非晶柔轮及其制备方法与流程

本发明涉及非晶合金结构件生产领域，具体涉及一种非晶柔轮及其制备方法。

背景技术

柔轮因其是谐波齿轮传动装置的主要部分而备受关注，鉴于普通钢材生产的柔轮刚度不够，寿命短的问题，目前研发人员渴望于寻找一种机械性能更为优异的材料代替普通钢材以生产柔轮。非晶材料具有高强度、优异的耐腐蚀性能、高的冲击断裂能、低的热膨胀系数、高硬度、高弹性等比传统材料更为优越的性能。如果能够利用这种材料制造柔轮，将可以提高柔轮的强度、弹性等机械性能，从而提高柔轮的使用寿命。

虽然非晶材料可以通过模锻、挤压、冲压、以及弯曲成型等多种方式成型；然而，由于柔轮结构的特殊性，使得采用非晶材料制备柔轮的方法受限，所制备的非晶柔轮的机械性能也受限。例如通过挤压、冲压、以及弯曲成型无法直接形成柔轮结构；而通过超塑性模锻法成型非晶柔轮时，由于非晶柔轮的模数较小，而齿轮比较密，这就使得齿轮部分成型会比较困难。

在中国发明专利申请cn201310404170.1中提供了一种谐波减速器柔轮的加工方法，该方法包括依次进行的下料工序、锻造整形工序、正火热处理工序、旋压工序、cnc车床车削工序、cnc铣床插齿工序及其冲压整形工序，冲压整形工序通过冲压机与冲压整形模具配合，冲压整形模具上模座、上垫板、上固定板、下模座、下垫板、下固定板、整形上模、定位柱、压板、胀紧环、胀紧环压板及锁紧螺丝，整形上模芯部开设整形内齿轮孔；压板卡持固定半成品柔轮固定部，定位柱、胀紧环、胀紧环压板及锁紧螺丝配合并固定半成品柔轮中心孔，整形内齿轮孔对外齿轮部轮廓进行整形。这种制造柔轮的方法，工序太多，工艺复杂，在生产制造中成本很高，而且这种方法也并不适用于非晶柔轮的制备。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足之一，提供一种非晶柔轮及其制备方法，以提高柔轮中齿轮部分硬度和强度。

为了实现上述目的，本发明提供一种非晶柔轮的制备方法，其中非晶柔轮包括齿圈部分和杯底部分，该制备方法包括：s1、以非晶合金为成形坯料，采用超塑挤压成型法形成所述齿圈部分；s2、以非晶合金为成形坯料，采用超塑性锻造成型法形成所述杯底部分；s3、将所述齿圈部分和所述杯底部分放入至扩散焊模具中，使得齿圈部分一侧开口与所述杯底部分的开口端对齐相接，通过扩散焊接将两者固定结合以形成所述非晶柔轮。

同时，在本发明中还提供了一种根据本发明所述的方法所制备获取的非晶柔轮。

应用本发明非晶柔轮及其制备方法，通过将柔轮中杯底部分和齿圈部分预先采用不同工艺进行制备，再通过扩散焊使两者固定连接以形成非晶柔轮，这种方法通过将柔轮的不同部位通过不同的工艺成型，不但能降低对于各步骤中模具的要求，而且能够简化工艺，节约加工时间，降低生产成本。而且通过将超塑性成型工艺与扩散焊接工艺相结合，还有利于进一步提高所制备的非晶柔轮的硬度和强度，进而延长该非晶柔轮的使用寿命。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了非晶柔轮的结构示意图；

图2示出了非晶柔轮中齿圈部分的结构示意图；

图3示出了非晶柔轮中杯底部分的结构示意图。

附图标记说明

10为非晶柔轮、11为齿圈部分、12为杯底部分。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

由背景技术部分可知，在现有技术中存在非晶柔轮力学性能较好，但难以成型的技术问题。针对于这一技术问题，在本发明中提供了一种非晶柔轮的制备方法，如图1至图3所示，该非晶柔轮包括齿圈部分11和杯底部分12，所述制备方法包括：s1、以非晶合金为成形坯料，采用超塑挤压成型法形成非晶的齿圈部分11；s2、以非晶合金为成形坯料，采用超塑性锻造成型法形成非晶的所述杯底部分12；s3、将所述齿圈部分11和所述杯底部分12放入至扩散焊模具中，使得齿圈部分11一侧开口与所述杯底部分12的开口端对齐相接，通过扩散焊接将两者固定结合以形成所述非晶柔轮。

根据本发明所述的方法，重点在于基于非晶柔轮不同位置结构不同，适用于的超塑成型工艺也不同的特点，将杯底部分12和齿圈部分11分别通过不同的工艺进行成型，并创造性的提出通过扩散焊接的方式将预成型的杯底部分12和齿圈部分11结合在一起。为此，在本发明中对于杯底部分12和齿圈部分11的成型方法可以没有特殊要求，根据杯底部分12和齿圈部分11的所需结构，选择适当的模具与工艺参数即可。需要说明的是通过超塑挤压成型的方式成型齿圈部分11，利用这种成型方式的精度高的特点，有利于提高齿圈部分11的精度和表面光洁度。

根据本发明所述的方法，为了适应于所述齿圈部分11的成型需要，并优化所制备的齿圈部分11的力学性能，优选情况下，所述s1包括：将所述成型坯料放入到超塑挤压成型模具中，在超塑挤压成型的条件下，升温至所述非晶合金的过冷液相温度区间，保温成型得到所述齿圈部分11；优选所述齿圈部分11的材质为锆基非晶合金，所述过冷液相温度区间为425-498℃。优选地，所述s1中超塑挤压成型的条件包括，真空度为5×10^-3-1×10^-2pa，挤压压力为10-20kn，应变速率为5×10^-4-1×10^-2s^-1，挤压时间为10-20min。

在本发明中术语“过冷液相温度区间”在非晶合金的tg～tx之间，其中tg为所述非晶合金的玻璃转变温度，tx为所述非晶合金的晶化开始温度。

根据本发明所述的方法，其中所提供的超塑挤压成型模具包括底座和圆柱形结构部，所述底座上形成有具有齿轮结构凹槽，所述圆柱形结构部形成在所述底座上具有齿轮结构的凹槽中，并与所述具有齿轮结构的凹槽同轴设置的向外延伸至高于所述底座上表面的位置，所述圆柱形结构部与所述具有齿轮结构的凹槽组合形成与所述齿圈部分11相匹配的型腔，在实际操作中，将该超塑挤压成型模具型腔开口端朝上设置，并在该超塑挤压成型模具上方安装内部具有通孔的装载容器，使得该装载容器套设在所述超塑挤压成型模具中圆柱形结构部外部，并使得由所述装载容器中通孔内部与所述圆柱形结构部外壁之间形成环形通孔与超塑挤压成型模具的型腔同轴设置，接着将所述非晶合金材料分散的放入所述环形通孔中，在超塑挤压成型条件下，使得压头(具有环形结构)沿所述环形通孔的内壁向下施压，进而使得非晶合金在超塑挤压成型模具的型腔中成型，以获得所需齿圈部分11。

根据本发明所述的方法，为了适应于所述杯底部分12的成型需要，并简化成型工艺，降低成型过程对于模具的需求，优选情况下，所述s2包括：将成形坯料置于超塑锻造成型模具中，升温至所述非晶合金的过冷液相温度区间，在超塑锻造成型的条件下，保温成型得到所述杯底部分12；优选所述杯底部分12的材质为锆基非晶合金，所述过冷液相温度区间为425-498℃。优选地，所述s2中在超塑锻造成型的条件包括：真空度为5×10^-3-1×10^-2pa，锻造压力为10-20kn，应变速率为5×10^-4-1×10^-2s^-1，锻造时间为10-20min。

根据本发明所述的方法，其中所采用的超塑锻造成型模具包括静模和动模，其中静模和动模合模后所形成的型腔与所述杯底部分12结构匹配。在实际操作中，将非晶合金放入到静模中，在超塑锻造的条件下，使得动模向下施压，以在动模和静模合模后形成所需的杯底部分12。

根据本发明所述的方法，基于非晶合金材料具有过冷液相温度区间的特点，使其在这一区间易于加工，而在本发明中正是利用了非晶合金材料的这一特点，将预成型的齿圈部分11和杯底部分12在对接的情况下，加热至非晶合金材料的过冷液相温度区间，再通过施加压力，使得焊接处的原子间相互渗透，进而结合在一起，并使得相结合的区域依然保持非晶结构。优选情况下，所述s3中扩散焊接处理的条件包括：升温至所述齿圈部分11和所述杯底部分12的材质的过冷液相温度区间，在对接压力为20-75mpa条件下进行扩散焊接。在优选情况下，所述齿圈部分11和所述杯底部分12的材质均为锆基非晶合金，所述s3中扩散焊接处理的条件包括：真空度为5×10^-3-1×10^-2pa，焊接温度为425-498℃，对接压力为20-30mpa，扩散焊时间为10-20min。

通过超声波探伤和金相分析可知，与采用常规方法(例如超塑挤压或超塑锻造)所制备的非晶合金材料相比，通过扩散焊接所形成的非晶合金材料的结合部分的致密度更高，其硬度和强度应该更具有优势。

根据本发明所述的方法，其中所采用的扩散焊模具包括齿圈固定模具和杯底固定模具，其中齿圈固定模具中包括与所述齿圈部分11结构匹配、且能够容纳所述齿圈部分11的型腔，以及用于定位的定位孔；所述杯底固定模具中包括与所述杯底部分12结构匹配、且能够容纳所述杯底部分12的型腔，以及与所述定位孔位置匹配的用于定位的定位柱。在实际使用中，将预成型的所述齿圈部分11装入所述齿圈固定模具的型腔中，其中齿圈部分11的待结合面高于所述齿圈固定模具的表面；同时将预成型的所述杯底部分12装入所述杯底固定模具的型腔中，其中杯底部分12的待结合面高于所述杯底固定模具的表面；在扩散焊条件下，促使所述杯底固定模具相对所述齿圈固定模具移动，使得齿圈部分11和杯底部分12扩散焊结合形成非晶合金柔轮。其中通过使得齿圈固定模具上定位孔与杯底固定模具上定位柱插接固定，以精确固定齿圈固定模具和杯底固定模具的相对位置。

根据本发明所述的方法，其中对于非晶合金材料的选用可以没有特殊要求，可以根据非晶合金的物性进行合理选择。基于锆基非晶合金具有高强度、优异的耐腐蚀性能、高的冲击断裂能、低的热膨胀系数、高硬度、高弹性等特点，在本发明中优选所述非晶合金材料为锆基非晶合金材料。更为优选的情况下，其中所述锆基非晶合金的通式为zraalbcucnidme，其中m为选自nb、sc、ta、ni、co、y、ag、fe、sn、hf、ti及稀土元素中的一种或几种元素；a、b、c、d、e为原子百分数，59≤a≤70，3.2≤b≤4，21.8≤c≤28，5≤d≤6，0≤e≤3。其中稀土元素为选自la、ce、nd和sm中的一种或几种元素。

根据本发明所述的方法，其中所述锆基非晶合金可以在任意适合的保护性气氛下、通过任意适用的非晶合金制备的常规方法形成，例如喷铸法、单棍或双棍旋转熔体法、平面流铸造法、雾化制粉法等。在一种具体的方法中，所述锆基非晶合金可以包括以下步骤：

(1)母合金的制备：按照通式zraalbcucnidme所需的原料配比，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式得到母合金铸锭；

(2)吸铸：将步骤(1)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，将母合金熔体组成一定形状和尺寸的样品或制件。

此外，在本发明中还提供了一种由根据本发明的方法所制备获得的非晶柔轮。这种非晶柔轮通过采用非晶合金制备获得，使其具有较好的致密度、硬度和强度，进而延长该非晶柔轮的使用寿命。为了进一步优化所制备的非晶柔轮的硬度和强度，优选情况下，所述非晶柔润的材质为锆基非晶合金，更优选所述锆基非晶合金的通式为zraalbcucnidme其中m为选自nb、sc、ta、co、y、ag、fe、sn、hf、ti及稀土元素中的一种或几种元素；a、b、c、d、e为原子百分数，59≤a≤70，3.2≤b≤4，21.8≤c≤28，5≤d≤6，0≤e≤3。其中稀土元素为选自la、ce、nd和sm中的一种或几种元素。

以下将结合具体实施例进一步说明本发明的有益效果。

实施例1

用于说明本发明非晶柔轮的制备方法。

(1)齿圈部分的制备方法：以zr65al4ni6cu25非晶合金作为成型坯料；在所述超塑挤压模具(包括底座和圆柱形结构部，具体结构参见前面关于超塑挤压模具的描述)上方同轴安装装载容器(装载容器套设在圆柱形结构部外周，且在装载容器和圆柱形结构部之间形成环形通孔)，将所述成型坯料装入所述环形通孔中；将套设有装载容器的超塑挤压模具放入至超塑挤压装置的真空腔中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至450℃，促使超塑挤压装置中压头(具有环形结构)以18kn压力沿所述环形通孔向下运行，将成型坯料压缩至超塑挤压模具内部型腔中，在应变速率为5×10^-3s^-1，挤压时间为18min的超塑挤压条件下成型，得到齿圈部分；

(2)杯底部分的制备方法：以zr65al4ni6cu25非晶合金作为成型坯料，将成型坯料加入至位于超塑性锻造装置内部的超塑性锻造模具的静模中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使超塑性锻造模具的动模(静模和动模合模后形成与杯底部分结构相匹配的型腔)以20kn压力向静模运行，在应变速率为5×10^-3s^-1，锻造时间为20min的超塑锻造条件下成型，得到杯底部分；

(3)非晶柔轮的制备方法：将前述预成型的齿圈部分装入齿圈固定模具的型腔(与齿圈部分的结构匹配)中，其中齿圈部分的待结合面高于所述齿圈固定模具的表面；将前述预成型的杯底部分装入杯底固定模具的型腔(与杯底固定的结构匹配)中，其中杯底部分的待结合面高于杯底固定模具的表面；将齿圈固定模具和杯底固定模具装入扩散焊装置中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使杯底固定模具以25mpa压力向齿圈固定模具运行，通过齿圈固定模具上定位孔与杯底固定模具上定位柱插接固定以使得预成型的齿圈部分和预成型的杯底部分对接，并在25mpa压力下扩散焊10min，得到非晶柔轮，该非晶柔轮记为s1。

实施例2

用于说明本发明非晶柔轮的制备方法。

(1)齿圈部分的制备方法：以zr66.5al3.2ni5cu22.5co2.8非晶合金作为成型坯料；在所述超塑挤压模具(包括底座和圆柱形结构部，具体结构参见前面关于超塑挤压模具的描述)上方同轴安装装载容器(装载容器套设在圆柱形结构部外周，且在装载容器和圆柱形结构部之间形成环形通孔)，将所述成型坯料装入所述环形通孔中；将套设有装载容器的超塑挤压模具放入至超塑挤压装置的真空腔中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使超塑挤压装置中压头(具有环形结构)以18kn压力沿所述环形通孔向下运行，将成型坯料压缩至超塑挤压模具内部型腔中，在应变速率为2×10^-3s^-1，挤压时间为18min的超塑挤压条件下成型，得到齿圈部分；

(2)杯底部分的制备方法：以zr66.5al3.2ni5cu22.5co2.8非晶合金作为成型坯料，将成型坯料加入至位于超塑性锻造装置内部的超塑性锻造模具的静模中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使超塑性锻造模具的动模(静模和动模合模后形成与杯底部分结构相匹配的型腔)以20kn压力向静模运行，在应变速率为2×10^-3s^-1，锻造时间为20min的超塑锻造条件下成型，得到杯底部分；

(3)非晶柔轮的制备方法：将前述预成型的齿圈部分装入齿圈固定模具的型腔(与齿圈部分的结构匹配)中，其中齿圈部分的待结合面高于所述齿圈固定模具的表面；将前述预成型的杯底部分装入杯底固定模具的型腔(与杯底固定的结构匹配)中，其中杯底部分的待结合面高于杯底固定模具的表面；将齿圈固定模具和杯底固定模具装入扩散焊装置中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使杯底固定模具以20mpa压力向齿圈固定模具运行，通过齿圈固定模具上定位孔与杯底固定模具上定位柱插接固定以使得预成型的齿圈部分和预成型的杯底部分对接，并在20mpa压力下扩散焊20min，得到非晶柔轮，该非晶柔轮记为s2。

实施例3

用于说明本发明非晶柔轮的制备方法。

(1)齿圈部分的制备方法：以zr68al3.5ni5.5cu21.8ti1.2非晶合金作为成型坯料；在所述超塑挤压模具(包括底座和圆柱形结构部，具体结构参见前面关于超塑挤压模具的描述)上方同轴安装装载容器(装载容器套设在圆柱形结构部外周，且在装载容器和圆柱形结构部之间形成环形通孔)，将所述成型坯料装入所述环形通孔中；将套设有装载容器的超塑挤压模具放入至超塑挤压装置的真空腔中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至470℃，促使超塑挤压装置中压头(具有环形结构)以18kn压力沿所述环形通孔向下运行，将成型坯料压缩至超塑挤压模具内部型腔中，在应变速率为8×10^-3s^-1，挤压时间为12min的超塑挤压条件下成型，得到齿圈部分；

(2)杯底部分的制备方法：以zr68al3.5ni5.5cu21.8ti1.2非晶合金作为成型坯料，将成型坯料加入至位于超塑性锻造装置内部的超塑性锻造模具的静模中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使超塑性锻造模具的动模(静模和动模合模后形成与杯底部分结构相匹配的型腔)以20kn压力向静模运行，在应变速率为8×10^-3s^-1，锻造时间为15min的超塑锻造条件下成型，得到杯底部分；

(3)非晶柔轮的制备方法：将前述预成型的齿圈部分装入齿圈固定模具的型腔(与齿圈部分的结构匹配)中，其中齿圈部分的待结合面高于所述齿圈固定模具的表面；将前述预成型的杯底部分装入杯底固定模具的型腔(与杯底固定的结构匹配)中，其中杯底部分的待结合面高于杯底固定模具的表面；将齿圈固定模具和杯底固定模具装入扩散焊装置中，抽真空至8×10^-3pa后，升温至460℃，促使杯底固定模具以30mpa压力向齿圈固定模具运行，通过齿圈固定模具上定位孔与杯底固定模具上定位柱插接固定以使得预成型的齿圈部分和预成型的杯底部分对接，并在30mpa压力下扩散焊10min，得到非晶柔轮，该非晶柔轮记为s3。

对比例1

以市售的40crnimoa合金为成型坯料，采用中国发明专利申请cn201310404170.1中提供了一种谐波减速器柔轮的加工装置与方法制备柔轮，所得到的柔轮记为d1。

测试：

硬度的测量方法：将实施例1-3制备过程中所形成的齿圈部分、杯底部分以及非晶柔轮s1-s3，以及对比例1所形成的柔轮d1在microhardnesstexthv1000维氏硬度测试机上进行测试(其中非晶柔轮s1-s3的测试点选在齿圈部分和杯底部分的结合部位)，测试过程中，压头重量为200克，加载时间为10秒，每种样品取三个数值，最后取其算术平均值，结果如表1所示；

拉伸强度(简称强度)的测试方法：将实施例1-3制备过程中所形成的齿圈部分、杯底部分以及非晶柔轮s1-s3，以及对比例1所形成的柔轮d1在拉伸强度测试仪上测试拉伸强度，结果如表1所示，其中在根据本发明非晶柔轮制备方法所制备的非晶柔轮s1-s3的拉伸强度测试过程中，断裂点往往产生在齿圈部分或杯底部分，而齿圈部分和杯底部分的结合区域依然保持完整。

表1.

由表1中数据可以看出，对照于根据对比例1中所制备的柔轮d1，采用根据本发明非晶柔轮制备方法所制备的非晶柔轮s1-s3的硬度和强度明显提高，更有利于提高非晶柔轮的适用环境和使用寿命。

同时，由表1中数据可以看出，与单独制备的齿圈部分和杯底部分相比，根据本发明非晶柔轮制备方法所制备的非晶柔轮s1-s3的硬度和强度明显提高，由此可见，通过扩散焊的方式形成非晶柔轮，有利于进一步提高非晶柔轮的硬度和强度，进而更有利于提高非晶柔轮的适用环境和使用寿命。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。