CN106868429A - 一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，其合金元素百分比表达式为Co_aFe_bNi_cCr_dMn_eN_fC_gB_h，其中35≤a≤65，0≤b≤10，0≤c≤10，10≤d≤20，5≤e≤15，10≤f≤20，0≤g≤5，0≤h≤5，a+b+c+d+e+f+g+h＝100。本发明所述的钴基非晶合金材料具有宽的过冷液相区,其过冷液相区ΔT_x在60K-80K之间即具有较好的热塑成形性能；本发明所述的非晶合金可通过球磨法、熔炼铸造法等方法制备，制备工艺较为简单，成本较低。

Description

一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金

技术领域

本发明涉及一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，属于非晶合金新材料技术领域。

背景技术

非晶合金材料是指材料内部的原子在三维空间上的排列是长程无序而短程有序的金属或合金材料，简称为非晶合金。非晶合金材料不存在晶体结构中的晶界、层错等缺陷，故其在机械性能、化学性能及磁学性能等方面具有优异的性能，且由于其原子排列无长程有序，故性能是各向同性的。

钴基非晶合金具有优越的工程应用性能：高强度和硬度、优良的磁性能和耐蚀性能、高的热稳定性，可作为结构材料和功能材料，尤其可利用其软磁性能，制成各种磁性器件应用于电子技术领域，如电流互感器、大功率开关电源、逆变电源和程控交换机电源的变压器等。尽管钴基非晶的玻璃形成能力较弱，但独特的性能使得它们具有重大的工程应用前景，因此为了拓展磁性非晶合金的工业应用，就促使人们不断地去寻找具有较宽过冷液相区的钴基非晶合金体系，因为过冷液相区的宽度大小一般而言与其非晶形成能力成正比。

从钴基非晶的提出到现在为止，国内外研究者提出的钴基非晶合金体系过冷液相区宽度普遍较小，如日本东北大学的井上等提出的Co-M-Al-Ga-P-B-C(M＝Cr，V，Fe)的过冷液相区宽度达到51k；Itoi T.等提出的Co-Fe-Zr-M-B(M＝Nb，Tb，W)体系中Co₆₃-Fe₇-Zr_10-x-M_x-B₂₀非晶合金过冷液相区宽度最大只能达到45K；中科院宁波材料所的沈宝龙等人提出的Co-Fe-Ni-B-Si体系的过冷液相区宽度在40-60K之间，Co-Fe-B-Si-Nb的过冷液相区宽度也在44-59K。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金。

本发明目的的技术解决方案是：一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，所述非晶合金元素百分比表达式为Co_aFe_bNi_cCr_dMn_eN_fC_gB_h，其中35≤a≤65，0≤b≤10，0≤c≤10，10≤d≤20，5≤e≤15，10≤f≤20，0≤g≤5，0≤h≤5，a+b+c+d+e+f+g+h＝100。

一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，所述合金采用球磨法或者熔炼铸造法制备。

通过球磨法制备上述钴基非晶合金，包括以下步骤：

(1)配料：将高纯粉末Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、C、B按照钴基非晶合金组成进行配料并混合，得到非晶合金原料；

(2)球磨：将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球磨罐中通入高纯氮气进行保护，球料质量比为2:1，转速为400r/min，球磨时间为100h。

通过熔炼铸造法制备上述钴基非晶合金，包括以下步骤：

(1)配料：将高纯Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、C、B按照钴基非晶合金组成进行配料并混合，得到非晶合金原料；

(2)非晶钴基合金的熔炼：首先抽真空，然后充入氩气和氮气的混合气体(氩气：氮气＝2：1)至气压为0.06-0.08MPa，将非晶合金原料熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，铸造，得到成分均匀的钴基非晶合金锭；

(3)钴基块体非晶合金制备：首先抽真空，然后充入氩气和氮气的混合气体(氩气：氮气＝2：1)至气压为0.06-0.08MPa，将钴基非晶合金锭在连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。

与现有钴基非晶合金体系相比，本发明取得的有益效果是：

(1)本发明制得的钴基非晶合金，具有较宽的过冷液相区，其过冷液相区宽度ΔT_x在60K-80K之间，确保了其具有良好的热塑成形性能；

(2)该体系合金良好的热塑成形性能提高了非晶合金的实际使用价值，确保了该系列的非晶合金在结构材料、电子技术等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例12所述的钴基非晶合金DSC图。

图2为本发明实施例12所述的钴基非晶合金XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明。

实施例1.Co₆₀Cr₁₅Mn₁₀N₁₅

采用球磨法制备：将高纯粉末Co、Mn、Cr、MnN、CrN按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球料质量比为2:1，球磨罐抽真空后充入高纯氮气进行保护，球磨机转速为400r/min，球磨时间为100h。最终得到成分均匀的Co₆₀Cr₁₅Mn₁₀N₁₅粉末。对所得钴基非晶粉末进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝60K。

实施例2.Co₆₅Cr₁₀Mn₁₀N₁₅

采用熔炼铸造法制备：将高纯Co、Mn、Cr、MnN、CrN按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合后的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气+氮气(氩气：氮气＝2：1)的保护下进行熔炼，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，得到成分均匀的Co₆₅Cr₁₀Mn₁₀N₁₅合金锭。将合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在混合气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。对所得钴基非晶合金进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝62K。

实施例3.Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₂₀

采用球磨法制备：将高纯粉末Co、Mn、Cr、MnN、CrN按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球料质量比为2:1，球磨罐抽真空后充入高纯氮气进行保护，球磨机转速为400r/min，球磨时间为100h。最终得到成分均匀的Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₂₀粉末。对所得钴基非晶合金粉末进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝64K。

实施例4.Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅C₅

采用熔炼铸造法制备：将高纯Co、Mn、Cr、MnN、CrN、C按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合后的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气+氮气(氩气：氮气＝2：1)的保护下进行熔炼，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，得到成分均匀的Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅C₅合金锭。将合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在混合气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。对所得钴基非晶合金进行XRD及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝71K。

实施例5.Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅B₅

采用球磨法制备：将高纯粉末Co、Mn、Cr、MnN、CrN、B按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球料质量比为2:1，球磨罐抽真空后充入高纯氮气进行保护，球磨机转速为400r/min，球磨时间为100h。最终得到成分均匀的Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅B₅粉末。对所得钴基非晶合金粉末进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝70K。

实施例6：Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅C_2.5B_2.5

采用熔炼铸造法制备：将高纯Co、Mn、Cr、MnN、CrN、C、B按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合后的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气+氮气(氩气：氮气＝2：1)的保护下进行熔炼，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，得到成分均匀的Co₅₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅C_2.5B_2.5合金锭。将合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在混合气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。对所得钴基非晶合金进行XRD及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝72K。

实施例7.Co₄₅Fe₁₀Cr₁₅Mn₁₀N₂₀

采用球磨法制备：将高纯粉末Co、Fe、Mn、Cr、MnN、CrN按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球料质量比为2:1，球磨罐抽真空后充入高纯氮气进行保护，球磨机转速为400r/min，球磨时间为100h。最终得到成分均匀的Co₄₅Fe₁₀Cr₁₅Mn₁₀N₂₀粉末。对所得钴基非晶合金粉末进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝72K。

实施例8.Co₄₅Ni₁₀Cr₁₅Mn₁₀N₂₀

采用熔炼铸造法制备：将高纯Co、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合后的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气+氮气(氩气：氮气＝2：1)的保护下进行熔炼，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，得到成分均匀的Co₄₅Ni₁₀Cr₁₅Mn₁₀N₂₀合金锭。将合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在混合气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。对所得钴基非晶合金进行XRD及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝72K。

实施例9.Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₂₀

采用球磨法制备：将高纯粉末Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球料质量比为2:1，球磨罐抽真空后充入高纯氮气进行保护，球磨机转速为400r/min，球磨时间为100h。最终得到成分均匀的Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₂₀粉末。对所得钴基非晶合金粉末进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝75K。

实施例10.Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅C₅

采用熔炼铸造法制备：将高纯Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、C按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合后的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气+氮气(氩气：氮气＝2：1)的保护下进行熔炼，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，得到成分均匀的Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅C₅合金锭。将合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在混合气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。对所得钴基非晶合金进行XRD及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝76K。

实施例11.Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅B₅

采用球磨法制备：将高纯粉末Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、B按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球料质量比为2:1，球磨罐抽真空后充入高纯氮气进行保护，球磨机转速为400r/min，球磨时间为100h。最终得到成分均匀的Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₅B₅粉末。对所得钴基非晶合金粉末进行XRD测试及组织观察，证实确为非晶合金，进行DSC测试，得出ΔT_x＝77K。

实施例12.Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₀C₅B₅

采用熔炼铸造法制备：将高纯Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、C、B按照设计成分中的原子百分比，转化成重量百分比之后进行配料。将混合后的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气+氮气(氩气：氮气＝2：1)的保护下进行熔炼，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，得到成分均匀的Co₄₅Fe₅Ni₅Cr₁₅Mn₁₀N₁₀C₅B₅合金锭。将合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在混合气保护下用非自耗电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空，然后充入混合气至气压为0.06-0.08MPa，熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。对所得钴基非晶合金进行XRD及组织观察，其结果如图2，证实确为非晶合金，进行DSC测试，结果如图1，得出ΔT_x＝79K。

Claims (6)

1.一种具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，其特征在于，所述非晶合金元素百分比表达式为Co_aFe_bNi_cCr_dMn_eN_fC_gB_h，其中35≤a≤65，0≤b≤10，0≤c≤10，10≤d≤20，5≤e≤15，10≤f≤20，0≤g≤5，0≤h≤5，a+b+c+d+e+f+g+h＝100。

2.如权利要求1所述的具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，其特征在于，所述合金采用球磨法或者熔炼铸造法制备。

3.如权利要求1所述的具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，其特征在于，通过球磨法制备所述钴基非晶合金，包括以下步骤：

(1)配料：将高纯粉末Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、C、B按照钴基非晶合金组成进行配料并混合，得到非晶合金原料；

(2)球磨：将混合得到的原料加入球磨罐中进行球磨，球磨罐中通入高纯氮气进行保护，球料质量比为2:1，转速为400r/min，球磨时间为100h。

4.如权利要求1所述的具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，其特征在于，通过熔炼铸造法制备所述钴基非晶合金，包括以下步骤：

(1)配料：将高纯Co、Fe、Ni、Mn、Cr、MnN、CrN、C、B按照钴基非晶合金组成进行配料并混合，得到非晶合金原料；

(2)非晶钴基合金的熔炼：首先抽真空，然后充入氩气和氮气的混合气体至气压为0.06-0.08MPa，将非晶合金原料熔化后，再持续熔炼10s，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新至于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼，如此反复熔炼至少三次，铸造，得到成分均匀的钴基非晶合金锭；

(3)钴基块体非晶合金制备：首先抽真空，然后充入氩气和氮气的混合气体至气压为0.06-0.08MPa，将钴基非晶合金锭在连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内熔化后，再持续熔炼10秒钟，然后开启负压吸铸装置，气压差为0.03MPa，同时断电，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到块体非晶合金。

5.如权利要求4所述的具有宽的过冷液相区的钴基非晶合金，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中的混合气体中的氩气与氮气的体积比为2：1。

6.如权利要求1-4任一所述的钴基非晶合金的制备方法。