CN105154795A - 一种铁基非晶合金及其用途 - Google Patents

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李峰伟
王益山
杜平
周俊然
魏刚
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Abstract

本发明公开了一种铁基非晶合金及其用途，该铁基非晶合金组成为：Fe100-a-b-c-d-eCraNbbBcCdSieXf，其中，a、b、c、d、e、f为各组分的原子百分含量，且满足a为3.5～12.5，b为1.8～3.5，c为16.0～17.5，d为2.9～4.8，e为0.5～0.9，f为0～5.6；X为Mo、Cu、W、Mn中至少一种，Xf的组成为：MowCuxWyMnz，其中，w、x、y、z为各组分的原子百分含量，且满足w为0～3.5，x为0～2.7，y为0～3.0，z为0～1.5；该铁基非晶合金中部分组分采用合金代替高纯元素制备而成，采用现有制备工艺即可，制备方法简单，大幅降低成本，并且制备出的铁基非晶合金含有一系列耐磨相组元，可制成耐磨涂层，应用于表面工程领域，达到表面耐磨损效果，其可制备成用于变压器线圈和电磁材料的带材或用于热喷涂和堆焊粉末材料。

Description

一种铁基非晶合金及其用途
技术领域
本发明涉及铁基非晶合金技术领域，具体而言，涉及一种铁基非晶合金及其用途。
背景技术
非晶合金是一类具有特殊原子排布结构的金属合金。与传统金属合金的原子在空间中周期排布，具备长程有序的晶态结构不同，金属玻璃结构不具有周期性和平移对称性，仅仅由于原子间的相互关联作用，在1～2nm范围内存在短程序特征，而正是由于该独特的原子无序排列，使得它具有优异的力学、物理和化学性能。
铁基非晶合金作为其中一类重要的非晶合金，不仅具有一般非晶合金所具有的特点，且大部分铁基非晶合金还具有优异的软磁性能，在磁性材料中获得了广泛的应用；同时，最重要的是自然界中铁的资源丰富、制备非晶时要求真空度低等特点使得材料成本和制备成本低，容易获得推广使用。
CN101492794B报道了一种“铁基非晶态材料及其用途”，该铁基非晶材料的原子百分比组成式为：Fe100-a-b-c-d-eNiaCrbPcTdDe，其中，a为0.5-8，b为5-26，c为3-15，d为8-20且e为0-8；T为选自B、C和Si中的一种或多种，D为选自Y、V、Zr、Mo、Nb、Cu、Al、Ga、Sn、W和Mn中的五种或更少。该铁基非晶材料不仅含有Ni等贵金属，而且Ni、P都是有毒元素，推广应用受到限制。
因此，目前现有技术依然需要成本低廉，非晶形成能力较好，同时具有多种用途的铁基非晶合金材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种成本低、非晶形成能力较好、可用于制备耐磨涂层的铁基非晶合金。
为此，本发明的技术方案如下：
一种铁基非晶合金，所述铁基非晶合金的组成为：
Fe100-a-b-c-d-eCraNbbBcCdSieXf，
其中，a、b、c、d、e、f为各组分的原子百分含量，且满足a为3.5～12.5，b为1.8～3.5，c为16.0～17.5，d为2.9～4.8，e为0.5～0.9，f为0～5.6；
X为Mo、Cu、W、Mn中至少一种，Xf的组成为：MowCuxWyMnz，
其中，w、x、y、z为各组分的原子百分含量，且满足w为0～3.5，x为0～2.7，y为0～3.0，z为0～1.5。
在该铁基非晶合金原料成分中，B、C均为类金属元素，在降低非晶合金的临界冷却速率外，主要用于形成非晶合金，并且B、C均为重要的耐磨相形成元素；Si、Mn元素均具有联合脱氧和固溶强化作用，可以降低熔点，提高熔融金属流动性，提高非晶形成能力；Cr、Nb、Mo、W能够提高非晶合金的非晶形成能力、抗氧化性能和释放非晶合金带材的应力，同时也是强碳化物形成元素；而Cu可以促使各组分的融合更加充分，提高韧性。
优选地，所述Cr原子的原子百分含量a为3.3～8.5。
优选地，所述Nb原子的原子百分含量b为2.5～3.1。
优选地，所述B原子的原子百分含量c为16.7～17.3。
优选地，所述C原子的原子百分含量d为3.3～4.2。
优选地，所述Si原子的原子百分含量e为0.7～0.8。
所述Cr原子来源于铬铁合金，所述Nb原子来源于铌铁合金，所述B原子来源于硼铁合金，所述Mo原子来源于钼铁合金，所述C原子、所述Si原子、所述Cu原子、所述W原子和所述Mn原子分别来源于纯碳，纯硅，纯铜，纯钨和纯锰。其中，Cr原子、Nb原子、B原子和Mo原子采用铁合金代替高纯元素的加入，大幅降低了合金成本。
所述铁基非晶合金能够制成带材或粉末材料。
所述带材的用途选自变压器线圈和电磁材料，所述粉末材料的用途选自热喷涂和堆焊。
本发明所述的铁基非晶合金制备方法没有特别的限制，本领域技术人员可以根据最终材料的具体形式选择合适的制备方法，如上所述，铁基非晶合金其材料的形式可以形成为多种形式，其中包括但不限于粉末材料、带材等，对于每一种形式的材料，现有技术均有已知的制备技术；本领域技术人员能够将上述已知的制备技术用于本发明中的材料制备，而且本领域技术人员也能够采用上述方法之外的适当方法来实现本发明中的材料。
与现有技术相比，该铁基非晶合金中部分组分采用合金代替高纯元素按一定配方比例利用常规非晶合金制备方法即可制备而成，制备工艺简单，大幅降低成本，并且制备出的铁基非晶合金含有一系列耐磨相组元，可制成耐磨涂层，应用于表面工程领域，达到表面耐磨损效果。
附图说明
图1是本发明实施例1～6制得的非晶条带样品的X射线衍射图；
图2是本发明实施例1和5制得的非晶粉末的X射线衍射图；
图3是本发明实施例1～6制得的合金锭样品的X射线衍射图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合，即以下实施例仅出于举例说明的目的。
(一)合金样品称量
以如下表1所示的实施例1～6中铁基非晶合金的配方进行称量，其中制备目标铁基非晶合金的原料选自：99.9wt.％Fe、99.9wt.％C、99.8wt.％Mn、99.9wt.％Cu、99.9wt.％Si、99.9wt.％W、铬铁合金、铌铁合金、硼铁合金和钼铁合金。
表1：铁基非晶合金中各元素的原子百分数
(二)合金锭的熔炼：
将称量的金属原料混合，放入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，在纯氩气保护下进行合金熔炼，反复熔炼3次，得到成分均匀的合金锭。
(三)铁基非晶合金带材及粉末材料的制备：
(1)铁基非晶合金带材的制备：
将合金锭破碎后放入石英管中，石英管喷嘴尺寸为：长8mm×宽1mm。将装料后的石英管置于感应加热线圈中，运用真空铜辊甩带技术，在高纯氩气保护下，将合金试料熔化并喷射到旋转线速度为40m/s的水冷铜辊上，获得合金条带样品。合金条带的典型尺寸为：宽3mm×厚60μm。
其中，带子的宽度与厚度可以通过甩带工艺参数(例如铜辊转速、石英管喷嘴尺寸以及喷嘴-铜辊间的距离等)调节。
(2)铁基非晶合金粉末材料的制备：
将金属原料在感应炉中熔化、精炼后，熔化的金属液体倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴，此时熔体流被高压气体流所雾化。雾化后的金属粉末在雾化塔中进行凝固、沉降，落入收粉罐中。
性能测试：
通过X射线衍射(XRD)方法检测铁基合金锭、条带样品和粉末样品的相组成并利用维式硬度计测量合金锭的硬度。
(一)组织结构分析：
利用德国生产的型号为BrukerD8FocusX的射线衍射仪(CuKα辐射，λ＝0.15406nm)对实施例1～6制备而成的合金锭、合金条带和粉末分别进行组织结构分析：
如图1所示，根据实施例1～6各原子百分比制备的带材XRD衍射图上有明显的漫散射峰，在衍射仪的有效分辨率内没有观察到明显的代表晶化相的布拉格衍射峰，说明所得到的条带样品为非晶态。如图2所示，实施例1和5制备得到的粉末XRD图也是典型的非晶曲线，说明所得到的粉末样品为非晶态。
由图3合金锭的XRD图谱可知，实施例1～6制备而成的合金锭中分别含有NbC和Fe2B硬质相以及α-Fe为基体的组织结构。
(二)合金锭维氏硬度的测量：
利用华银HV-1000A维式硬度计，在载荷为200g，加载时间10s的条件下，对实施例1～6制备而成的合金锭的维氏硬度进行了测量，结果如下表2所示：
表2：实施例1～6合金锭维氏硬度
实施例 铁基非晶合金 维氏硬度(HV)
实施例1 Fe66.7Cr8.5Nb3.1B16.7C4.2Si0.8 1179
实施例2 Fe66.7Cr5.2Mo3.3Nb3.1B16.7C4.2Si0.8 1141
实施例3 Fe66.7Cr5.2Mo3.3Nb3.1B16.7C3.3Si0.8Mn0.9 1122
实施例4 Fe66.7Cr6.5W2Nb2.5B17.3C4.2Si0.7Mn0.1 1081
实施例5 Fe63.5Cr8.5Cu2Nb3.1B17.3C4.4Si0.7Mn0.5 1126
实施例6 Fe66.7Cr3.3Mo3.2Cu2Nb3.1B16.7C4.2Si0.7Mn0.1 1079
涂层的耐磨性与硬度和组织结构密切相关，上述六个实施例中成分合金锭的维氏硬度均在HV1100左右，最高的可达HV1179，而且合金锭中含有硬质合金相(NbC和Fe2B相)以及具有韧性的α-Fe基体相，这都表明本发明提供的铁基非晶合金可满足耐磨涂层的硬度和组织结构要求。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的组成为：
Fe100-a-b-c-d-eCraNbbBcCdSieXf，
其中，a、b、c、d、e、f为各组分的原子百分含量，且满足a为3.5～12.5，b为1.8～3.5，c为16.0～17.5，d为2.9～4.8，e为0.5～0.9，f为0～5.6；
X为Mo、Cu、W、Mn中至少一种，Xf的组成为：MowCuxWyMnz，
其中，w、x、y、z为各组分的原子百分含量，且满足w为0～3.5，x为0～2.7，y为0～3.0，z为0～1.5。
2.根据权利要求1所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述Cr原子的原子百分含量a为3.3～8.5。
3.根据权利要求1所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述Nb原子的原子百分含量b为2.5～3.1。
4.根据权利要求1所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述B原子的原子百分含量c为16.7～17.3。
5.根据权利要求1所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述C原子的原子百分含量d为3.3～4.2。
6.根据权利要求1所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述Si原子的原子百分含量e为0.7～0.8。
7.根据权利要求1～7所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述Cr原子来源于铬铁合金，所述Nb原子来源于铌铁合金，所述B原子来源于硼铁合金，所述Mo原子来源于钼铁合金，所述C原子、所述Si原子、所述Cu原子、所述W原子和所述Mn原子分别来源于纯碳，纯硅，纯铜，纯钨和纯锰。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金能够制成带材或粉末材料。
9.根据权利要求9所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述带材的用途选自变压器线圈和电磁材料，所述粉末材料的用途选自热喷涂和堆焊。
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