CN106676432A - 一种低成本高形成能力的大块铁基非晶合金及其复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高性能非晶合金材料技术领域，具体是指一种采用工业原材料制备的低成本高形成能力的大块铁基非晶合金及其复合材料。通过合理的成分设计，全部采用工业级别原材料，本专利制备出7毫米的FeaCbSicBdPeMofAlgGah大块非晶合金，并通过元素S的添加制备出8毫米的大块铁基非晶合金复合材料，研究发现一定含量的硫可以增强大块铁基非晶合金的非晶形成能力。本发明公开的圆柱状铁基非晶合金及其复合材料棒材完全采用工业级别原材料制备，制备成本低，具备良好的商业化应用前景，有望在结构材料、精密机械、航空航天等领域获得广泛应用。

Description

一种低成本高形成能力的大块铁基非晶合金及其复合材料
技术领域
本发明属于高性能非晶合金材料技术领域，具体是指一种采用工业原材料制备的低成本高非晶形成能力的大块铁基非晶合金及其复合材料。
背景技术
铁基非晶合金因为其高的强度和硬度、优良的耐磨耐腐蚀性能以及相比目前广泛应用的硅钢更优异的软磁性能，正引起越来越多材料工作者的关注，已成为极具前途的新一代结构与功能材料。以高纯度元素、高真空或者适量添加稀土元素制备铁基非晶合金已有多个体系的临界尺寸突破1厘米(Lu Z P,Liu C T,Thompson J R,Porter W D.Phys Revlett 2004；92(24):245503；Ponnambalam V,Poon S J,Shiflet G J.J Mater Res 2004；19(5):1320-23.)，而这样的制备条件大大提高了铁基非晶的生产成本，极大地限制了其工程应用，因此寻求在工业条件下制备高非晶形成能力的低成本铁基块体非晶是目前非晶领域的研究热点之一。而制备低成本块体非晶合金一个重要方面就是采用工业级别的原材料，目前，已有多个合金体系采用工业原材料并且不采用稀土元素制备出铁基非晶条带软磁材料以及块体非晶合金。Fu等通过调整[(Fe0.5Co0.5)0.75B0.20Si0.05]100-xNbx合金中Nb的含量，用商业原料代替高纯原料，将其最大尺寸做到了4mm，尽管这一尺寸略小于用高纯原料制备出的5mm，但在制备成本上具有重大意义(Fu Y,Shen B，KimuraH,Makino A,InoueA.JAppl Phys 2010；107:09A315.)。Li等在2007年利用工业原材料制备出临界直径达6mm和7mm的Fe-C-Si-B-P-Cr-Mo-Al块体非晶合金(Li H X,Yi S,SohnH S.JMater Res 2007；22:164-168.)。尽管取得了一些进展，但是文献查询可知目前采用工业原材料制备的铁基块体非晶合金还存在着合金系偏少，非晶试棒尺寸偏小等问题。而这其中非常重要的一点在于目前工业原料中所含的硫和氧等杂质对非晶形成能力的影响规律还未完全澄清。2007年，Li等在Fe68.8C7.0Si3.5B5P9.6Cr2.1Mo2.0Al2.0合金研究中证实Fe-Si原材料中存在的主要杂质CaO和Al2O3明显地影响非晶形成能力，而以CaO影响最明显(Li H X,LuZ P,Yi S.MetMater Int 2009；15:7-14.)。Li等也证实一定量的氧可以增强大块铁基非晶合金的非晶形成能力(Li H X,Gao J E,Jiao Z B,Wu Y,Lu Z P.Appl Phys Lett 2009；95:161905.)。众所周知，硫也是工业原料中无法避免的重要杂质元素，然而目前相关的研究和报道几乎没有。
发明内容
本发明的目的在于：通过合理的成分设计，提供一种利用工业原材料制备的低成本高非晶形成能力的大块铁基非晶合金及其复合材料，全部采用工业级别原材料制备，并且硫元素作为合金成分中的添加元素在增强非晶形成能力上显示了一定的积极作用。
一种低成本高形成能力的大块铁基非晶合金，其特征在于，成分公式为FeaCbSicBdPeMofAlgGah；其中b的原子百分比范围为4-10，c的原子百分比范围为2.5-4，d的原子百分比范围为3-9，e的原子百分比范围为5-12，f的原子百分比范围为0-10，g的原子百分比范围为0-5，h的原子百分比范围为0-2，a为余量，a+b+c+d+e+f+g+h＝100。
在上述低成本高形成能力的大块铁基非晶合金基础上加入硫元素即可得到低成本高形成能力的大块铁基非晶合金复合材料，其成分公式如下：FeaCbSicBdPeMofAlgGahSi，其中b的原子百分比范围为4-10，c的原子百分比范围为2.5-4，d的原子百分比范围为3-9，e的原子百分比范围为5-12，f的原子百分比范围为0-10，g的原子百分比范围为0-5，h的原子百分比范围为0-2，i的原子百分比范围为0＜i≤2，a为余量，a+b+c+d+e+f+g+h+i＝100。
本发明所采用的制备方法为真空电弧熔炼，获得母合金后再通过铜模吸铸制备圆棒状块体铁基非晶合金及其复合材料。棒材的最大直径为8mm。
进一步地，所述母合金是以纯度大于95％的Fe、Mo、Al、Ga等元素以及工业生铁、Fe-Si、Fe-B、Fe-P、Fe-S等铁合金制备。
进一步地，所述方法具体包括以下步骤：
1)原料的准备
将FeaCbSicBdPeMofAlgGahSi中各元素的原子百分比换算成质量百分比，按照所述质量百分比分别称取上述原料；
2)母合金的制备
将步骤1)中称取的原料放入真空电弧炉中，利用氩气对真空电弧炉进行清洗，在氩气环境下开始熔炼，熔炼的条件为：电流100-200A，熔炼时间5-6分钟，完成一次熔炼后，待待炉体冷却，进行第二次熔炼，第二次熔炼的条件与第一次熔炼条件相同，按照第一次熔炼的条件重复熔炼至少4次，制备获得母合金；
3)圆棒状铁基非晶合金的制备
采用铜模吸铸的方法，首先把步骤2)中的母合金放入装有快速凝固铜模具的电弧炉中，使用电弧充分熔化后，快速打开吸铸阀，将熔融合金吸入不同尺寸型腔的铜模具中，即制得圆柱状非晶合金棒材。圆柱状样品直径为5-8mm。
进一步地，在步骤2)中，所述利用氩气对真空电弧炉进行清洗的方法具体为：首先抽真空至真空度为2.0×10-2Pa-3×10-2Pa，回充氩气至压力0.1MPa，然后再抽真空至真空度为7.0×10-3Pa-8.0×10-3Pa，再回充氩气至压力0.1MPa。
本发明的有益技术效果：
本发明公开的圆柱状铁基非晶合金棒材完全采用工业级别原料制备，制备成本低，具有大规模商业应用的前景，有望在结构材料、精密机械、航空航天等领域获得应用。
本发明通过研究杂质元素硫对块体铁基非晶合金非晶形成能力的影响，发现一定含量的硫可以增强块体铁基非晶合金的非晶形成能力。
附图说明
表1发明中所用工业级别铁合金的化学成分
表2实施例1中制备的Fe70.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5(7mm)和实施例2中制备的Fe69.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5S1.0(8mm)圆柱状非晶合金棒材的热稳定性参数
图1实施例1中制备的Fe70.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5(S-0,7mm)圆柱状非晶合金棒材背散射电子图像
图2实施例2中制备的Fe69.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5S1.0(S-1.0,8mm)圆柱状非晶复合材料背散射电子图像
图3实施例1中制得的Fe70.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5(S-0,7mm)和实施例2中制备的Fe69.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5S1.0(S-1.0,8mm)圆柱状非晶合金棒材DSC曲线
图4实施例1中制得的Fe70.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5(S-0,7mm)和实施例2中制备的Fe69.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5S1.0(S-1.0,8mm)圆柱状非晶合金棒材DTA曲线
具体实施方式
下面结合具体实施的例子对本发明做进一步说明。
实施例1Fe70.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5非晶棒材的制备
1)原料的准备
将Fe70.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5中各元素的原子百分比换算成质量百分比，按照所述质量百分比分别称取上述原料；
2)母合金的制备
将步骤1)称取的原料放入真空电弧炉中，利用氩气对真空电弧炉进行清洗，在氩气环境下开始熔炼，熔炼的条件为电流100-200A，熔炼时间5-6分钟。完成一次熔炼后，待待炉体冷却，进行第二次熔炼，第二次熔炼的条件与第一次熔炼条件相同，按照第一次熔炼的条件重复熔炼至少4次，制备获得母合金；
3)非晶棒材的制备
采用铜模吸铸的方法，首先把步骤2)中的母合金放入装有快速凝固铜模具的电弧炉中，使用电弧充分熔化后，快速打开吸铸阀，将熔融合金吸入不同尺寸型腔的铜模具中，即制得圆柱状非晶合金棒材。圆柱状样品直径为5-7mm，最大非晶试棒为7mm。
实施例2Fe69.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5S1.0非晶棒材的制备
1)原料的准备
将Fe69.4C7.1Si3.3B5.5P8.7Mo2.5Al2Ga0.5S1.0中各元素的原子百分比换算成质量百分比，按照所述质量百分比分别称取上述原料；
2)母合金的制备
将步骤1)称取的原料放入真空电弧炉中，利用氩气对真空电弧炉进行清洗，在氩气环境下开始熔炼，熔炼的条件为电流100-200A，熔炼时间5-6分钟。完成一次熔炼后，待待炉体冷却，进行第二次熔炼，第二次熔炼的条件与第一次熔炼条件相同，按照第一次熔炼的条件重复熔炼至少4次，制备获得母合金；
3)非晶棒材的制备
采用铜模吸铸的方法，首先把步骤2)中的母合金放入装有快速凝固铜模具的电弧炉中，使用电弧充分熔化后，快速打开吸铸阀，将熔融合金吸入不同尺寸型腔的铜模具中，即制得圆柱状非晶合金棒材。圆柱状样品直径为5-8mm，最大非晶试棒为8mm。
表1发明中所用工业级别铁合金的化学成分
表2热稳定性参数

Claims (6)

1.一种低成本高形成能力的大块铁基非晶合金，其特征在于，成分公式为FeaCbSicBdPeMofAlgGah；其中b的原子百分比范围为4-10，c的原子百分比范围为2.5-4，d的原子百分比范围为3-9，e的原子百分比范围为5-12，f的原子百分比范围为0-10，g的原子百分比范围为0-5，h的原子百分比范围为0-2，a为余量，a+b+c+d+e+f+g+h＝100。
2.一种低成本高形成能力的大块铁基非晶合金复合材料，其特征在于，成分公式如下：FeaCbSicBdPeMofAlgGahSi，其中b的原子百分比范围为4-10，c的原子百分比范围为2.5-4，d的原子百分比范围为3-9，e的原子百分比范围为5-12，f的原子百分比范围为0-10，g的原子百分比范围为0-5，h的原子百分比范围为0-2，i的原子百分比范围为0＜i≤2，a为余量，a+b+c+d+e+f+g+h+i＝100。
3.根据权利要求1所述的低成本高形成能力的大块铁基非晶合金或2所述的大块铁基非晶合金复合材料的制备方法，其特征在于真空电弧熔炼母合金，获得母合金后再通过铜模吸铸制备圆棒状块体铁基非晶合金及其复合材料，棒材的最大直径为8mm。
4.根据权利要求3所述的低成本高形成能力的大块铁基非晶合金或大块铁基非晶合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述母合金是以纯度大于95％的Fe、Mo、Al、Ga元素以及工业生铁、Fe-Si、Fe-B、Fe-P、Fe-S铁合金制备。
5.根据权利要求3所述的低成本高形成能力的大块铁基非晶合金或大块铁基非晶合金复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)原料的准备
将FeaCbSicBdPeMofAlgGahSi中各元素的原子百分比换算成质量百分比，按照所述质量百分比分别称取上述原料；
2)母合金的制备
将步骤1)中称取的原料放入真空电弧炉中，利用氩气对真空电弧炉进行清洗，在氩气环境下开始熔炼，熔炼的条件为：电流100-200A，熔炼时间5-6分钟，完成一次熔炼后，待待炉体冷却，进行第二次熔炼，第二次熔炼的条件与第一次熔炼条件相同，按照第一次熔炼的条件重复熔炼至少4次，制备获得母合金；
3)圆棒状铁基非晶合金的制备
采用铜模吸铸的方法，首先把步骤2)中的母合金放入装有快速凝固铜模具的电弧炉中，使用电弧充分熔化后，快速打开吸铸阀，将熔融合金吸入不同尺寸型腔的铜模具中，即制得圆柱状非晶合金棒材；圆柱状样品直径为5-8mm。
6.根据权利要求5所述的低成本高形成能力的大块铁基非晶合金或大块铁基非晶合金复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述利用氩气对真空电弧炉进行清洗的方法具体为：首先抽真空至真空度为2.0×10-2Pa-3×10-2Pa，回充氩气至压力0.1MPa，然后再抽真空至真空度为7.0×10-3Pa-8.0×10-3Pa，再回充氩气至压力0.1MPa。
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