CN106282848B - 一种铁基非晶合金复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe_aAl_bGa_cY_3‑dV_dIn_xCo_yB_zSi_r，其中a，b，c，d，x，y，z，r为原子百分比，70≤a≤76，3≤b≤5，c的值为0或2，0≤d≤3，0≤x≤1.86，8≤Co≤10，z的值为4或8，0≤r≤3。本发明的铁基非晶合金复合材料具备优异的高塑性和软磁性能，其饱和磁感应强度达到B_s=1.73T，通过采用粉末冶金的方式制备出的大块非晶合金复合材料的致密度达到98.7%，强度高达2.08GPa，力学性能良好，能够满足工业需要，同时，本发明的铁基非晶合金复合材料不含有昂贵的稀土元素，唯一较贵的铟元素需求量也极少，因此其制造成本不高，工艺不复杂，易于实现商业化生产。

Description

一种铁基非晶合金复合材料

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种铁基非晶合金复合材料。

背景技术

铁基非晶及纳米晶合金具有优异的软磁、力学性能，低廉的价格，在功能材料和结构工程材料具有广泛的应用前景。但是其非晶形成能力仍然有限，饱和磁化强度低于传统的硅钢合金，退火晶化后，虽然提高了饱和磁化强度和磁导率，但是合金的两次晶化温度区间过窄，非晶相居里温度偏低，晶化后材料变脆等缺陷限制材料的高温应用。另外，铁基非晶合金缺少室温塑性，材料易发生脆性断裂。如何通过合理的成分设计提高铁基非晶合金非晶形成能力，增强非晶合金导磁和韧性，降低矫顽力和脆性，对开发高性能的铁基非晶及复合材料有现实意义。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供铁基非晶合金复合材料，通过优化成分设计和采用合适的制备工艺，使得到的铁基非晶合金复合材料具备优秀的导磁性、室温塑性和较小的矫顽力等综合性能，以弥补现有材料的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe_aAl_bGa_cY_3-dV_dIn_xCo_yB_zSi_r，其中a，b，c，d，x，y，z，r为原子百分比，70≤a≤76，3≤b≤5，c的值为0或2，0≤d≤3，0≤x≤1.86，8≤Co≤10，z的值为4或8，0≤r≤3。

作为优选，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₆Al₄Ga₂Y₃In_1.86Co₈B₄Si_1.14。

作为优选，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₂Al₅Ga₂V₃Co₁₀B₈。

作为优选，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₀Al₃Ga₂Y_1.63 V_1.37In₁Co₁₀B₈Si₃。

作为优选，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₆Al₅Y_1.47V_1.53Co₉B₄Si₃。

进一步，本发明的基非晶合金复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为80μm的Ga粉，纯度为99%，粒度为75μm的Y粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为97.5%，粒度为120μm的In粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、In的加入能够增大有效剪切带形成的区域，剪切带形成区域的集体移动促使剪切带的形成，使得合金在塑性流动过程中产生大的内应力集中，并形成新的剪切带形成区域，进而提高了非晶合金复合材料的塑性，同时，为了进一步提高非晶合金复合材料的室温塑性，通过机械球磨，热处理等方式使合金材料内析出纳米尺度不均匀的晶态相，纳米尺度晶态相能阻碍剪切带的快速扩展，促进剪切带分叉，形成多重剪切带，从而提高塑性，由于析出的纳米晶主要为α-Fe晶粒，α-Fe晶粒通过晶间残存的非晶相发生强烈的次交换耦合作用，使得磁晶各向异性大为减小，软磁性能得到优化，同时，Co原子能与非晶基体中的Fe原子发生铁磁耦合，形成Fe-Co和Co-Co原子对，通过退火工艺形成铁磁纳米双相合金，使原来非晶相中产生了一定的铁磁有序，提高了合金材料的居里温度，因此，本发明的铁基非晶合金复合材料具备优异的高塑性和软磁性能，其饱和磁感应强度达到B_s=1.73T；

2、采用粉末冶金的方式可制备出大块非晶合金复合材料，将非晶合金粉末高压烧结后，得到的大块非晶合金的致密度达到98.7%，强度高达2.08GPa，力学性能良好，能够满足工业需要；

3、本发明的铁基非晶合金复合材料不含有昂贵的稀土元素，唯一较贵的铟元素需求量也极少，因此其制造成本不高，工艺不复杂，易于实现商业化生产。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₆Al₄Ga₂Y₃In_1.86Co₈B₄Si_1.14，其制备方法包括以下几个步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为80μm的Ga粉，纯度为99%，粒度为75μm的Y粉，纯度为97.5%，粒度为120μm的In粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

实施例二

一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₂Al₅Ga₂V₃Co₁₀B₈，其制备方法包括以下几个步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为80μm的Ga粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

实施例三

一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：：Fe₇₀Al₃Ga₂Y_1.63 V_1.37In₁ Co₁₀B₈Si₃，其制备方法包括以下几个步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为80μm的Ga粉，纯度为99%，粒度为75μm的Y粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为97.5%，粒度为120μm的In粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

实施例四

一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₆Al₅Y_1.47V_1.53Co₉B₄Si₃，其制备方法包括以下几个步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为75μm的Y粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

实施例五

一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₄Al₃V₃In_1.54Co₉B₈Si_1.46，其制备方法包括以下几个步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为97.5%，粒度为120μm的In粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

实施例六

一种铁基非晶合金复合材料，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₆Al₅Ga₂Y_1.27V_1.73Co₈B₄Si₂，其制备方法包括以下几个步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为80μm的Ga粉，纯度为99%，粒度为75μm的Y粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐要抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。

测试上述各实施例得到的铁基非晶合金，其性能如下表所示：

由上表可得到，当非晶合金中含有铟时，其综合性能最佳，当非晶合金中不含有铟时，非晶合金随Co含量的增多，其饱和磁感应强度增大，而当B元素增多时，非晶合金的饱和磁感应强度反而减小，同时，随着V含量的增加，非晶合金的非晶形成能力，非晶热稳定性依次在降低，矫顽力升高，饱和磁感应强度得到明显提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铁基非晶合金复合材料，其特征在于，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe_aAl_bGa_cY_3-dV_dIn_xCo_yB_zSi_r，其中a，b，c，d，x，y，z，r为原子百分比，70≤a≤76，3≤b≤5，c的值为0或2，0≤d≤3，0＜x≤1.86，8≤y≤10，z的值为4或8，0≤r≤3。

2.如权利要求1所述的铁基非晶合金复合材料，其特征在于，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₆Al₄Ga₂Y₃In_1.86Co₈B₄Si_1.14。

3.如权利要求1所述的铁基非晶合金复合材料，其特征在于，所述铁基非晶合金复合材料的组成为：Fe₇₀Al₃Ga₂Y_1.63 V_1.37In₁ Co₁₀B₈Si₃。

4.如权利要求1-3之一所述的铁基非晶合金复合材料，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

步骤一、原料准备，分别取纯度为99.99%，粒度为40μm的Fe粉，纯度为99.5%，粒度为80μm的Al粉，纯度为99%，粒度为80μm的Ga粉，纯度为99%，粒度为75μm的Y粉，纯度为99.5%，粒度为75μm的V粉，纯度为97.5%，粒度为120μm的In粉，纯度为98.5%，粒度为75μm的Co粉，纯度为99.9%，粒度为15μm的B粉和 纯度为99.9%，粒度为75μm的Si粉，按原子百分比配成名义合金成分，然后与直径为8mm的硬质合金球一起置于行星式球磨罐中进行球磨，球磨前球磨罐抽真空处理，待球磨罐内真空度达到0.5Pa时，向球磨罐内充入1MPa的氩气，球磨时球磨机转速为300r/min，球粉质量比为25:1，球磨时间为150h，得到铁基非晶粉末；

步骤2、将得到的铁基非晶粉末置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为550℃，升温速率为20℃/min，退火时间为1h，得到退火后的铁基非晶粉末；

步骤3、将得到的退火后的铁基非晶粉末置于导热率大于30W/（m·K）的硬质合金模具中，装配好模具，然后将模具置于放电等离子烧结设备中进行高压烧结，烧结前抽取烧结室内的真空至0.5Pa，烧结时烧结压力为500MPa，烧结温度为950℃，升温速率为90℃/min，保温8min，最后快速冷却至室温。