CN102605301A

CN102605301A - 高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃及其制备方法

Info

Publication number: CN102605301A
Application number: CN2012101065080A
Authority: CN
Inventors: 郭胜锋; 柳林
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃及其制备方法；所述铁基块体金属玻璃的化学分子式为Fe_aMo_bP_cC_dB_e，其中a、b、c、d、e为原子百分比，70≤a≤80，3≤b≤7，9.5≤c≤12.6，6.8≤d≤10，0≤e≤2，并且a+b+c+d+e＝100；本发明的铁基块体金属玻璃的制备方法，包括以下步骤：1）按原子百分比称取原料；2）将配置的原料在惰性气体保护气氛下进行熔炼，得到母合金；3）将该母合金吸铸至铜模中快速凝固，得到铁基块体金属玻璃。本发明的铁基块体金属玻璃其压缩强度可达3000MPa以上，室温塑性应变可达5%以上。

Description

高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃及其制备方法

技术领域

本发明属于高性能金属材料技术领域，具体涉及一种铁基块体金属玻璃及其制备方法。

背景技术

块体金属玻璃是上世纪80年代末发展起来的一类新型亚稳材料，它是通过快速凝固技术来抑制合金熔体的形核和长大，而直接“冻结”获得类似玻璃结构的金属材料。因其特殊的原子结构排列使得其在诸多方面具有比常规晶态材料更优异的力学、物理、化学及精密成型性能，在未来的机械，电子，化工，航空航天和军事领域等呈现了广阔的应用前景。

与其它体系相比，铁基块体金属玻璃具有较高的强度，良好的软磁性能等优点，展现出良好的商业价值。然而，与某些具有一定压缩塑性变形能力和断裂韧性的金属玻璃相比，铁基块体金属玻璃室温脆性严重，无论是在压缩还是拉伸条件下，其室温塑性应变都接近为零，是典型的脆性金属玻璃，这极大地限制铁基块体金属玻璃的实际应用。此外，当前制备铁基块体金属玻璃采用的原材料通常为昂贵的高纯金属和类金属元素，这在一定程度上造成制备成本的偏高，阻碍了铁基块体金属玻璃的实际工程应用。

铁基块体金属玻璃自1995年由日本的Inoue等开发至今也仅仅十多年的时间，前十年里主要集中在对其软磁性能的研究，而近几年的时间才开始重点关注对其室温塑性的研究。2006年，美国维吉尼亚大学Poon等在Critical Poisson's ratio for plasticity in Fe–Mo–C–B–Ln bulk amorphous steel（APPLIED PHYSICS LETTERS; Volume:88; Pages:5211905; Published: 20 November 2006）一文中报道了向Fe₆₅Mo₁₄C₁₅B₆非晶钢里添加稀土Er，获得了当时室温塑性变形能力最好的Fe基块体金属玻璃（0.8%）；他们发现Fe基金属玻璃韧脆转变存在一个临界泊松比，当其泊松比接近0.32时，合金发生明显的塑性变形。2007年，清华大学姚可夫等在Fe-based bulk metallic glass with high plasticity（APPLIED PHYSICS LETTERS; Volume: 90; Pages: 061901; Published: February 2007）一文中报道了采用玻璃包覆提纯技术和水淬法，将Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆的玻璃形成能力提高至1.6mm的同时，发现其具有良好的室温塑性（5.2%），但该方法制备工艺较为复杂。随后，Gu等在Ductility improvement of amorphous steels: Roles of shear modulus and electronic structure（Acta Materialia；Volume: 56；page：88–94； Published online: 24 October 2007）一文中报道了在FeCrMoPCB金属玻璃系里可获得室温压缩塑性达3.6%的铁基合金，并发现Fe基块体金属玻璃的室温塑性与其剪切模量密切相关。中科院金属所王建强等在Ductile Fe–Nb–B bulk metallic glass with ultrahigh strength（APPLIED PHYSICS LETTERS; Volume: 92; Pages: 251906; Published: 23 June 2008）一文中报道了一种高强度兼具一定室温压缩塑性（1.6%）的三元Fe₇₁Nb₆B₂₃块体金属玻璃；然而，该玻璃合金形成能力较低，即使采用高纯原料制备，其临界直径也仅为1.5mm。

由这些研究概况可以看出，铁基块体金属玻璃具有高强度的优点，而在结构材料等领域中具有十分广阔的应用前景。但是当前铁基块体金属玻璃室温塑性变形能力十分有限，且大都需要采用价格昂贵的高纯原材料制备，这远未达到实际工程应用的要求。近年来，关于低纯原材料制备铁基块体金属玻璃以及改善其室温塑性的研究日益引起人们的重视。Li等在Fe-based bulk metallic glasses Fe_73.8?xC_7.0Si_3.5B_xP_9.6Cr_2.1Mo_2.0Al_2.0 (x =3~9) prepared using hot metal and industrial raw materials（Journal Materials Research；Volume: 22；Issue: 1；Pages: 164-168；Published: Jan 2007）一文中报道了一种利用工业纯原料即可得到高玻璃形成能力的铁基块体金属玻璃（临界直径达5mm），但是该合金室温变形能力较差，几乎没有宏观塑性。至今为止还未发现采用工业纯原材料制备获得良好室温塑性变形能力（超过5%）的铁基块体金属玻璃的相关报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃及其制备方法，该铁基块体金属玻璃具有高强度及良好的室温塑性变形能力，解决当前铁基块体金属玻璃室温脆性的问题。

本发明公开了一种高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃，所述铁基块体金属玻璃的化学分子式为Fe_aMo_bP_cC_dB_e，其中a、b、c、d、e为原子百分比，70≤a≤80，3≤b≤7，9.5≤c≤12.6，6.8≤d≤10，0≤e≤2，并且a+b+c+d+e＝100。

本发明还公开了上述铁基块体金属玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）按原子百分比称取原料；

2）将配置的原料在惰性气体保护气氛下进行熔炼，得到母合金；

3）将该母合金吸铸至铜模中快速凝固，得到铁基块体金属玻璃。

进一步，所述步骤1）中，原料为工业纯铁、工业纯钼、工业铁硼合金、工业铁磷合金以及石墨；

进一步，所述步骤2）中，配置的原料是放在真空电弧炉中在氩气保护气氛下熔炼5~7次；

进一步，所述步骤3）中，得到的铁基块体金属玻璃为直径1~2 mm的金属玻璃圆棒，其中直径2 mm的金属玻璃圆棒的长度为50 mm以上，直径1 mm的金属玻璃圆棒的长度为30 mm以上。

本发明的有益效果在于：本发明所制备的铁基块体金属玻璃具有高强度及良好的室温塑性变形能力，其压缩强度可达3000MPa以上，同时室温塑性应变可达5%以上，解决了当前铁基块体金属玻璃室温脆性的问题；另外，本发明采用工业纯铁、工业纯钼、工业铁硼合金、工业铁磷合金等低成本的工业纯原料，原材料价格十分低廉，解决了当前铁基块体金属玻璃制备原料均采用昂贵的高纯合金元素的缺点，进一步降低了生产成本。本发明提供的高性能铁基块体金属玻璃在结构材料、精密机械、兵器工业及航空航天等领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例1、2、3的铁基块体金属玻璃的室温压缩应力应变曲线；

图2为本发明实施例2的铁基块体金属玻璃的显微硬度值；

图3为本发明实施例3的铁基块体金属玻璃的压缩样品侧面扫描电子显微照片。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

本实施例的高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃，其化学分子式为Fe_aMo_bP_cC_dB_e，其中a、b、c、d、e为原子百分比，a=72，b=5，c=11.5，d=9.6，e=1.9，并且a+b+c+d+e＝100。

本实施例的铁基块体金属玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）按原子百分比称取原料；原料为工业纯铁、工业纯钼、工业铁硼合金、工业铁磷合金以及石墨；

2）将配置的原料放在真空电弧炉中在氩气保护气氛下进行熔炼5次，得到母合金；

所述步骤3）中，得到的铁基块体金属玻璃为直径2 mm的金属玻璃圆棒，其长度为50 mm以上。

本实施例的铁基块体金属玻璃的室温压缩应力应变曲线如图1中曲线1所示，横坐标表示工程应变，纵坐标表示工程应力，从图中可知，本实施例的铁基块体金属玻璃压缩强度大于3000MPa，同时室温塑性应变大于5%。

实施例2

本实施例的高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃，其化学分子式为Fe_aMo_bP_cC_dB_e，其中a、b、c、d、e为原子百分比，a=74，b=5，c=10.5，d=8.75，e=1.75，并且a+b+c+d+e＝100。

本实施例的铁基块体金属玻璃的制备方法，包括以下步骤：

本实施例的铁基块体金属玻璃的室温压缩应力应变曲线如图1中曲线2所示，横坐标表示工程应变，纵坐标表示工程应力（为了便于观察，图中将曲线2整体向右移动），从图中可知，本实施例的铁基块体金属玻璃压缩强度大于3000MPa，同时室温塑性应变大于5%。本实施例的铁基块体金属玻璃的显微硬度值见图2。

实施例3

本实施例的高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃，其化学分子式为Fe_aMo_bP_cC_dB_e，其中a、b、c、d、e为原子百分比，a=77.6，b=3，c=12.6，d=6.8，e=0，并且a+b+c+d+e＝100。

本实施例的铁基块体金属玻璃的制备方法，包括以下步骤：

1）按原子百分比称取原料；原料为工业纯铁、工业纯钼、工业铁硼合金以及工业铁磷合金；

所述步骤3）中，得到的铁基块体金属玻璃为直径1 mm的金属玻璃圆棒，其长度为30 mm以上。

本实施例的铁基块体金属玻璃的室温压缩应力应变曲线如图1中曲线3所示，横坐标表示工程应变，纵坐标表示工程应力（为了便于观察，图中将曲线3整体向右移动），从图中可知，本实施例的铁基块体金属玻璃压缩强度大于3000MPa，同时室温塑性应变大于5%。本实施例的铁基块体金属玻璃的压缩样品侧面扫描电子显微照片见图3，从图中可以看到有大量的剪切带产生，且发生明显的剪切带交互作用，表明其发生了明显的室温塑性变形。

本发明所制备的铁基块体金属玻璃具有高强度及良好的室温塑性变形能力，其压缩强度可达3000MPa以上，同时室温塑性应变可达5%以上，解决了当前铁基块体金属玻璃室温脆性的问题；另外，本发明采用工业纯铁、工业纯钼、工业铁硼合金、工业铁磷合金等低成本的工业纯原料，原材料价格十分低廉，解决了当前铁基块体金属玻璃制备原料均采用昂贵的高纯合金元素的缺点，进一步降低了生产成本。本发明提供的高性能铁基块体金属玻璃在结构材料、精密机械、兵器工业及航空航天等领域中具有广泛的应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种高强度兼具良好室温塑性的铁基块体金属玻璃，其特征在于：所述铁基块体金属玻璃的化学分子式为Fe_aMo_bP_cC_dB_e，其中a、b、c、d、e为原子百分比， 70≤a≤80，3≤b≤7，9.5≤c≤12.6，6.8≤d≤10，0≤e≤2，并且a+b+c+d+e＝100。

2.权利要求1所述的铁基块体金属玻璃的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）按原子百分比称取原料；

3.根据权利要求2所述的铁基块体金属玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，原料为工业纯铁、工业纯钼、工业铁硼合金、工业铁磷合金以及石墨。

4.根据权利要求2所述的铁基块体金属玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，配置的原料是放在真空电弧炉中在氩气保护气氛下熔炼5~7次。

5.根据权利要求2所述的铁基块体金属玻璃的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，得到的铁基块体金属玻璃为直径1~2 mm的金属玻璃圆棒，其中直径2 mm的金属玻璃圆棒的长度为50 mm以上，直径1 mm的金属玻璃圆棒的长度为30 mm以上。