却后，非晶合金包裹芯材形成非金合金体，即制得所需轴体。该步骤中，可优选晶合金的熔炼过程在保护气体或者真空条件下进行，控制非晶合金熔液中氧含量低于1000ppm，以进一步提升非晶合金基材内部含氧量，使非晶合金基材更加紧密，机械性能更佳。进一步地，以体积计，非金合金体内晶化相含量占非金合金体总体的20%以上才能达到改善复合轴体机械性能的目的，将非晶合金基材本身所具有的优良机械性能转嫁至复合轴体中。优选地，以体积计，非金合金体内晶化相含量占非金合金体总体的80-90%最佳。

以下为具体制备过程的实施例：

实施例1

将铜合金（牌号H68）预制为主体直径为3mm带有深度0.8mm环状凹槽的圆柱体，凹槽的长度为1mm。将铜合金圆柱放置在压铸模具中，抽真空至10^-3Pa，将原子比为Zr52.5Ti25Cu12Ni13Al10的非晶合金母合金采用感应熔炼的形式加热到1100℃，之后采用压铸的形式压射到模具中，将铜合金圆柱包裹，然后在10³℃/s的冷却速度下冷却成型，形成外径6mm的圆柱轴体。

实施例2

将304不锈钢预制为主体直径为6mm带有高度1mm环状凸起的圆柱，凸起的长度为2mm。将不锈钢圆柱放置在压铸模具中，抽真空至10^-2Pa，将原子比为Zr55Al10Cu30Ni5的非晶合金母合金采用感应熔炼的形式加热到1000℃，之后采用压铸的形式压射到模具中，将不锈钢圆柱包裹，然后在10²℃/s的冷却速度下冷却成型，形成外径12mm的圆柱。

实施例3

将钛合金（牌号TC4）预制为主体直径为2mm带有深度0.4mm沿轴向凹槽的圆柱，凹槽的长度为0.8mm，宽度为0.2mm。将钛合金圆柱放置在吸铸模具中，抽真空至10^-4Pa，将原子比为Ti50Cu32Ni15Sn3的非晶合金母合金采用电弧熔炼的形式加热到1100℃，之后采用吸铸的形式吸铸到模具中，将钛合金圆柱包裹在内，然后在10⁴℃/s的冷却速度下冷却成型，形成外径7mm的圆柱。

实施例4

将钛合金（牌号TC4）预制为主体直径为4mm，带有深度0.5mm环状凸起的圆柱，凸起的长度为0.8mm。将钛合金圆柱放置在浇铸模具中，抽真空至10^-4Pa，将原子比为Zr55Cu13Ni8.5Al8.5Nb15的非晶合金母合金采用电弧熔炼的形式加热到1200℃，之后采用浇铸的形式浇铸到模具中，将钛合金圆柱包裹在内，然后在10³℃/s的冷却速度下冷却成型，形成外径6mm的圆柱。

实施例5

将铝合金（牌号6101）预制为主体直径为5mm，带有深度0.5mm环状凹槽的圆柱，凹槽的长度为0.5mm。将钛合金圆柱放置在喷涂模具中，抽真空至10^-4Pa，将原子比为Mg65Cu25Y10的非晶合金母合金采用电阻加热熔炼的形式加热到464℃，之后采用喷涂的形式喷涂到铝合金圆柱上中，将铝合金圆柱包裹在内在10⁴℃/s的冷却速度下冷却成型，形成外径5.5mm的圆柱。

实施例6

将铜合金（牌号H68）预制为主体直径为3mm带有深度0.8mm环状凹槽的圆柱体，凹槽的长度为1mm。将铜合金圆柱放置在压铸模具中，抽真空至10^-3Pa，将原子比为Zr54.8Hf0.7Ti3.5Cu14Ni13Al3Nb11的非晶合金母合金采用感应熔炼的形式加热到1100℃，之后采用压铸的形式压射到模具中，将铜合金圆柱包裹，然后在10³℃/s的冷却速度下冷却成型，形成外径6mm的圆柱轴体。

实施例中制得的轴体进行力学测试，对比例为对应的芯材材料制成的外径相同的轴体，即对比例1-6分别为：外径6mm的铜合金H68圆柱轴体、外径12mm的304不锈钢圆柱轴体、外径7mm的钛合金TC4圆柱轴体、外径6mm的钛合金TC4圆柱轴体、外径5.5mm的铝合金6101圆柱轴体、外径6mm的铜合金H68圆柱轴体。

上述实施例及对比例的力学性能根据弯曲试验和压缩试验的结果来表征，弯曲试验按照《YB/T 5349-2014 金属材料 弯曲力学性能试验方法》进行，压缩试验按照《GB/T 7314-2005 金属材料 室温压缩试验方法》进行。同时进行的还有中性盐雾试验，测试结果如下。

由上述测试结果可知，实施例中非晶合金材料与非非晶合金材料制成的复合轴体耐腐蚀性高、耐磨性高，对比单一非非晶合金材料制成的轴体其剪切、抗弯、冲击强度均有大幅度的提升。实施例中的复合轴体能大幅降低轴体质量，非晶合金材料与质量较轻的铝合金、钛合金制成复合轴体时，在相同的强度要求下，也能够减少轴体质量。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本实用新型实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型实施例技术方案的范围。