專利名稱：一種采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種塊體非晶合金的新用途及使用方法，具體涉及一種采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，屬于材料領域。
背景技術：
表面粗糙度是表征物體表面微觀形貌最常用的參數(shù)，它的存在將會影響工件的配合性質(zhì)和零件的工作精度和強度，降低工件表面的抗腐蝕性，因此，檢測工件的表面粗糙度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要措施。表面粗糙度反映的是機械零件表面的微觀幾何形狀誤差，隨著機械加工行業(yè)的發(fā)展表面粗糙度測量技術也得到長足進步，特別是隨著計算機的普及和現(xiàn)代光學技術、激光應用技術的發(fā)展，使粗糙度測量技術在機械加工、光學加工、電子加工等精密加工行業(yè)中的地位顯得愈發(fā)重要，表面粗糙度已成為精密零件的重要技術參量，甚至是決定精密零件合格與否的決定參數(shù)之一。研究與開發(fā)表面粗糙度的高精度測量技術具 有重要的意義。表面粗糙度的測量方法基本上可分為接觸式測量和非接觸式測量兩類在接觸式測量中主要有比較法、印模法、觸針法等；非接觸測量方式中常用的有光切法、實時全息法、散斑法、像散測定法、光外差法、原子力顯微鏡(A FM)法、光學傳感器法等。在上述方法中，除印模法外，其他測試方法都直接針對測試對象，且現(xiàn)有的方法往往需要采用一些專門的光學或機械精密儀器來實現(xiàn)，其成本較高，操作不便，往往不易在現(xiàn)場使用。特別是針對成品機械裝備或機械零件較復雜區(qū)域，例如模具內(nèi)壁、深孔、凹槽等，難以進行表面粗糙度的測量。此外，材料是否導電、是否透明等也會制約測量方法的應用。而印模法是一種有效的離線解決方案，該技術是利用某些塑性材料作塊狀印模貼合在被測表面上，或采用熔融態(tài)的印模材料倒在材料上后冷卻，取下后印模上存有被測表面的輪廓形狀，然后對印模的表面進行測量，得出原來零件的表面粗糙度。傳統(tǒng)的印模材料往往采用石蠟、馬來樹膠、賽璐珞片、硫磺石墨混合物、低熔點合金、聚苯乙烯、樹脂等，原理是將印模材料熔化澆覆或者塑性壓印。但由于印模材料表面張力難以達到微小峰谷的底部；熔化澆覆時材料凝固會產(chǎn)生收縮；印模與待測零件熱膨脹系數(shù)的差異；且由于傳統(tǒng)印模材料在壓印前后都是軟塑性材料，在剝離時容易粘連脫落甚至發(fā)生變形。這些原因都會導致印模法測量工件粗糙度時測量失真。因此傳統(tǒng)材料由于其本身性質(zhì)制約，難以實現(xiàn)高精度的印模。塊體非晶合金(金屬玻璃)是一類新型材料，常溫下它具有一系列不同于普通晶態(tài)合金的優(yōu)異性能，如高強度、高硬度、良好的耐腐蝕性等，使其具有廣闊的應用前景。新型塊體非晶合金往往具有較寬的過冷液相區(qū)寬度Λ Tx = Tx - Tg，式中Tx為晶化溫度，Tg為玻璃轉(zhuǎn)變溫度，在Tglx的過冷液相區(qū)溫度范圍內(nèi)塊體非晶合金具有超塑性，可以像塑料一樣對其進行熱塑成形，同時塊體非晶合金冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg以下時，又會擁有遠超傳統(tǒng)金屬材料的高強度高硬度的特點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用塊體非晶合金材料作為印模材料測定表面粗糙度的方法，該方法能實現(xiàn)對樣品表面形貌高精度的復制。本發(fā)明原理本發(fā)明采用塊體非晶合金新材料作為印模材料來測量金屬或陶瓷工件表面粗糙度，特別是對于除印模法外其他方法較難測量的模具內(nèi)壁、深孔、凹槽內(nèi)表面粗糙度等。非晶合金在其玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和晶化溫度之間Tx的過冷液相區(qū)寬度ATx=Tx-Tg范圍內(nèi)具有超塑性，可以進行熱塑成型。將非晶合金加熱至其過冷液相區(qū)溫度范圍(TgIx)內(nèi)對金屬或陶瓷工件進行印模，可以對工件表面形貌實現(xiàn)高精度的、原子尺度級別的形狀“復制”，同時非晶合金印模冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚姸鹊膭傂圆牧?，可以使材料粗糙度信息長期保存而不失真。實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案為一種采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，包括以下步驟
步驟I.選擇玻璃轉(zhuǎn)變溫度為60°c <Tg<400°C，過冷液相區(qū)寬度Λ Tx>30°C的塊體非晶合金材料；
步驟2.將非晶合金材料加熱至其過冷液相區(qū)溫度(即Tglx)范圍之間，用非晶合金作為印模對待測樣品進行壓印，待印模冷卻后剝離；
步驟3.測定非晶合金印模的表面粗糙度。步驟I中所述的塊體非晶合金可采用采用熔體急冷法、銅模鑄造法、水淬法或機械合金化法制備。步驟I中所述的非晶合金材料優(yōu)選Au基、Pd基、稀土基或Pt基?？蓪Σ襟E2中所述的待測樣品進行加熱，加熱溫度控制在過冷液相區(qū)溫度范圍內(nèi)。步驟2所述的加熱采用油浴法或感應加熱法，所述的壓印擠壓壓力O. 05_10MPa。步驟3中所述的表面粗糙度的測定采用光切法。本發(fā)明與現(xiàn)有的測定表面粗糙度的技術相比，其顯著優(yōu)點是
1.對待測材料性質(zhì)要求低，如導電性、光透性、硬度等；
2.印模法對復雜工件的深孔、凹槽、模具內(nèi)壁等也可測量表面粗糙度；
3.與傳統(tǒng)印模材料相比，本發(fā)明采用的塊體非晶合金在其過冷液相區(qū)溫度范圍內(nèi)具有高塑性，冷卻后又有高強度的特點，取下印模過程中變形粘連損耗非常低；
4.傳統(tǒng)印模材料冷卻前后一般均為塑性材料，而塊體非晶印模在常溫下具有高強度、高硬度、耐腐蝕等特點，可以長久穩(wěn)固保存。
具體實施例方式下面通過實施例和對比例進一步說明本發(fā)明。實施例I.使用Ce基非晶印模材料測量鋁合金板表面粗糙度
采用水淬法制備Ce基塊體非晶合金Ce7ciAliciCu2ci,具體熱力學數(shù)據(jù)如下Tg=68°C，Tx=135°C, ATx=67°C。將鋁合金板樣品表面處理干凈待用，將Ce基非晶合金和待測鋁合金樣品采用硅油油浴加熱至110°C，保溫I分鐘，此時將具有熱塑成型能力的Ce基非晶取出，迅速在鋁合金板表面進行壓印貼合，擠壓壓力控制在IMPa左右，待冷卻至室溫后取下印模。采用光切法分別測定鋁合金板指定位置與Ce基印模對應位置的表面粗糙度，根據(jù)光切顯微鏡測量數(shù)據(jù)直接計算輪廓的最大高度Rz表征表面粗糙度，即在一個取樣長度內(nèi)，最大輪廓峰高Zp和最大輪廓谷深Zv之和。實驗中測量得鋁合金板表面粗糙度Rz=8. 32 μ m,對印模相應位置也采用光切法測量其表面粗糙度，測得表面粗糙度Ra=8. 25 μ m,同時采用馬來樹膠作為印模材料作為比較，測量得Rz=7. 84 μ m?？梢姺蔷в∧２牧吓c傳統(tǒng)印模材料馬來樹膠相比，印模時貼合度更高，表面粗糙度精確度大大提高，且更易剝落，印模后為剛性材料穩(wěn)固性強。實施例2.使用Pt基非晶印模材料測量陶瓷模具內(nèi)表面粗糙度
采用銅模鑄造法制備Pd基塊體非晶合金Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5，具體熱力學數(shù)據(jù)如下Tg=235°C,Tx=333°C, ATx=98°C。將待測陶瓷模具內(nèi)壁處理干凈，將已制備的Pt基非晶合金加熱至300°C左右，保溫I分鐘，隨后將具有熱塑成型能力的Pt基非晶合金與陶瓷模具內(nèi)壁待測處壓合，壓力控制在50kPa左右，充分貼合后冷卻至室溫，剝離取下冷卻后的印模。采用光切法測定印模的表面粗糙度Rz=18. 57 μ m,即得到陶瓷模具內(nèi)壁的表面粗糙度。
實施例3.使用Pd基非晶印模材料測量鋼件深孔內(nèi)側(cè)表面粗糙度
采用銅模鑄造法制備Pd基塊體非晶合金Pd43NiltlCu27P2tl,具體熱力學數(shù)據(jù)如下Tg=305°C, Tx=406°C, ATx=101°C。將鋼件樣品處理干凈待測，將制備好的Pd基非晶合金加熱至370°C左右，保溫I分鐘，將Pd基非晶合金與鋼件深孔內(nèi)待測區(qū)域壓合，壓力控制在5MPa左右，充分貼合后冷卻至室溫，取下冷卻后的印模。采用光切法測定印模的表面粗糙度Rz=Il. 26 μ m。解決了光切法難以在不破壞樣品的情況下測深孔內(nèi)表面粗糙度的問題。實施例4.使用Au基非晶印模材料測量鈹青銅撓性桿凹槽內(nèi)表面粗糙度 采用銅模鑄造法制備Au基塊體非晶合金Au55Cu25Si2tl,具體熱力學數(shù)據(jù)如下Tg=75°C，
Tx=IlO0C, Λ Tx=35°C。撓性桿屬于微小構件，其中部凹槽尺寸和表面粗糙度影響其性能，而采用傳統(tǒng)方法不易精確測量凹槽部位的表面粗糙度，采用非晶合金印模法可以很好解決。實驗中將鈹青銅撓形桿凹槽內(nèi)待測區(qū)域清洗干凈，采用油浴加熱Au基非晶合金至100°C，保溫I分鐘，隨后將具有熱塑成型能力的Au基非晶取出，壓入鈹青銅撓形桿凹槽內(nèi)，壓力控制在500kPa左右，充分壓印后冷卻至室溫，取下非晶印模。采用光切法測得Au基印模的表面粗糙度Rz=O. 95 μ m。實施例5.使用Zr基非晶印模材料測量U形零件內(nèi)側(cè)表面粗糙度
采用水淬火法制備Zr基塊體非晶合金Zr65Al7.5CUl7.5Ni1(l，具體熱力學數(shù)據(jù)如下Tg=383°C，Tx=462°C，Δ Tx=79°C。將待測不銹鋼U形零件內(nèi)側(cè)處理干凈，將已制備的Zr基非晶合金與不銹鋼U形零件加熱至430°C左右，隨后將具有熱塑成型能力的Pt基非晶合金貼合在不銹鋼U形零件內(nèi)一側(cè)，貼合壓力控制在IOMPa左右，充分貼合后冷卻至室溫，剝離取下冷卻后的印模。采用光切法測定印模的表面粗糙度Rz=3. 27 μ m,即得到U形零件內(nèi)側(cè)表面粗糙度。由于加熱時溫度會不穩(wěn)定，因此較大的過冷液相區(qū)ΛΤχ溫度范圍可以降低對加工溫度的要求，保證非晶合金處于塑性狀態(tài)，不發(fā)生晶化。因此Au基、Pd基、稀土基或Pt基非晶材料優(yōu)選過冷液相區(qū)寬度ATx相對大的塊體非晶合金。例如，Au基塊體非晶合金材料有很多種，其Λ Tx范圍是25 70°C，Pd基非晶材料Λ Tx范圍是25 11 (TC，Au基非晶材料選靠近70°C的為佳，Pd基非晶材料選靠近110°C的為佳。
權利要求
1.一種采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 步驟I.選擇玻璃轉(zhuǎn)變溫度為60°c <Tg<400°C，過冷液相區(qū)寬度Λ Tx>30°C的塊體非晶合金材料； 步驟2.將非晶合金材料加熱至其過冷液相區(qū)溫度范圍之間，用非晶合金作為印模對待測樣品進行壓印，待印模冷卻后剝離； 步驟3.測定非晶合金印模的表面粗糙度。
2.根據(jù)權利要求I所述的采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，其特征在于步驟I中所述的塊體非晶合金可采用采用熔體急冷法、銅模鑄造法、水淬法或機械合金化法制備。
3.根據(jù)權利要求I所述的采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，其特征在于步驟I中所述的非晶合金材料優(yōu)選Au基、Pd基、稀土基或Pt基。
4.根據(jù)權利要求I所述的采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，其特征在于可對步驟2中所述的待測樣品進行加熱，加熱溫度控制在過冷液相區(qū)溫度范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求I所述的采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，其特征在于步驟2中所述的加熱采用油浴法或感應加熱法，所述的壓印擠壓壓力為O. 05-10MPa。
6.根據(jù)權利要求I所述的采用非晶合金精確測定表面粗糙度的方法，其特征在于步驟3中所述的表面粗糙度的測定采用光切法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用塊體非晶合金新材料作為印模材料來測量表面粗糙度的方法。塊體非晶合金在過冷液相區(qū)間內(nèi)具有熱塑成形能力，利用此特點可以實現(xiàn)低溫印模處理，該材料在印模時為完全的塑性材料，印模后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚姸鹊膭傂圆牧?。因此，與傳統(tǒng)材料相比塊體非晶合金印模材料可以實現(xiàn)對樣品表面形貌高精度的復制，且印?？梢蚤L久穩(wěn)定保存。同時本發(fā)明工藝簡單操作方便且無污染，符合社會可持續(xù)發(fā)展的要求，有著廣泛的應用前景。
文檔編號G01B11/30GK102967279SQ201210475659
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者孔見, 嚴鈺龍 申請人:南京理工大學