CN100445413C - 一种铜锆基非晶合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜锆基非晶合金，是以铜和锆为主要成分，是以铜和锆为主要成分，其组成用如下公式表示：(Cu_1-xZr_x)_aAl_bM_c，其中，0.40≤x≤0.60，80≤a≤100，0≤b≤14，0≤c≤20，且a+b+c＝100；金属元素M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ti、Ag、Ga、Hf、Ta、Nb、Ni、Co、或Fe。该合金的制备是在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，按所需要的原子配比将上述组份Cu、Zr、Al和M混合均匀，熔炼，冷却后得到母合金铸锭；再使用常规的金属型铸造法，在空气中将此母合金锭重新熔化，并浇铸于水冷的金属模中，即可得到该合金。该合金具有高玻璃形成能力，抑制结晶能力强，可以在很低的冷却速率下制得更大尺寸。

Description

一种铜锆基非晶合金

技术领域

本发明属于非晶合金或金属玻璃领域，具体地说是涉及一种铜锆基非晶合金，及其制备方法。

背景技术

非晶合金或金属玻璃通常是金属合金从液态冷却到玻璃转变温度以下，在形核及晶化前凝固形成的。然而受金属合金非晶形成能力的限制，要获得大尺寸的块状非晶，必须有足够高的冷却速度。通过将熔化的金属或合金喷到导热非常好的传导基底上可获得高的冷却速率，但是采用这种方法只能得到薄带或粉末。

近十多年，通过合金成分优化设计和制备技术的改进，人们突破了高速冷却条件的限制，找到了一系列具有更强的抑制结晶能力的非晶合金，即在低的冷却速率下，通过普通工艺方法如金属模铸造、水淬、遏制非均匀形核、定向凝固、粉末冶金、喷铸成形、压实成型等制备多种合金体系的块状非晶合金或金属玻璃。与传统的晶态合金材料相比，大块非晶合金具有优异的力学性能、良好的加工性能、优良的化学活性和磁学性能，因而已在民用及军事等许多领域得到应用。

在已经发现的大块非晶合金系中，主要是以单一元素为主的多组元合金系，而有关复合基合金系的制备和研究还不多。大块非晶合金大多具有较高的强度等优异的性能，譬如在铜基或锆基中达到1500MPa以上，远大于普通钢的强度，并且很快用在高尔夫球头面板、其它精密光学仪器部件、耐腐蚀器皿、子弹或穿甲弹弹芯上。但是大块非晶合金最大的缺点就是没有塑性形变，更没有加工硬化特性。这一性能缺点大大地限制了大块非晶合金在工程中的应用。我们希望通过恰当的合金成分设计，使抑制结晶开始所需的临界冷却速率进一步降低，从而获得更大尺寸的块状非晶，满足工业应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有非晶合金的抑制结晶能力低，使用已有技术得到的非晶合金尺寸非常小的缺陷，从而提供一种具有高玻璃形成能力、抑制结晶能力强、可以在很低的冷却速率下制得更大尺寸的、具有超高塑性和很高强度的铜锆基非晶合金。

本发明的另一目的在于提供所述铜锆基非晶合金的制备方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供一种铜锆基非晶合金，是以铜和锆为主要成分，其它金属元素作为合金元素，其组成可用如下公式表示：

(Cu_1-xZr_x)_aAl_bM_c

其中，0.40≤x≤0.60，80≤a ≤100，0≤b ≤14，0≤c≤20，且a+b+c＝100；

金属元素M为Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ti、Ag、Ga、Hf、Ta、Nb、Ni、Co、或Fe。

所述的铜锆基大块非晶合金包含不低于70％体积百分比的非晶相，该非晶相的比例是通过计算热焓来确定的。

本发明提供一种上述铜锆基非晶合金的制备方法，包括如下的步骤：

1)配料：按照通式(Cu_1-xZr_x)_aAl_bM_c所需要的比例将上述组分中的Cu、Zr、Al和金属元素M配料；

2)铸锭：在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，将步骤1)中的各组分配料混合均匀，熔炼，冷却后得到母合金铸锭；

3)吸铸：使用常规的金属型铸造法，将步骤2)制得的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷金属模，得到铜锆基非晶合金(Cu_1-xZr_x)_aAl_bM_c。

所述步骤1)中各元素Cu、Zr、Al和M原料的纯度均不低于99.9wt％(重量百分比)。

本发明提供的上述铜锆基大块非晶合金具有高玻璃形成能力，其晶化温度在660～783K，玻璃转变温度在629～706K，过冷液相区的宽度在30～86K。该合金具有优良的力学性能和超高塑性，其强度可达到2265MPa，同时具有加工硬化和18％塑性形变的特点。

本发明提供的铜锆基大块非晶合金与现有的非晶合金，其优点在于：

1、本发明的铜锆基非晶合金具有优良的力学性能，在室温具有超高的塑性形变，加工硬化以及很高的强度等性能。因此铜锆基非晶合金具有潜在的应用前景。

2、本发明的铜锆基大块非晶合金具有较高的玻璃形成能力和热稳定性，其玻璃转变温度在629～739K，晶化温度在660～783K，过冷液相区的宽度在30～87K。

3、本发明形成的铜锆基大块非晶合金所需临界冷却速率低，抑制结晶能力较强，易于形成大尺寸的非晶合金，其尺寸在各个维度不小于1毫米，临界直径尺寸不小于1毫米。

4、本发明的铜锆基大块非晶合金具有高的玻璃转变温度和晶化温度，对应高的热稳定性，有利于其在更宽的温度范围得到应用。

5、制备本发明的铜锆基大块非晶合金所需的原料铜或锆的纯度为99.9wt％，可以是工业用的原材料，而且铜或锆的矿产资源相当丰富，因而其成本与其它贵金属基的合金相比，要低廉很多，所以发展铜锆基大块非晶合金非常适合于我国资源特点。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的Cu₅₅Zr₄₅非晶合金的X射线衍射图；

图2是本发明实施例1制备的Cu₅₅Zr₄₅大块非晶合金的示差扫描量热(DSC)和差热分析(DTA)曲线图(加热速率为10K/min)；

图3是本发明实施例4至7制备的直径都为8毫米(Cu_0.5Zr_0.5)_aAl₇Gd_93-a(a＝92；91；90；88)铜锆基非晶合金的X射线衍射图；

图4是本发明实施例4至8制备的直径都为8毫米(Cu_0.5Zr_0.5)_aAl₇Gd_93-a(a＝92；91；90；88；86)铜锆基大块非晶合金的DSC曲线图(加热速率为20K/min)；

图5是本发明实施例11制备的(Cu_0.5Zr_0.5)₉₀Ti₁₀铜锆基非晶合金的X射线衍射图；

图6是本发明实施例11制备的(Cu_0.5Zr_0.5)₉₀Ti₁₀铜锆基大块非晶合金的DSC曲线图(加热速率为20K/min)；

图7是本发明实施例2制备的直径为2毫米的(Cu_0.5Zr_0.5)₉₅Al₅和Cu₅₀Zr₅₀铜锆基非晶合金在应变速率为8×10^-4s^-1的应力应变曲线。

具体实施方式

实施例1、制备Cu₅₅Zr₄₅大块非晶合金

将原料的纯度为99.9％(重量百分比)的Cu及Zr组分按摩尔量比为55∶45配好后，在钛吸附的氩气氛的电弧炉中混合均匀并熔炼，冷却后得到Cu₅₅Zr₄₅二元合金的母合金铸锭；然后使用常规的金属型铸造方法，将此铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金熔体吸入水冷铜模，即可得到成分为Cu₅₅Zr₄₅，直径为1毫米的块体非晶合金。

从如图1所示的X射线衍射(XRD)可以证明Cu₅₅Zr₄₅合金是完全的非晶态合金。图2为Cu₅₅Zr₄₅大块非晶合金的热分析(DSC和DTA)图，从图中可以看出：其玻璃化转变温度(T_g)，晶化开始温度(T_x)，熔化开始温度(T_m)以及过冷区液相的宽度(ΔT＝T_x-T_g)分别为689K，725K，1151K和36K。此外，该合金还具有较高的约化玻璃温度(T_rg)和玻璃化指数(γ)，它们分别为0.58和0.386。T_rg和γ值通常可以用来判断非晶合金的玻璃形成能力，因此可见Cu₅₅Zr₄₅非晶合金具有较大的玻璃形成能力。

实施例2～34、制备各种配比的铜锆基大块非晶合金

按实施例1的方法制备各种配比的铜锆基大块非晶合金，其组成和热物性参数列于表1中。

表1、本发明的铜锆基大块非晶合金的组成和热物性

注：1)表中符号含义如下：D——本实验条件下的临界直径尺寸；T_g——玻璃化转变温度；T_x——晶化开始温度；T_l——熔化结束温度；ΔT＝T_x-T_g——过冷区液相的宽度；T_rg——约化玻璃温度；γ——玻璃化指数；R——各成分样品测量时所用的加热速率。

2)T_rg＝T_g/T_l；γ＝T_x/(T_g+T_l)。

Claims (1)

1、一种铜锆基非晶合金，是以铜和锆为主要成分，其组成用如下公式表示：

(Cu_1-xZr_x)_aAl_bM_c

其中，0.40≤x≤0.60，80≤a≤100，0＜b≤14，0＜c≤20，且a+b+c＝100；

金属元素M为La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Ho、Er、Ag、Ga、Hf、Ta、Nb、Ni、Co、或Fe。

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