CN101353771B - 一种钨基非晶合金 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种钨基非晶合金，其特点在于合金的化学成分按原子分数计，组成包括：W30％～40％、Fe10％～30％、B10％～30％、C3％～25％、Si0～10％、Ni0～10％、Cr0～15％、Mn0～10％、Mo0～10％、Co0～10％、Y0～2％、Sc0～2％、Er0～2％和Gd0～2％。非晶合金条带的厚度为25～40μm，晶化温度为900K～1100K。本发明具有非晶合金的晶化温度高、热稳定性好；硬度高、耐磨性好以及成本较低等优点。

Description

一种钨基非晶合金
技术领域
本发明涉及以金属钨为基体的非晶态金属材料，属于钨基合金亚稳材料及制备技术领域。
背景技术
自从1960年Duwez采用熔体急冷技术首次制备出Au-Si非晶态合金以来，非晶态合金以其独特的结构和性能，成为诸多研究工作者追逐的热点。几十年来，经过科研人员的努力，通过对合金体系成分优化设计方面的突破，人们在许多合金体系中如：Zr基、Ti基、Ni基、Cu基、Pd基等均获得了非晶态合金结构，甚至大块非晶态合金。非晶合金以其高强度、高弹性模量，良好的耐蚀性和抗氧化性，高的耐磨性能等，获得了广泛的应用。为满足不同的使用工况要求，目前已开发出具有特殊使用性能的非晶合金，如稀土元素为基的非晶合金，具有很好的磁性能。但上述非晶合金的晶化温度一般都在650～700k，不能在高温环境下使用，因此，提高非晶合金的晶化温度，可以提高非晶合金的热稳定性，扩大使用范围。
在已经发现的非晶合金体系中，主要是过渡族金属基非晶合金，而有关以金属钨为基的非晶态合金系的制备和研究还不多。钨作为重要的战略资源，具有熔点高、强度高、密度高、良好的导电性等特殊性能，以钨为基的合金可用作配重、射线屏蔽、电极、硬质合金刀具、穿甲等材料。一般情况下，非晶态合金所具有的性能是由其基体金属所具有的特性决定的。以金属钨为基制备非晶态钨合金除具有金属钨本身所特有的性能外，还具有非晶合金独特的性能，由于结构均匀，对γ射线和X射线吸收能力远高于一般的晶态钨合金。高的晶化温度，也使非晶态钨合金具有很高的热稳定性。该材料将在屏蔽涂层、耐磨与耐蚀涂层中具有广泛的应用前景。
钨的熔点约为3400℃，是熔点最高的难熔金属，为熔炼和制备钨基合金带来很大困难。目前，仅有以Ru为主要加入元素制备W-Ru非晶态合金条带的报道(M.Ohtsuki，R.Tamura，and S.Takeuchi，S.Yoda，T.Ohmura，Hard metallic glassof tungsten-based alloy，Appl.Phys.Lett.84，4911(2004))。但Ru价格非常昂贵，应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本且具有高晶化温度的一种钨基非晶合金。
采用的技术方案是：
本发明的一种钨基非晶合金，合金的化学成分按原子分数计，组成包括：W 30％～40％、Fe 10％～30％、B 10％～30％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Co 0～10％、Y 0～2％、Sc 0～2％、Er 0～2％和Gd 0～2％。非晶条带的晶化温度为900K～1100K。
本发明的一种钨基非晶合金，进一步优化的合金化学成分按原子分数计，组成包括：W 38％～40％、Fe 10％～25％、B 10％～25％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Co 0～10％、Y 0～2％、Sc 0～2％、Er 0～2％和Gd 0～2％。非晶条带的晶化温度为1050K～1100K。
本发明的一种钨基非晶合金，进一步优化的化学成分按原子分数计，组成包括：W 35％～40％、Fe 10％～25％、B 10％～25％、C 3％～25％、Si 7％～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Co 0～10％、Y 0～2％、Sc0～2％、Er 0～2％和Gd 0～2％。非晶条带的晶化温度为1000K～1100K。
本发明的一种钨基非晶合金，进一步优化的合金化学成分按原子分数计，组成包括：W 30％～35％、Fe 25％～30％、Cr 5％～15％、B 10％～30％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Co 0～10％、Y 0～2％、Sc0～2％、Er 0～2％和Gd 0～2％，C与B的比例为0.4～0.5。非晶条带的晶化温度为950K～1100K。
本发明的一种钨基非晶合金，进一步优化的合金化学成分按原子分数计，组成包括：W 35％～38％、Fe 20％～30％、B 10％～30％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Co 0～10％、Y 0～2％、Sc0～2％、Er 0～2％和Gd 0～2％，C与B的比例为0.65～1.0。非晶条带的晶化温度为980K～1100K。
本发明的一种钨基非晶合金，采用电弧炉熔炼制备母合金，采用感应加热喷铸单辊甩带制备非晶态钨合金条带，制备方法的方法具体包括下述步骤：
(1)按下述化学成分配比进行配料：合金的化学成分按原子分数计，组成包括：W 30％～40％、Fe 10％～30％、B 10％～30％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Co 0～10％、Y 0～2％、Sc0～2％、Er 0～2％和Gd 0～2％。
本发明所采用的原材料按重量百分数计为：纯度大于99.9％的金属钨块，99.9％的工业纯铁，含硼19.6％的工业用硼铁合金，结晶硅，纯度大于99.95％的石墨，其它原材料纯度在99.0％～99.5％。
(2)将配好的原材料装入电弧炉中，合盖抽真空，待真空度≤1.33×10-2kPa，充氩气至60kPa，送电熔炼非晶态钨合金的母合金；将熔炼好的母合金装入石英管后，置于感应加热炉中，合盖抽真空，待真空度≤1.33×10-2kPa，充氩气至60kPa，加热熔化后，在2.0大气压的氩气作用下，喷铸到单辊甩带设备上，制备非晶态钨合金条带。
(3)采用差热分析仪测得非晶态钨合金的晶化温度。
本发明的非晶态钨合金晶化温度大于900K，且具有以下优点：
1、非晶合金的晶化温度高，热稳定性好。
2、硬度高，耐磨性好。
3、成本较低。
附图说明
图1为实施例1中非晶态钨合金的XRD曲线。
图2为实施例1中非晶态钨合金的DSC曲线。
具体实施方式
本发明所采用的原材料按重量百分数计为：纯度大于99.9％的金属钨块，99.9％的工业纯铁，含硼19.6％的工业用硼铁合金，结晶硅，纯度大于99.95％的石墨，其它原材料纯度在99.0％～99.5％。
将上述原材料按成分要求配好装入电弧炉中，合盖抽真空，待真空度≤1.33×10-2kPa，充氩气至60kPa，送电熔炼非晶态钨合金的母合金；将熔炼好的母合金装入石英管后，置于感应加热炉中，合盖抽真空，待真空度≤1.33×10-2kPa，充氩气至60kPa，加热熔化后，在2.0大气压的氩气作用下，喷铸到单辊甩带设备上，制备非晶态钨合金条带。通过控制甩带轮的转速控制甩带的线速度，进而控制甩带的厚度，采用带标尺的显微镜测量条带厚度，采用X射线分析(XRD)判断条带是否为非晶态结构，采用高温差分扫描量热计(DSC)测量非晶态钨合金的玻璃转变温度和晶化温度，升温速率20K/min。以下实施例的条带厚度为30μm作为非晶形成能力的判定标准。
实施例1：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为30.0％、Fe含量为28.0％、Cr含量为10％、B含量为22％、C含量为10.0％，晶化温度1003K。
实施例2：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为30.0％、Fe含量为28.2％、Cr含量为9.8％，B含量为22.0％、C含量为10.0％，晶化温度997K。
实施例3：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为32.0％、Fe含量为26.0％、Ni含量为5.0％、B含量为22.0％、C含量为10.0％，Si含量为3.0％，Er含量2％，晶化温度999K。。
实施例4：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为35.0％、Fe含量为30.0％、C含量为15.0％、B含量为20.0％，晶化温度997K。
实施例5：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为35.0％、Fe含量为25.4％、Mo含量为4.6％，C含量为10.0％、B含量为20.0％、Si含量为5.0％，晶化温度987K。
实施例6：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为40.0％、Fe含量为20.0％、B含量为20.0％、C含量为5.0％、Si的含量为15％，晶化温度1080K。
实施例7：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为40.0％、Fe含量为15.0％、B含量为20.0％、C含量为3.0％、Si的含量为17％，Mn的含量为5.0％，晶化温度1053K。
实施例8：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为40.0％、Fe含量为15.0％、B含量为10.0％、Si含量为35.0％，晶化温度1033K。
实施例9：
一种钨基非晶合金成分按原子分数计：W含量为40.0％、Fe含量为15.0％、B含量为15.0％、C含量为5.0％、Si含量为20.0％、Y含量为2.0％，Cr含量3.0％，晶化温度1043K。

Claims (5)

1.一种钨基非晶合金，其特征在于合金的化学成分按原子分数计，由以下元素组成：W 30％～40％、Fe 10％～30％、B 10％～30％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0％～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Y 0～2％和Er 0～2％；非晶条带的晶化温度为900K～1100K。
2.根据权利要求1所述的一种钨基非晶合金，其特征在于合金的化学成分按原子分数计，由以下元素组成：W 38％～40％、Fe 10％～25％、B 10％～25％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Y 0～2％和Er 0～2％；非晶条带的晶化温度为1050K～1100K。
3.根据权利要求1所述的一种钨基非晶合金，其特征在于合金的化学成分按原子分数计，由以下元素组成：W 35％～40％、Fe 10％～25％、B 10％～25％、C 3％～25％、Si 7％～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Y 0～2％和Er 0～2％；非晶条带的晶化温度为1000K～1100K。
4.根据权利要求1所述的一种钨基非晶合金，其特征在于合金的化学成分按原子分数计，由以下元素组成：W 30％～35％、Fe 25％～30％、Cr 5％～15％、B10％～30％、C 3％～25％、Si 0～10％、Ni 0～10％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Y 0～2％和Er 0～2％；C与B的比例为0.4～0.5；非晶条带的晶化温度为950K～1100K。
5.根据权利要求1所述的一种钨基非晶合金，其特征在于合金的化学成分按原子分数计，由以下元素组成：W 35％～38％、Fe 20％～30％、B 10％～30％、C 3％～25％，Si 0～10％、Ni 0～10％、Cr 0～15％、Mn 0～10％、Mo 0～10％、Y 0～2％和Er 0～2％；C与B的比例为0.65～1.0；非晶条带的晶化温度为980K～1100K。
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