CN104233120B - 一种块体铁基非晶合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种块体铁基非晶合金材料，其特征在于：块体铁基非晶合金材料的组成的通式为Fe_aB_bY_cNb_dTi_e，式中65≤a≤75，15<b≤25，0<c≤5，0<d≤5，0<e≤5,其中a、b、c、d、e为合金中相应元素的原子百分比，且满足a+b+c+d+e＝100。发明制备的非晶合金使用廉价的海绵钛取代昂贵的高纯度金属铌，大大降低了生产成本，同时具有制备工艺简单、非晶合金形成能力强、热稳定性优异，力学性能和磁学性能良好的特点。

Description

一种块体铁基非晶合金材料

技术领域

本发明金属材料属于非晶态合金领域，特别涉及一种应用于软磁材料和结构材料的具有良好软磁性、高机械强度和较大非晶形成能力的新型铁基非晶合金材料。

背景技术

铁基非晶合金是目前应用最广的非晶合金之一，与其它体系的非晶合金材料相比，原料成本低，且具有高强度，高硬度，很好的耐腐蚀性，高的热稳定性，优良的软磁性能，受到了广泛的关注。然而，较低的非晶形成能力使得这类合金只能以薄带、丝或粉末的形式出现，在一定程度上影响了它的应用范围。1995年，井上明久等利用铜模吸铸的方法首次成功制备了Fe-(Al,Ga)-(P,C,S,B)铁基块体非晶合金。此后，一系列具有良好软磁性能的Fe基块体非晶合金相继被开发和研究。这其中包括具有较好软磁性的Fe-Al-Ga-P-C-B-Si和Fe-B系铁基非晶合金，具有优异的耐腐蚀性的Fe-Cr-Mo-C-B系铁基非晶合金，具有高的非晶形成能力，临界直径达厘米级的强度为3000～4000MPa的“非晶钢”，以及强度超过4000MPa的Fe-Co-Nb-Si-B系铁基非晶合金等。2005年，沈军等人成功获得了最大尺寸达到16mm的Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂块体金属玻璃，是迄今为止最大的块体铁基非晶合金。

近年虽然块体铁基非晶合金的制备取得了长远的进步，但是这些合金体系或受制于高昂的制造成本或由于产品尺寸及性能参数无法达到使用要求，其在实际生产应用中的局限性显露无遗。因此，开发具有较低制造成本、软磁性优异、机械性能良好和更大玻璃成形能力的块体铁基非晶合金材料，对于铁基非晶合金的推广和工业应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种成分设计合理、成本较低、制备工艺简单，同时非晶形成能力较强，热稳定性能优异、软磁性能和机械性能良好的块体铁基非晶合金材料。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明块体铁基非晶合金材料，其特征在于：所述块体铁基非晶合金材料的组成的通式为Fe_aB_bY_cNb_dTi_e，式中65≤a≤75，15<b≤25，0<c≤5，0<d≤5，0<e≤5,其中a、b、c、d、e为合金中相应元素的原子百分比，且满足a+b+c+d+e＝100。

本发明的合金原料采用的是工业使用的原料，B是以硼铁合金的形式加入，Ti是以海绵钛的形式加入，其它金属纯度控制在99.5wt.％以上。

本发明的铁基非晶合金中加入了适量稀土元素Y，且Y的含量控制在5at.％以内，对于提高合金的非晶形成能力有显著作用。Y元素添加使体系具有大的负混合热，且与O元素间有很强的结合能，能提高了液相区的稳定性，在合金凝固过程中能有效抑制杂质及其氧化物的非均质形核，有助于获得完全非晶态的铁基块体非晶合金。

本发明的铁基非晶合金中加入了适量Ti元素，且Ti的含量控制在5at.％以内。Ti元素的加入既能与主要成分元素Fe、B之间形成大的负混合热，又能提高合金体系的原子错配度，形成较大的原子半径比，这对于提高原子间的堆垛密度和拓扑结构有重要作用，从而使合金液具有更加稳定的液相区，有利于制备完全的块体铁基非晶合金。另外Ti元素与O元素之间也存在较强的结合能，这对抑制合金液凝固过程中的结晶现象也将产生积极作用。

本发明的铁基非晶合金中加入了适量Nb元素，且Nb的含量控制在5at.％以内。Nb元素的加入主要目的就是增加体系原子数目，进一步增加合金体系的原子错配度，使体系混乱度进一步变大，进而提高合金体系的非晶形成能力。

本发明的块状铁基非晶合金的制备方法按如下以下步骤进行制备：

(1)根据块状铁基非晶合金中各元素的原子百分比，称取各原料：B元素以工业用硼铁合金形式进行添加，并配合工业纯铁调整得到获得Fe元素含量；Y和Nb元素采用纯度为99.5wt.％的纯金属形式添加；Ti元素的添加使用工业用的低纯海绵钛。

(2)将原料放置于非自耗真空电弧熔炼炉中，使用机械泵和分子泵将炉腔的真空度降低到至少3×10^-3Pa，然后用钛锭除去炉腔内的残余氧，在氩气保护气氛下对原料反复熔炼至少4次制成成分均匀的母合金锭。

(3)将制备的成分均匀的母合金锭置于非自耗真空电弧熔炼炉中的水冷铜模之上，在氩气保护的气氛下进行熔化，利用铜模吸铸装置将熔化的金属液快速吸铸到模具中，制备出不同规格的棒材和板材块体铁基非晶合金材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在不改变传统的非晶合金制备工艺和设备的情况下，制备了块状非晶合金材料。通过廉价工业用料海绵钛代替原有非晶体系中的贵重金属Nb，即维持了原有体系的较大玻璃形成能力及磁学和力学性能，又大大降低了合金的制造成本。块体非晶表现出了优异机械性能包括高的压缩强度和维氏硬度，良好的软磁性能包括高的磁饱和强度和较低的矫顽力，体现出该体系铁基非晶合金材料的巨大工业应用潜力，可广泛应用于国防工业与民用产品中，如变压器、电抗器，互感器等。

附图说明

图1是Fe_aB_bY_cNb_dTi_e系块体铁基非晶合金不同规格样品的实物照片；

图2是Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3,4)系铁基非晶合金不同成分样品对应的最大尺寸试样的X射线衍射图谱；

图3是Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3,4)系铁基非晶合金不同成分样品的热分析曲线；

图4是Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3)系铁基非晶合金直径2mm试样压缩实验应力应变曲线；

图5是Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3,4)系铁基非晶合金直径2mm试样的磁滞回线。

具体实施方式

本实施例按上述制备方法制备了不同组分的块体铁基非晶合金材料样品Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3,4)，具体如表1所示：

表1不同成分的Fe_aB_bY_cNb_dTi_e系非晶合金及其性能

如图1所示，采用本发明本技术，并通过添加多种金属的方法，使用工业纯铁、铁硼合金、海绵钛和其他金属可制备出直径2～6mm的棒状和厚度2mm、宽度10mm的板状铁基块体非晶合金试样。

采用X射线衍射法表征本实施例所得样品的结构。不同组分非晶合金及对应最大临界尺寸试样的X射线衍射图谱如图2所示，图谱中无明显尖锐峰出现，说明本实施例可以成功制备出铁基大块完全非晶合金材料，且成分为Fe₇₂B₂₀Y₄Nb₂Ti₂的非晶合金，其最大直径尺寸达6mm。

采用同步热分析仪表征所得样品的热力学参数，如图3所示。表1中列举了不同配比的Fe_aB_bY_cNb_dTi_e系块体铁基非晶合金及其对应热力学性能参数。在表中，通过增加使用廉价海绵钛，减少贵金属铌的使用，在降低制备成本的同时，成分为Fe₇₂B₂₀Y₄Nb₂Ti₂非晶合金具有最大的过冷液相区宽度(过冷液相区宽度＝晶化温度T_x－玻璃化转变温度T_g)为103K。

采用万能力学性能试验机表征成分Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3)，直径2mm、长度4mm的完全非晶柱状样品的机械性能，如图4所示，样品具有较大的压缩强度，最大值可达3400MPa。

采用综合物理性质测量仪表征成分Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x(x＝1,2,3,4)，直径2mm试样的磁学性能，如图5所示，该体系块体非晶合金材料表现出良好的软磁性能。

Claims (1)

1.一种块体铁基非晶合金材料的制备方法，其特征在于：

所述块体铁基非晶合金材料的组成的通式为Fe₇₂B₂₀Y₄Nb_4-xTi_x，x为1、2或3；其中72、20、4、4-x、x为合金材料中相应元素的原子百分比；

所述块体铁基非晶合金是按如下以下步骤进行制备：

(1)根据块状铁基非晶合金中各元素的原子百分比，称取各原料：B元素以工业用硼铁合金形式进行添加，并配合工业纯铁调整得到获得Fe元素含量；Y和Nb元素采用纯度为99.5wt.％的纯金属形式添加；Ti元素的添加使用工业用的低纯海绵钛；

(2)将原料放置于非自耗真空电弧熔炼炉中，使用机械泵和分子泵将炉腔的真空度降低到至少3×10^-3Pa，然后用钛锭除去炉腔内的残余氧，在氩气保护气氛下对原料反复熔炼至少4次制成成分均匀的母合金锭；

(3)将制备的成分均匀的母合金锭置于非自耗真空电弧熔炼炉中的水冷铜模之上，在氩气保护的气氛下进行熔化，利用铜模吸铸装置将熔化的金属液快速吸铸到模具中，制备出不同规格的棒材和板材块体铁基非晶合金材料。