CN101509110B - 铁基大块非晶合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁基大块非晶合金材料及其制备方法。该合金材料的化学分子式为：(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw。制备方法如下：按目标成分所需原子比将Fe、Co、Mo、B和Dy换算成质量百分比后进行称量配料，将原料放入真空感应冶炼炉中，抽真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，直至样品熔化。去除氧化皮后破碎成小块，超声波清洗后将其装入石英管中，抽真空，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，用高纯氩气把熔融的合金液喷射并注入铜模中，制得铁基大块非晶合金材料。本发明具有高的玻璃形成能力，宽的过冷液相区ΔTx＝76K～98K，高抗压断裂强度σf≈3500MPa，高维氏硬度Hv≈1130，成本低。同时制备工艺简单，可广泛应用于结构材料和磁性材料等方面。
Description
技术领域
本发明涉及非晶态磁性材料领域，特别是一种铁基大块非晶合金材料及其制备方法。
背景技术
自然界的材料按结构分类，大致可以分为两大类：晶态和非晶态。非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，故也称为金属玻璃(Bulk Metal Glass)。由于非晶态金属及合金具有独特的长程无序结构，因此它具有区别于晶态金属的独特的物理、化学和力学性能。如高的强度和断裂韧性、优良的耐腐蚀性、优异的磁性能，能获得高的、正或负的磁致伸缩系数。基于非晶合金良好的特性，其在航空、航天、信息与电子、精密机械和化工等领域和行业中都获得了广泛的应用，在科学研究及应用方面也具有重要意义，因此非晶合金的研究成为材料和物理领域的前沿课题之一。
非晶合金作为新材料出现于1934年，由德国科学家克雷默(Kramer)用蒸发沉积方法获得非晶合金薄膜。真正的非晶历史是从1960年美国加州理工学院的P.Duwez教授发明用快淬工艺制备非晶态合金(Au75Si25)开始的，使人工合成玻璃的范围扩大到了金属体系，但是其临界冷却速率(Rc)必须要在106K/s以上才能形成非晶，较高的冷却速率使得非晶合金只能以低维尺寸和形状出现，如薄带状、丝状、或者粉末。1969年Pond和Maddin用轧辊法成功制备出具有一定长度的连续非晶合金的条带，这一技术为大规模生产非晶合金创造了条件。同年，陈鹤寿等采用快冷连铸轧辊法(冷却速度＞105K/s)一次做出了供实验研究的非晶薄带，厚约30μm，宽几毫米，长达几十米，为非晶合金的大规模生产奠定了基础。1974年Chen等通过石英管水淬结合抑制非均匀形核的方法在≥103K/s的速度下制备了毫米级的非晶合金。毫米级非晶合金的产生是大块金属玻璃研究的重大突破，但是这些毫米级非晶合金只局限于Pd、Pt等贵金属，无法作为工程材料被广泛应用。
1988年，块体非晶合金的研制工作取得了突破性进展。日本东北大学Inoue，张涛等人继意外发现了具有玻璃形成能力的La-Al-Ni和La-Al-Cu非晶合金系之后，通过合理的合金设计和常规的铸造方法在较低的冷却速率下陆续开发了Zr基，Fe基，Pd基，Ti基，Mg基等十余种具有较强非晶形成能力的多组元体系，并且对非晶合金的形成能力、性能和用途做了大量深入的研究，非晶合金领域得到了迅猛地发展。Fe基块体非晶合金因其优良的磁性能，强的非晶形成能力和相对低廉的价格而特别受到关注，制备高玻璃形成能力和优良磁性能的铁基大块非晶合金将具有广泛的实际意义和用途。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种铁基大块非晶合金材料及其制备方法。
铁基大块非晶合金材料倒化学分子式为：(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw，式中的x，y，z，w为原子百分数：60≤x≤75，0≤y≤10，20≤z≤25，0≤w≤10，0≤a≤10，且x+y+z+w＝100。
所述的铁基大块非晶合金材料的组成元素Fe、Co、Mo和Dy的原料纯度为99.5％～99.9％。铁基大块非晶合金材料具有65K～98K的宽的过冷液相区。铁基大块非晶合金材料具有高抗压断裂强度σf≈3500MPa，高维氏硬度Hv≈1130。
铁基大块非晶合金材料的制备方法包括如下的步骤：
1)母合金熔炼：按目标成分所需原子比将Fe、Co、Mo、B和Dy换算成质量百分比后进行称量配料，将原料放入真空感应冶炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，调节电流由小至大，感应加热直至样品熔化。反复熔炼5～10次，以获得混合均匀的(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw母合金锭子；
2)块体非晶制备：将步骤1获得的(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗，后将其装入下端开口且孔径为0.4mm～0.6mm的石英管中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为15～35A，感应温度为1100～1680℃，熔炼2～5min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射并注入不同孔径的铜模中，制得铁基大块非晶合金棒材。
所述的腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.05～0.10MPa。铁基大块非晶合金材料的最小临界直径为2mm。
本发明所述的铁基大块非晶合金材料具有以下显著特点：1)玻璃形成能力强，能够制得最小临界直径为2mm的非晶合金棒材。且具有76K～98K的宽的过冷液相区。2)压缩断裂强度高，硬度大。σf≈3400MPa，Hv≈1130。另外，本发明所述的铁基非晶合金的制备方法的工艺简单，对原料的纯度要求也不是很高，原材料纯度大多为工业纯度。该体系非晶态合金的优异性意味着其是一种具有应用前景的功能材料。
附图说明
图1为按照实施例1、2、3、4制备的Fe-Co-Mo-B-Dy系块体非晶合金的XRD图；
图2为按照实施例1、2、3、4制备的Fe-Co-Mo-B-Dy系块体非晶合金的压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：制备[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]96Dy4非晶合金棒材
Fe，Co，Mo，B和Dy元素按[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]96Dy4合金原子百分比换算成质量百分比后，精确称量纯度为99.6％的Fe，纯度为99.9％的Co，纯度为99.8％的Mo，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，放入感应炉内的石英管中，待抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，调节电流由小至大，感应加热直至样品熔化。反复熔炼9次，以获得混合均匀的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]96Dy4母合金锭子。将获得的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]96Dy4母合金锭子破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。后将其装入下端开口且孔径为0.5mm的石英管中，抽取真空至3.6×10-3Pa后，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为25A，感应温度为1600℃，熔炼3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射并注入铜模中，制得[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]96Dy4块体非晶合金。用X射线衍射法表征该块体非晶的结构。图1为该样品的X射线衍射图。图中所见为一个宽的弥散的漫射峰，没有观察到任何晶化峰，说明所制备的合金为非晶合金。用差示扫描量热法获得该块体样品的热力学参数。从所制备的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]96Dy4非晶合金的玻璃转变温度和初始晶化温度可以得到该合金的过冷液相区ΔTx＝79K，非晶形成能力强。将制得的非晶合金棒材截取Φ2mm×4mm试样进行力学性能测试，其压缩过程中的应力应变曲线如图2所示，可以得到其断裂强度为3398MPa。用维氏微观硬度计测得硬度为1100kg/mm2。
实施例2：制备[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]95Dy5非晶合金棒材
Fe，Co，Mo，B和Dy元素按[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]95Dy5合金原子百分比换算成质量百分比后，精确称量纯度为99.6％的Fe，纯度为99.9％的Co，纯度为99.8％的Mo，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，放入感应炉内的石英管中。待抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，调节电流由小至大，感应加热直至样品熔化。反复熔炼10次，以获得混合均匀的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]95Dy5母合金锭子。将获得的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]95Dy5母合金锭子破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。后将其装入下端开口且孔径为0.4mm的石英管中，抽取真空至3.8×10-3Pa后，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为35A，感应温度为1680℃，熔炼2min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射并注入铜模中，制得[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]95Dy5块体非晶合金。用X射线衍射法表征该块体非晶的结构。图1为该样品的X射线衍射图。图中所见为一个宽的弥散的漫射峰，没有观察到任何晶化峰，说明所制备的合金为非晶合金。用差示扫描量热法获得该块体样品的热力学参数。从所制备的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]95Dy5非晶合金的玻璃转变温度和初始晶化温度可以得到该合金的过冷液相区ΔTx＝90K，非晶形成能力强。将制得的非晶合金棒材截取Φ2mm×4mm试样进行力学性能测试，其压缩过程中的应力应变曲线如图2所示；可以得到其断裂强度为3201MPa。用维氏微观硬度计测得硬度为1089kg/mm2。
实施例3：制备[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]94Dy6非晶合金棒材
Fe，Co，Mo，B和Dy元素按[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]94Dy6合金原子百分比换算成质量百分比后，精确称量纯度为99.6％的Fe，纯度为99.9％的Co，纯度为99.8％的Mo，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，放入感应炉内的石英管中。待抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，调节电流由小至大，感应加热直至样品熔化。反复熔炼6次，以获得混合均匀的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]94Dy6母合金锭子。将获得的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]94Dy6母合金锭子破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。后将其装入下端开口且孔径为0.4mm的石英管中，抽取真空至3.8×10-3Pa后，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为20A，感应温度为1360℃，熔炼3min最后用高纯氩气把熔融的合金液吹入铜模中，制得[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]94Dy6块体非晶合金。用X射线衍射法表征该块体非晶的结构。图1为该样品的X射线衍射图。图中所见为一个宽的弥散的漫射峰，没有观察到任何晶化峰，说明所制备的合金为非晶合金。用差示扫描量热法获得该块体样品的热力学参数。从所制备的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]94Dy6非晶合金的玻璃转变温度和初始晶化温度可以得到该合金的过冷液相区ΔTx＝98K，非晶形成能力强。将制得的非晶合金棒材截取Φ2mm×4mm试样进行力学性能测试，其压缩过程中的应力应变曲线如图2所示；可以得到其断裂强度为2996MPa。用维氏微观硬度计测得硬度为1124kg/mm2。
实施例4：制备[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]93Dy7非晶合金棒材
Fe，Co，Mo，B和Dy元素按[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]93Dy7合金原子百分比换算成质量百分比后，精确称量纯度为99.6％的Fe，纯度为99.9％的Co，纯度为99.8％的Mo，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，放入感应炉内的石英管中。待抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，调节电流由小至大，感应加热直至样品熔化。反复熔炼5次，以获得混合均匀的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]93Dy7母合金锭子。将获得的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]93Dy7母合金锭子破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。后将其装入下端开口且孔径为0.6mm的石英管中，抽取真空至3.7×10-3Pa后，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为15A，感应温度为1100℃，熔炼3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射并注入铜模中，制得[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]93Dy7块体非晶合金。用X射线衍射法表征该块体非晶的结构。图1为该样品的X射线衍射图。图中所见为一个宽的弥散的漫射峰，没有观察到任何晶化峰，说明所制备的合金为非晶合金。用差示扫描量热法获得该块体样品的热力学参数。从所制备的[(Fe0.5Co0.5)72Mo4B24]93Dy7非晶合金的玻璃转变温度和初始晶化温度可以得到该合金的过冷液相区ΔTx＝76K，非晶形成能力强。将制得的非晶合金棒材截取Φ2mm×4mm试样进行力学性能测试，其压缩过程中的应力应变曲线如图2所示；可以得到其断裂强度为2973MPa。用维氏微观硬度计获得硬度为1105kg/mm2。
上述实施例获得的块体非晶合金的各项性能如表1总结所示。
表1(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw系块体非晶合金的性能
Claims (3)
1.一种铁基大块非晶合金材料的制备方法，其特征在于包括如下的步骤：
1)母合金熔炼：按目标成分所需原子比将Fe、Co、Mo、B和Dy换算成质量百分比后进行称量配料，将原料放入真空感应冶炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入高纯氩气保护，调节电流由小至大，感应加热直至样品熔化，反复熔炼5～10次，以获得混合均匀的(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw母合金锭子；
2)块体非晶制备：将步骤1)获得的(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗，后将其装入下端开口且孔径为0.4mm～0.6mm的石英管中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，在感应炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为15～35A，感应温度为1100～1680℃，熔炼2～5min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射并注入不同孔径的铜模中，制得铁基大块非晶合金棒材；
铁基大块非晶合金材料的化学分子式为：(Fe100-aCoa)x-Moy-Bz-Dyw，式中的x，y，z，w为原子百分数：60≤x≤75，0≤y≤10，20≤z≤25，0≤w≤10，0≤a≤10，且x+y+z+w＝100；所述的铁基大块非晶合金材料的组成元素Fe、Co、Mo和Dy的原料纯度为99.5％～99.9％；所述的铁基大块非晶合金材料具有65K～98K的宽的过冷液相区；所述的铁基大块非晶合金材料具有高抗压断裂强度σf＝3500MPa，高维氏硬度Hv＝1130。
2.根据权利要求1所述的一种铁基大块非晶合金材料的制备方法，其特征在于：所述的腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.05～0.10MPa。
3.根据权利要求1所述的一种铁基大块非晶合金材料的制备方法，其特征在于：所述的铁基大块非晶合金材料的最小临界直径为2mm。
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