CN106086715A - 一种全金属元素Fe‑Co‑Ni‑Mo‑Hf非晶合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全金属元素Fe‑Co‑Ni‑Mo‑Hf非晶合金，由铁磁性元素Fe、Co、Ni与过渡金属元素TM组成，其化学组分可表达为：((FexCoyNiz)aMobHfc，其中a+b+c＝100，a为70‑87at.％，b为7‑30at.％，c为6‑12at.％；x+y+z＝1，x值为0.50‑0.60，y值为0.15‑0.44，Z值为0‑0.32。本发明制得的全金属元素Fe基非晶态合金带材具有高弯曲断裂韧性、高硬度、较高饱和磁化强度以及良好非晶形成能力，且制备方法简单，操作便捷，适用于工业化生产。另外，本发明还提供了该种非晶合金的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及非晶态合金材料制备领域，特别涉及一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金，还涉及其制备方法。
背景技术
Fe基非晶合金材料因其高强度、高硬度、优异的耐蚀性能和磁性能，以及低廉的造价，已越来越引起研究者的关注，成为当前非晶合金研究中的热点。目前，已开发出来的Fe基非晶合金中除少部分体系以外，其余都具有优良的软磁性能，即较高饱和磁感应强度(可以缩小器件的体积)、高磁导率、低矫顽力(提高器件效率)、低损耗(减小器件温升)、低激磁电流和良好温度稳定性(-55℃至130℃长时间工作)等特点，是用于制造变压器、互感器、传感器和各类电机的铁芯的理想材料。当用作制造各类铁芯时，Fe基非晶合金带材与硅钢片、铁氧体等材料比较起来的最大劣势在于其加工性能差。众所周知，非晶合金都有高硬度，高脆性的特点，Fe基非晶合金的硬度约是硅钢片的5倍，由于硬度过高，脆性较大，使得对Fe基非晶合金的加工剪切非常困难，在常温下进行切割时，边缘容易出现碎裂、变形和起层现象。对Fe基非晶合金带材进行弯绕加工通常都是在热处理前进行，这样使生产效率有所提高，但材料过大的脆性依然是后续生产制造过程中遇到的重大困难问题。因此，Fe基非晶合金脆性较大的缺陷，使得其用于制造各类铁芯时工艺比较复杂，成品率不高等问题，由此产生的成本较高的劣势阻碍其大规模取代硅钢片等材料而走向市场，同时也制约其作为结构材料走向工程应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金，该合金材料通过在以磁性元素Fe、Co、Ni为基体的基础上加入过渡元素Mo、Hf来提高合金的非晶形成能力和塑性变形能力，同时不降低其磁性能；本发明的目的之二是提供该种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金的制备方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：
该种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金，由铁磁性元素Fe、Co、Ni与过渡金属元素TM组成，其化学组分可表达为：((FexCoyNiz)aMobHfc，其中a+b+c＝100，a为70-87at.％，b为7-30at.％，c为6-12at.％；x+y+z＝1，x值为0.50-0.60，y值为0.15-0.44，Z值为0-0.32。
进一步，所述TM为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：
该种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：配制称取原料
按合金最终各所述原子百分比称取各相应质量的金属单质，称重精确到0.0001g；
步骤2：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf母合金
将步骤1配得的原料放入高真空电弧熔炼炉中，先由机械泵预抽低真空到10-1Pa，再通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，采用钨电极氩弧熔炼母合金，在高纯氩气保护下，氩气压力0.04-0.06Mpa，先熔炼1-2分钟后，放入炉腔铜坩埚中的钛锭进行吸氧，再熔炼母合金，通过调节电流的大小来控制电弧中心温度，用电弧所产生的高温熔化金属，电流大小70-120A，熔炼温度1000-1500℃，时间2-3分钟，将合金锭在铜坩埚内反复翻转熔炼4-5次以便得到成分均匀的母合金；
步骤3：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带
将步骤2)制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf合金铸锭用砂纸打磨掉表面氧化皮并用丙酮清洗，然后将母合金铸锭粉碎成若干小块以便顺利装入石英玻璃管内，将装好母合金的石英管放入真空甩带机的感应炉中，通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，然后充入0.05Mpa的氩气保护气体；
开启铜辊旋转开关使铜辊转速达到40-60m/s，调节感应电流大小，以便母合金在石英管中熔化而形成具有稳定形状的熔池，快速将母合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，依靠铜辊的快速热传导极冷凝固即制得Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带。
进一步，在步骤1)中，是将合金成分表达式(原子个数％)转换为合金成分表达式(重量％)，分别对Fe、Co、Ni、Mo和Hf先进行去除氧化皮后再称重。
进一步，所述步骤1)中，各金属原料纯度均大于或等于99.80％。
本发明的有益效果是：
本发明制得的全金属元素Fe基非晶态合金带材具有高弯曲断裂韧性、高硬度、较高饱和磁化强度以及良好非晶形成能力，且制备方法简单，操作便捷，适用于工业化生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明的全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金，由铁磁性元素Fe、Co、Ni与过渡金属元素TM组成，其化学组分可表达为：((FexCoyNiz)aMobHfc，其中a+b+c＝100，a为70-87at.％，b为7-30at.％，c为6～12at.％；x+y+z＝1，x值为0.50-0.60，y值为0.15-0.44，Z值为0-0.32。
以下将通过具体的实施例阐述该非晶合金的制备方法。
实施例一
本实施例包括以下步骤：
步骤1：配制称取原料
将合金成分表达式(原子个数％)转换为合金成分表达式(重量％)，分别对纯度为99.8％的Fe、纯度为99.8％的Co、纯度为99.8％的Ni、纯度为99.8％的Mo和纯度为99.8％的Hf先进行去除氧化皮后再称重，称重精确到0.0001g，配制总重量为10克。
步骤2：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf母合金
将步骤1配料放入高真空电弧熔炼炉中，先由机械泵预抽低真空到10-1Pa，再通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，采用钨电极氩弧熔炼母合金，在高纯氩气保护下，氩气压力0.04Mpa，先熔炼1分钟放入炉腔铜坩埚中的钛锭以吸氧，再熔炼母合金，通过调节电流的大小来控制电弧中心温度，用电弧所产生的高温熔化金属，电流大小70A，熔炼温度1000℃，时间2分钟，将合金锭在铜坩埚内反复翻转熔炼4次以便得到成分均匀的母合金。
步骤3：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带
将步骤2制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf合金铸锭用砂纸打磨掉表面氧化皮并用丙酮清洗，然后将母合金铸锭粉碎成若干小块以便顺利装入石英玻璃管内。将装好母合金的石英管放入真空甩带机的感应炉中，通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，然后充入0.05Mpa氩气保护气体。
开启铜辊旋转开关使铜辊转速达到40/s，调节感应电流大小，以便母合金在石英管中熔化而形成具有稳定形状的熔池，快速将母合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，依靠铜辊的快速热传导极冷凝固即制得Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带，经实施例1制备的非晶薄带的宽度在3.5mm左右，厚度在30μm左右。
实施例二
步骤1：配制称取原料
将合金成分表达式(原子个数％)转换为合金成分表达式(重量％)，分别对纯度为99.9％的Fe、纯度为99.9％的Co、纯度为99.9％的Ni、纯度为99.9％的Mo和纯度为99.9％的Hf先进行去除氧化皮后再称重，称重精确到0.0001g，配制总重量为15克。
步骤2：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf母合金
将步骤1配料放入高真空电弧熔炼炉中，先由机械泵预抽低真空到10-1Pa，再通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上。采用钨电极氩弧熔炼母合金，在高纯氩气保护下，氩气压力0.06Mpa，先熔炼2分钟放入炉腔铜坩埚中的钛锭以吸氧，再熔炼母合金。通过调节电流的大小来控制电弧中心温度，用电弧所产生的高温熔化金属，电流大小120A，熔炼温度1500℃，时间3分钟，将合金锭在铜坩埚内反复翻转熔炼5次以便得到成分均匀的母合金。
步骤3：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带
将步骤2制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf合金铸锭用砂纸打磨掉表面氧化皮并用丙酮清洗，然后将母合金铸锭粉碎成若干小块以便顺利装入石英玻璃管内。将装好母合金的石英管放入真空甩带机的感应炉中，通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，然后充入0.05Mpa的氩气保护气体。
开启铜辊旋转开关使铜辊转速达到60m/s，调节感应电流大小，以便母合金在石英管中熔化而形成具有稳定形状的熔池，快速将母合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，依靠铜辊的快速热传导极冷凝固即制得Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带，经实施例2制备的非晶薄带的宽度在2.5mm左右，厚度在20μm左右。
实施例三
本实施例包括以下步骤：
包括以下步骤：
步骤1：配制称取原料
将合金成分表达式(原子个数％)转换为合金成分表达式(重量％)，分别对纯度为99.9％的Fe、纯度为99.9％的Co、纯度为99.9％的Ni、纯度为99.9％的Mo和纯度为99.9％的Hf先进行去除氧化皮后再称重，称重精确到0.0001g，配制总重量为12克；
步骤2：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf母合金
将步骤1配得的原料放入高真空电弧熔炼炉中，先由机械泵预抽低真空到10-1Pa，再通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，采用钨电极氩弧熔炼母合金，在高纯氩气保护下，氩气压力0.05Mpa，先熔炼1.5分钟后，放入炉腔铜坩埚中的钛锭吸氧，再熔炼母合金，通过调节电流的大小来控制电弧中心温度，用电弧所产生的高温熔化金属，电流大小100A，熔炼温度1300℃，时间2.5分钟，将合金锭在铜坩埚内反复翻转熔炼5次以便得到成分均匀的母合金；
步骤3：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带
将步骤2)制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf合金铸锭用砂纸打磨掉表面氧化皮并用丙酮清洗，然后将母合金铸锭粉碎成若干小块后装入石英玻璃管内，将装好母合金的石英管放入真空甩带机的感应炉中，通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，然后充入0.05Mpa氩气保护气体；
开启铜辊旋转开关使铜辊转速达到50m/s，调节感应电流大小，以便母合金在石英管中熔化而形成具有稳定形状的熔池，快速将母合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，依靠铜辊的快速热传导极冷凝固即制得Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带。经实施例3制备的非晶薄带的宽度在3mm左右，厚度在25μm左右。
为了进一步获知制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金的性能状况，对实施例一制得的薄带进行性能测试，步骤如下：
一、将制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带截取10毫克，在示差扫描量热分析仪(DSC)检测其热力学参数，具有750-870K玻璃转变温度，790-920K晶化温度。
二、将制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带截取20毫克，在VSM中测试其磁性能，饱和磁化强度为70-120emu/g。
三、将制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带截取一小段，经镶样后在维氏硬度计中测试其硬度，维氏硬度值为940-1120HV。
四、将制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带截取一段并弯曲成圆圈，把弯曲的合金带放在一对上下放置的平行板之间，使合金带各部分在平行板中也保持180°平行，水平降低上平行板，将合金带逐渐弯曲到更小的角度，通过公式ε＝t/(2r-t)(其中t表示带材厚度，r表示弯曲试验中带材的断裂半径)计算其弯曲断裂应变得ε＝1。
试验证明，获得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金具有良好的弯曲断裂韧性以及优异的磁性能，具有广阔的应用前景。
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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金，其特征在于：由铁磁性元素Fe、Co、Ni与过渡金属元素TM组成，其化学组分可表达为：((FexCoyNiz)aMobHfc，其中a+b+c＝100，a为70-87at.％，b为7-30at.％，c为6-12at.％；x+y+z＝1，x值为0.50-0.60，y值为0.15-0.44，Z值为0-0.32。
2.根据权利要求1所述的一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金，其特征在于：所述TM为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta或W。
3.如权利要求1或2所述的一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：配制称取原料
按合金最终各所述原子百分比称取各相应质量的金属单质，称重精确到0.0001g；
步骤2：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf母合金
将步骤1配得的原料放入高真空电弧熔炼炉中，先由机械泵预抽低真空到10-1Pa，再通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，采用钨电极氩弧熔炼母合金，在高纯氩气保护下，氩气压力0.04-0.06Mpa，先熔炼1-2分钟后，放入炉腔铜坩埚中的钛锭进行吸氧，再熔炼母合金，通过调节电流的大小来控制电弧中心温度，用电弧所产生的高温熔化金属，电流大小70-120A，熔炼温度1000-1500℃，时间2-3分钟，将合金锭在铜坩埚内反复翻转熔炼4-5次以便得到成分均匀的母合金；
步骤3：制备Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带
将步骤2)制得的Fe-Co-Ni-Mo-Hf合金铸锭用砂纸打磨掉表面氧化皮并用丙酮清洗，然后将母合金铸锭粉碎成若干小块后装入石英玻璃管内，将装好母合金的石英管放入真空甩带机的感应炉中，通过扩散泵抽高真空使真空度达到4×10-3Pa以上，然后充入0.05Mpa氩气保护气体；
开启铜辊旋转开关使铜辊转速达到40-60m/s，调节感应电流大小，以便母合金在石英管中熔化而形成具有稳定形状的熔池，快速将母合金熔体喷射到高速旋转的铜辊上，依靠铜辊的快速热传导极冷凝固即制得Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金薄带。
4.根据权利要求3所述的一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金的制备方法，其特征在于：在步骤1)中，是将合金成分表达式(原子个数％)转换为合金成分表达式(重量％)，分别对Fe、Co、Ni、Mo和Hf先进行去除氧化皮后再称重。
5.根据权利要求3所述的一种全金属元素Fe-Co-Ni-Mo-Hf非晶合金的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，各金属原料纯度均大于或等于99.80％。
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