CN106555063B - 工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法 - Google Patents

工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法，包括以下步骤：步骤一，合金锭的制备：按照母合金锭的成分，称取所需的各工业原料，然后将各工业原料放入高温炉的金属熔池中，加热使工业原料至1250℃以上充分熔化，得到熔化的金属溶液；步骤二，通过喷嘴在0.04MPa的气压下将氧气吹入金属溶液中，得到熔融的均质金属熔液；步骤三，将熔融的均质金属熔液利用气压直接吹入铜模中快冷；或者将金属熔液利用气压将压至洗玻璃管在冷水中淬火；或者将金属熔液利用气压喷至高速旋转的铜辊上得到铁基非晶合金条带。本发明提出利用工业化原料吹氧操作制备铁基非晶合金，降低了高纯原料和高纯氩气的成本，适合大规模工业化生产。

Description

工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法
技术领域
本发明属于非晶合金技术领域，特别涉及一种适合工业化制备铁基非晶合金的方法。
背景技术
非晶合金是一种原子排列不具有三维周期性，但在几个原子间距范围内仍呈现出一定的有序性，具有优异的物理、化学、力学等性能，有望成为支撑未来精密机械、信息、航空航天、国防工业等高新技术的关键材料。铁基非晶合金是组元中铁原子百分比最大的一类非晶合金体系，饱和磁化强度在1.0～1.7T、矫顽力可低于1.0A/m、磁导率可达450000，软磁性能远优于传统的硅钢片，自1967年发现以来就受到了广泛关注。特别是1995年首次制备出块体铁基非晶合金以来，发现其断裂强度可达4GPa以上、耐腐蚀性能比常规不锈钢高10000倍，也是一类极具应用潜力的结构与磁性功能材料。据美国金属学会研究，如果钢材强度能提高5％，桥梁寿命将增加1％，经济效益达300亿美元；铁基块体非晶合金断裂强度极高，可达碳钢的几倍至十几倍，若能将之应用于结构材料，产生的经济效益更是难以估量。近年来具有大非晶形成能力、优异性能的铁基块体非晶合金成分不断在实验室被开发出来，但是很少能够在工厂里重复制备并用于大规模工业化生产。目前便宜的铁基非晶合金的价格也在100美元/千克，而一般钢材的价格是1美元/千克左右，究其原因主要是目前采用的制备铁基非晶合金的方法要求要同时满足高纯原料和高纯度氩气环境保护这两个近乎苛刻的制备条件。传统观点认为氧气对铁基非晶形成是有害的：其一，氧气会诱导有害氧化物的形成，这些氧化物可以作为非均质形核点；其二，氧气能诱导类似于准晶相的亚稳相析出。这些亚稳相较于其它竞争晶相，可能析出更快，从而恶化合金的玻璃形成能力；其三，氧气会降低合金过冷液相区的稳定性，从而导致合金玻璃形成能力的减小。因此，长期以来铁基非晶合金研究领域一直认为氧气对非晶形成是有害的。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法，通过吹氧操作利用工业原料大规模制备铁基非晶合金，以突破现有技术中铁基非晶合金需要利用高纯原料在高纯度氩气环境中制备的局限。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法，包括以下步骤：
步骤一，合金锭的制备：按照铁基非晶合金的母合金锭的成分，称取所需的各工业原料，然后将各工业原料放入事先准备好的高温炉的金属熔池中，加热金属熔池使工业原料至1250℃以上充分熔化，得到熔化的金属溶液；
步骤二，通过喷嘴在0.04MPa的气压下将氧气吹入步骤一得到的熔化的金属溶液中，得到熔融的均质金属熔液；
步骤三，将步骤二得到的熔融的均质金属熔液利用气压直接吹入铜模中快冷；或者将金属熔液利用气压将压至洗玻璃管在冷水中淬火；或者将金属熔液利用气压喷至高速旋转的铜辊上得到铁基非晶合金条带。
步骤一中，所采用的工业原料包括Fe-P、Fe-C、Fe-Si。
步骤一中，加热时，对金属熔池内的金属进行搅拌，搅拌采用气体、机械或电磁感应的方法。
步骤一中，所述喷嘴置于高温炉底或者炉顶。
有益效果：本发明创造性的提出利用工业化原料吹氧操作制备铁基非晶合金，可以降低高纯原料和高纯氩气的成本，另外吹氧操作适合大规模工业化生产。现有铁基非晶合金需选用高纯原料并在高纯氩气中制备，以防止原料中的杂质与混入的氧气发生氧化反应。发明人的研究表明，适量的吹氧可促使金属熔液中的夹杂物快速上浮至熔体表面析出，同时避免合金氧化。因此，可以通过吹氧操作一举两得，显然该发明是现有铁基非晶合金制备技术的重要革新，用于工业化生产将大大提高铁基非晶合金的生产规模，带来巨大的经济效益。
附图说明
图1为利用本发明对铁基金属熔液进行吹氧和吹氩操作的实况对比；
图2为不同方法制备的铁基块体非晶合金的X射线衍射图；
图3为本发明制备的2mm铁基非晶棒的高分辨透射电子显微镜图；
图4为本发明制备样品与氩气气氛中制备样品的DSC图对比；
图5在不同气氛中制备出的铁基非晶合金微观结构形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例
本实施例是在实验室中进行，利用工业原料吹氧操作制备的铁基块体非晶合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金锭的制备：母合金锭的化学式为Fe80P13C7，其中，原料铁粉的纯度为99％，含有铝、铬、硫等杂质；制备上述母合金锭的中Fe-P、Fe-C工业原料的主要成分如下：
按照设定的合金成分按比例在精度为10-5g的电子天平上称得药品后，将药品放入事先洗好的干燥的石英玻璃管中，将石英玻璃管接入抽真空装置中抽真空，管内的真空度～30Pa。向管内充入高纯Ar气，再次抽真空，这样的洗气过程进行4-5次。最后，往石英管中通入1atm左右的Ar气做保护气体，利用火枪加热石英管底部的原料，使各元素加热熔化后融合为一个液态金属小球。待全部元素融入小球后，将石英管淬火在冷水中，得到母合金锭。
(2)母合金锭的提纯：将B2O3和CaO按照3：1的质量比混合，作为提纯介质，将混合好的提纯介质放置在封好的石英管内抽真空10分钟后，放置在高温炉中加热，待提纯介质完全熔化呈透明装好，打开石英管，将之前合成的母合金锭放入提纯介质中，高温炉中在1250℃下保温4小时以上。这个过程中，可每间隔半小时从高温炉取出石英管，看样品自取出到再辉的过冷时间，待过冷时间达到最大值并保持稳定时，向石英管中充入略小于一个大气压的Ar气，将石英管淬火，取出样品，用酒精清洗后干燥，以备后用。
(3)石英管的制备：将直径约1厘米，壁厚1毫米左右的石英管通过Benchburners114/1PSL an火枪加热至熔融状态后，在石英管两端均匀加载，将石英管拉长指所需长度，保持石英管两端相对位置固定，离开火枪高温区。将石英管从细管中间熔断，得到两根两端直径不一的新石英管。
(4)吹氧操作制备铁基非晶合金：把石英管的一端封口后，将氧化物提纯后的样品放置在石英管后接入实验系统，采用与步骤(1)相同的方法进行抽真空并洗气后，在玻璃管中充入在1atm左右的氧气后，用火枪加热合金至熔融，然后不断向合金熔液吹氧，待合金熔液液面稳定后，如图1所示，左图为吹氧操作；右图为常规氩气保护。再将熔融的金属球堵在细管端口，充入氧气，利用气压将熔融金属压至哑铃状细管中后，立即将石英管放在高温炉中保温，约1分钟后取出立即放入冷水中淬火，从而得到铁基块体非晶合金。
铁基块体非晶合金试样的结构检测：
X射线衍射仪(XRD)检测：在制备出的非晶合金样品上取样，在干净的容器中砸碎、研磨成粉末，利用X射线衍射仪检测析出相，不同直径的XRD图谱如图2所示，证明吹氧操作制备的2mm铁基合金棒材的结构为非晶态。
高分别透射电子显微镜检测：将制备好的铁基非晶棒取2～3mm长度，镶样研磨成0.5mm厚度以下的薄片状；然后利用离子剪薄仪剪薄好后放入透射电镜中，观察到的微观结构如图3所示，进一步证明工业原料吹氧操作制备的铁基非晶合金样品为完全非晶态。
差示扫描量热仪(DSC)检测：样品质量用精度为0.1mg的精密电子天平称量。将非晶合金样品通过DSC以20K/min的升温速率加热至过冷液相区放热峰附近的温度，然后4K/min的冷却速率降温至1100K后冷却至室温，在将这些热处理后的样品进行DSC分析，观察放热峰的变化，并与氩气中制备的同成分铁基非晶合金对比，如图4所示。可见吹氧操作制备的非晶棒的DSC曲线与常规方法制备的样品的DSC略有差异，这正是由吹氧促进合金中夹杂物析出导致的。
晶相显微镜照片：将不同气氛中制备出的铁基非晶合金样品在晶相显微镜下放大10000倍，观测微观结构，其中(a)为氩气中制备的铁基非晶合金；(b)在氧气中制备的铁基非晶合金。由图5可见，(a)图在氩气中制备的铁基非晶合金微观结构中含有不少1～2μm的杂质，而(b)图在氧气中制备的铁基非晶合金样品的微观结构未见明显杂质。表明在适量的吹氧操作可以促进夹杂物的析出，进而制备出结构理想的铁基非晶合金。
目前采用的制备铁基非晶合金的方法要求要同时满足高纯原料和高纯度氩气环境这两个近乎苛刻的制备条件。采用高纯原料的目的是为了减小原料中夹杂物(研究认为夹杂物会促进形核，不利于形成非晶)；采用高纯氩气是为了防止氧气合金组分，进而引入更多的氧化物杂质。这极大增加了重复制备铁基非晶合金的难度，也大大增加了制造成本，更不利于大规模工业化生产。
发明人在长期从事铁基非晶合金研究工作的基础上，创造性的提出了一种适合工业化生产的铁基非晶合金制备方法，即工业原料吹氧操作制备铁基非晶合金。利用该发明提出氧气不但对铁基非晶合金形成无害，而且可以通过浮力驱动夹杂物析出，进而提高非晶形成能力，降低生产制备铁基非晶合金过程中对原料高纯度的要求。该方法创造性的提出在工业原料熔炼制备非晶合金过程中，通过适量吹氧既可提高熔池温度，又能在不引入新的氧化物杂质的前提下促进合金熔液中原有夹杂物的析出。该发明是对传统铁基非晶合金制备技术的一次革新，有望大大提升了铁基非晶合金的生产规模和质量、带来巨大的经济效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式之一，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些针对铁基非晶合金中元素成分的调整、制造设备升级、生产规模扩大等方面的改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，合金锭的制备：按照母合金锭的成分，称取所需的各工业原料，然后将各工业原料放入事先准备好的高温炉的金属熔池中，加热金属熔池使工业原料至1250℃以上充分熔化，得到熔化的金属溶液；所采用的工业原料包括Fe-P、Fe-C、Fe-Si；
步骤二，通过喷嘴在0.04MPa的气压下将氧气吹入步骤一得到的熔化的金属溶液中，得到熔融的均质金属熔液；具体步骤为：把石英管的一端封口后，将氧化物提纯后的样品放置在石英管后接入实验系统，进行抽真空并洗气后，在玻璃管中充入在1 atm左右的氧气后，用火枪加热合金至熔融，然后不断向合金熔液吹氧，待合金熔液液面稳定后，再将熔融的金属球堵在细管端口，充入氧气；
步骤三，将步骤二得到的熔融的均质金属熔液利用气压直接吹入铜模中快冷；或者利用气压将熔融金属压至哑铃状细管中后，立即将石英管放在高温炉中保温，1分钟后取出立即放入冷水中淬火；或者将金属熔液利用气压喷至高速旋转的铜辊上得到铁基非晶合金条带。
2.根据权利要求1所述的工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法，其特征在于：步骤一中，加热时，对金属熔池内的金属进行搅拌，搅拌采用气体、机械或电磁感应的方式。
3.根据权利要求1所述的工业原料吹氧法制造铁基非晶合金的方法，其特征在于：步骤一中，所述喷嘴置于高温炉底或者炉顶。
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