CN110253001B - 增强铁基非晶合金强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了增强铁基非晶合金强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取一模具，将与该模腔相适的开孔泡沫镍放入模腔内；步骤2，将铁基非晶合金熔化，熔化后得到熔体，将熔体在0.03‑0.1MPa压力下用铜模吸铸法吸铸或喷铸到放有开孔泡沫镍的模具内，以使熔体填充到开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料；本发明通过塑性变形能力差的铁基非晶合金与塑性变形能力很强的晶态泡沫镍相结合，利用镍骨架来限制非晶中剪切带的扩展；并且本发明中铁和镍具有良好的润湿性和互溶度，当铁熔体与镍骨架相遇时会产生部分互溶，保证了铁基非晶合金基体与镍骨架能够产生很好的冶金结合，有效提高了非晶合金的变形能力。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金技术领域，具体来说涉及一种增强铁基非晶合金强度的方法。
背景技术
非晶合金是合金熔体在快速冷却凝固时原子来不及排列结晶而获得的非晶态结构的合金。非晶合金作为近年来快速发展的一类材料由于其优异的性能获得了越来越多的关注，也已开发出多种工业用途，有着广阔的应用前景。
非晶合金没有晶态合金所具有的晶粒、晶界，因而其具有远远高于晶态合金的强度和硬度，但也正是因为其缺乏晶态金属所具有的变形机制，如位错运动，其塑性变形能力极其有限，在受到超过其强度的载荷下常常发生灾难性断裂，这一特性严重限制了非晶合金作为结构材料的应用。铁基非晶合金作为非晶合金体系中重要的一类，由于其优异的软磁性能，以Fe-Si-B合金系为代表的铁基非晶合金已广泛地应用到变压器工业中，以其代替传统硅钢片作为变压器铁芯材料能够有效地降低变压器运行过程中的铁芯损耗，减少能源损耗和温室气体排放。铁基非晶合金具有很高的强度，其断裂强度常常超过3GPa，有着其他合金材料不可比拟的优势，但其不足之处也很明显，塑性变形能力很差，在发生弹性变形后即发生断裂，这一特点使其难以满足工程需要。将非晶合金与晶态材料进行复合成为复合材料，发挥各自的优势，保持非晶合金的高强度，同时利用晶态材料的塑性变形能力，使二者结合起来成为今年来研究与技术开发的热点。目前所开发的内生非晶复合材料普遍存在着成分要求苛刻，尺寸难以做大，如ZL201610005396.8公布的(Ti-Zr-Nb-Cu-Be)-N系内生非晶复合材料，其制备的棒材直径仅3mm，ZL201510790088.6公布的Cu47.5Zr47.5Zn4.5非晶复合材料的制备尺寸仅为2mm。采用外加微粉等方法制备非晶复合材料在制备过程中存在微粉分布难以均匀的问题，为了使其均匀分布常常需要复杂的设备及工艺，ZL201510780752.9公布的名为“一种高韧性的非晶复合材料及其制备方法和应用”中采用在ZrHfAlNi非晶合金中外加WC、SiC、TiC、TiN、ZrC等粉末的制备复合材料的技术方案中所需工艺就要改进熔炼炉，配备可规律运动的耐高温机械装置，工艺过程复杂。目前急需开发一种工艺简单、制备效率高的非晶复合材料的制备技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增强铁基非晶合金强度的方法，该方法将铁基非晶合金与泡沫镍制备形成复合材料，工艺简单，效率高。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种增强铁基非晶合金强度的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一模具，所述模具的模腔为一圆柱体形腔体，将与该模腔相适的开孔泡沫镍放入所述模腔内，其中，所述开孔泡沫镍的孔径为0.1-0.6mm，孔隙率为80-98％，纯度不低于99.5％；
在所述步骤1中，在将所述开孔泡沫镍放入模腔之前，用去离子水和有机试剂对开孔泡沫镍依次进行超声波清洗，用于清洁开孔泡沫镍的骨架的表面，其中，所述有机试剂为酒精或丙酮。
在所述步骤1中，所述模具为铜模。
在所述步骤1中，所述开孔泡沫镍的孔径为0.2-0.4mm，孔隙率为93-97％。
在所述步骤1中，2mm≤所述圆柱体形腔体的直径≤7mm。
步骤2，将铁基非晶合金熔化，熔化后得到熔体，将所述熔体在0.03-0.1MPa压力下用铜模吸铸法吸铸或喷铸到放有所述开孔泡沫镍的模具内，以使所述熔体填充到所述开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温20～25℃，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料；
其中，所述铁基非晶合金的原料形成该铁基非晶合金的熔炼的温度低于金属镍的熔点，2mm≤所述圆柱体形腔体的直径≤铁基非晶合金被制成圆柱体形时的最大直径。
在所述步骤2中，所述铁基非晶合金的制备方法为：在惰性气体环境下，将铁基非晶合金的原料熔炼至少4遍，自然冷却至室温20～25℃后得到所述铁基非晶合金。
在所述步骤2中，所述铁基非晶合金被制成圆柱体形时的最大直径大于等于2mm。
在所述步骤2中，用真空电弧炉将铁基非晶合金熔化。
在所述步骤2中，在真空电弧炉中将铁基非晶合金的原料进行熔炼。
在所述步骤2中，所述铁基非晶合金为FeaMobCcBdSiePfMgNh，a+b+c+d+e+f+g+h＝100，其中，M为Ni和/或Co，N为Ti和/或Al，2≤b≤4，6≤c≤8，4≤d≤6，2≤e≤4，8≤f≤10，0≤g≤2，0≤h≤2，Fe为余量。
在上述技术方案中，FeaMobCcBdSiePfMgNh的熔化温度为1400℃以下，熔化后得到熔体，将所述熔体在0.03-0.1MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到放有所述开孔泡沫镍的模具内。
在上述技术方案，所述FeaMobCcBdSiePfMgNh被制成圆柱体形时的直径为3-7mm。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过塑性变形能力差的铁基非晶合金与塑性变形能力很强的晶态泡沫镍相结合，利用镍骨架来限制非晶中剪切带的扩展；并且本发明中铁和镍具有良好的润湿性和互溶度，当铁熔体与镍骨架相遇时会产生部分互溶，如图6所示，保证了铁基非晶合金基体与镍骨架能够产生很好的冶金结合，有效提高了非晶合金的变形能力。
(2)可通过调控开孔泡沫镍的孔隙率、孔隙尺寸以及铁基非晶合金的强度等来调控获得的铁基非晶合金复合材料的力学性能。
(3)相比于制备铁基非晶合金的常规方法，本发明的方法工艺成熟、简单易行，可有效节省成本。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图；
图2为实施例1中开孔泡沫镍的照片；
图3为实施例1制备得到棒状的铁基非晶合金复合材料的照片；
图4为实施例1与对照例1的应力应变曲线；
图5为实施例2与对照例2的应力应变曲线；
图6为实施例1制备的复合材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
在下述实施例中，在步骤1中，在将开孔泡沫镍放入模腔之前，用去离子水和有机试剂对开孔泡沫镍依次进行超声波清洗，超声波清洗的时间为10分钟，用于清洁开孔泡沫镍的骨架的表面，其中，有机试剂为酒精。
在下述实施例中，2mm≤圆柱体形腔体的直径≤铁基非晶合金被制成圆柱体形时的最大直径，原料能够制备直径大于等于2mm的圆柱体形的铁基非晶合金。
原料的熔炼温度低于金属镍的熔点1453℃。
真空电弧炉型号和购买厂家为：北京物科光电技术有限公司生产的WK-II型真空电弧炉。
压缩试验应力应变曲线测试的仪器为：CMT 4305型微机电子实验机进行，测试温度为室温20～25℃，压缩应变速率为2×10-4/s。
扫描电镜照片所用仪器为：ZEISS SUPRA55型场发射扫描电镜。
开孔泡沫镍为三维网状结构，购买自安平县辉瑞丝网制造厂。
实施例1
一种增强铁基非晶合金强度的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为8mm，将与该模腔相适(即开孔泡沫镍的尺寸与模腔相同)的开孔泡沫镍放入模腔内，其中，开孔泡沫镍的孔径为0.5mm，孔隙率为97％，镍纯度为99.9％；
步骤2，在Ar气环境下，铁基非晶合金为(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5，在真空电弧炉中将铁基非晶合金的原料反复熔炼5遍，以保证铁基非晶合金的均匀性，自然冷却至室温20～25℃后得到(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5母合金锭。其中，每遍的熔炼步骤为于电弧电流120A下熔炼6分钟，铁基非晶合金用铜模吸铸法被制成圆柱体形时的最大直径为12mm。所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：
B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe，BFe合金的纯度>99.5％；
Cr、Co、Mo、Mn、Y、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Cr>99.9％、Co>99.9％、Mo>99.9％、Mn>99.9％，Y>99.9％、C>99.99％；
在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。
用真空电弧炉将(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5熔化(熔化时温度低于镍的熔点1453℃)，熔化电流为110A，时间为3分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.05MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到放有开孔泡沫镍的铜模内，以使熔体填充到开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温20～25℃，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料，铁基非晶合金复合材料为铁基非晶合金与开孔泡沫镍的骨架三维连通复合结构。
实施例2
一种增强铁基非晶合金强度的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为5mm，将与该模腔相适的开孔泡沫镍放入模腔内，其中，开孔泡沫镍的孔径为0.3mm，孔隙率为97％，纯度为99.9％；
步骤2，在Ar气环境下，在真空电弧炉中将铁基非晶合金的原料反复熔炼5遍，以保证铁基非晶合金的均匀性，自然冷却至室温20～25℃后得到铁基非晶合金母合金锭。其中，每遍的熔炼步骤为于电弧电流110A下熔炼8分钟，铁基非晶合金为Fe73Mo3C7B5Si3P9，铁基非晶合金用铜模吸铸法被制成圆柱体形时的最大直径为5mm。所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：
B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe；
P元素由PFe合金作为原料提供，PFe合金中P为15.6wt％，其余为Fe；
上述化合物的纯度依次为：PFe合金的纯度>99.5％，BFe合金的纯度>99.5％；
Mo、Si、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Mo>99.9％、Si>99.99％、C>99.99％；
在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。
用真空电弧炉将铁基非晶合金熔化(熔化时温度低于镍的熔点1453℃)，熔化电流为110A，时间为3分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.06MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到放有开孔泡沫镍的铜模内，以使熔体填充到开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温20～25℃，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料。
实施例3
一种增强铁基非晶合金强度的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为3mm，将与该模腔相适的开孔泡沫镍放入模腔内，其中，开孔泡沫镍的孔径为0.4mm，孔隙率为90％，镍纯度为99.9％；
步骤2，在Ar气环境下，在真空电弧炉中将铁基非晶合金的原料反复熔炼6遍，以保证铁基非晶合金的均匀性，自然冷却至室温20～25℃后得到铁基非晶合金母合金锭。其中，每遍的熔炼步骤为于电弧电流110A下熔炼8分钟，铁基非晶合金为Fe72Mo3C7B5Si3P9Ni0.5Al0.5，铁基非晶合金用铜模吸铸法被制成圆柱体形时的最大直径为3mm。所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：
B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe；
P元素由PFe合金作为原料提供，PFe合金中P为15.6wt％，其余为Fe；
上述化合物的纯度依次为：PFe合金的纯度>99.5％，BFe合金的纯度>99.5％；
Mo、Ni、Al、Si、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Mo>99.9％、Ni>99.9％、Al>99.9％、Si>99.99％、C>99.99％；
在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。
用真空电弧炉将铁基非晶合金熔化(熔化时温度低于镍的熔点1453℃)，熔化电流为120A，时间为2分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.05MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到放有开孔泡沫镍的铜模内，以使熔体填充到开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温20～25℃，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料。
实施例4
一种增强铁基非晶合金强度的方法，包括以下步骤：
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为5mm，将与该模腔相适的开孔泡沫镍放入模腔内，其中，开孔泡沫镍的孔径为0.6mm，孔隙率为83％，镍纯度为99.9％；
步骤2，在Ar气环境下，在真空电弧炉中将铁基非晶合金的原料反复熔炼6遍，以保证铁基非晶合金的均匀性，自然冷却至室温20～25℃后得到铁基非晶合金。其中，每遍的熔炼步骤为于电弧电流110A下熔炼8分钟，铁基非晶合金为Fe69.5Mo2.5C7B5Si3P9Co2.0Al1.8Ti0.2，铁基非晶合金用铜模吸铸法被制成圆柱体形时的最大直径为6mm。
所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：
B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe；
P元素由PFe合金作为原料提供，PFe合金中P为15.6wt％，其余为Fe；
上述化合物的纯度依次为：PFe合金的纯度>99.5％，BFe合金的纯度>99.5％；
Mo、Co、Al、Ti、Si、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Mo>99.9％、Ni>99.9％、Al>99.9％、Ti>99.9％、Si>99.99％、C>99.99％；
在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。
用真空电弧炉将铁基非晶合金熔化(熔化时温度低于镍的熔点1453℃)，熔化电流为115A，时间为3分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.05MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到放有开孔泡沫镍的铜模内，以使熔体填充到开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温20～25℃，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料；
作为实施例1、2、3、4的对照例，对照例1～4分别以相同铁基非晶合金成分即(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5、Fe73Mo3C7B5Si3P9、Fe72Mo3C7B5Si3P9Ni0.5Al0.5和Fe69.5Mo2.5C7B5Si3P9Co2.0Al1.8Ti0.2制备了与实施例相同尺寸的不加泡沫镍的全非晶棒材，制备方法除去加入泡沫镍步骤外与实施例相同。
对照例1
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为8mm；
步骤2，用真空电弧炉将(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5熔化，熔化电流为110A，时间为3分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.05MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到铜模内，自然冷却至室温20～25℃即可。
对照例2
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为5mm；
步骤2，用真空电弧炉将Fe73Mo3C7B5Si3P9熔化，熔化电流为110A，时间为3分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.06MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到铜模内，自然冷却至室温20～25℃即可。
对照例3
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为3mm；
步骤2，用真空电弧炉将Fe72Mo3C7B5Si3P9Ni0.5Al0.5熔化，熔化电流为120A，时间为2分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.05MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到铜模内，自然冷却至室温20～25℃即可。
对照例4
步骤1，选取一铜模，铜模的模腔为一圆柱体形腔体，圆柱体形腔体的直径为5mm；
步骤2，用真空电弧炉将Fe69.5Mo2.5C7B5Si3P9Co2.0Al1.8Ti0.2熔化，熔化电流为115A，时间为3分钟，熔化后得到熔体，将熔体在0.05MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到铜模内，自然冷却至室温20～25℃即可。
图1为本发明方法的流程图，可以看出，本发明是在常规的铜模吸铸法制备非晶合金的基础上增加了放入泡沫镍的步骤，具有工艺简单、适用性强的优势。
图2为实施例1所用的开孔泡沫镍的照片。
图3为实施例1制备得到的铁基非晶合金复合材料的照片，可以看出，铁基非晶合金完全填充到开孔泡沫镍的孔隙中，开孔泡沫镍的骨架均匀的分布在铁基非晶合金中。
图4为实施例1与对照例1的应力应变曲线，可以看出，加入开孔泡沫镍形成铁基非晶合金复合材料后其塑性变形能力有了明显的提高，由全非晶的塑性变形量几乎为0提高到了约0.6％。
图5为实施例2与对照例2的应力应变曲线，可以看出，加入开孔泡沫镍形成铁基非晶合金复合材料后其塑性变形能力有了明显的提高，由全非晶的塑性变形量0.1％提高到了约1.8％。
图6为实施例1制备的铁基非晶合金复合材料内部结构的扫描电镜照片，从照片上可以看出非晶合金基体中分布有镍骨架，并且在骨架附近一定范围内二者发生了部分互溶。
表1列出了实施例1、2、3、4与相应的对照例的塑性变形量的对比数据，可以看出，本发明的铁基非晶合金复合材料与原铁基非晶合金相比，本发明的铁基非晶合金复合材料的塑性变形能力均有了较大程度的提高。
表1 实施例制备所得铁基非晶合金复合材料与对照例制备所得非晶材料的塑性变形量对比
| 序号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 塑性变形量 | 0.6％ | 1.8％ | 1.6％ | 1.6％ |
| 序号 | 对照例1 | 对照例2 | 对照例3 | 对照例4 |
| 塑性变形量 | 0 | 0.1％ | 0.2％ | 0.1％ |
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增强铁基非晶合金强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选取一模具，所述模具的模腔为一圆柱体形腔体，将与该模腔相适的开孔泡沫镍放入所述模腔内，其中，所述开孔泡沫镍的孔径为0.1-0.6mm，孔隙率为80-98％，纯度不低于99.5％；
步骤2，将铁基非晶合金熔化，熔化后得到熔体，将所述熔体在0.03-0.1MPa压力下用铜模吸铸法吸铸或喷铸到放有所述开孔泡沫镍的模具内，以使所述熔体填充到所述开孔泡沫镍的孔隙中，自然冷却至室温20～25℃，得到泡沫镍增强的铁基非晶合金复合材料；
其中，所述铁基非晶合金的原料形成该铁基非晶合金的熔炼的温度低于金属镍的熔点，2mm≤所述圆柱体形腔体的直径≤铁基非晶合金被制成圆柱体形时的最大直径；所述铁基非晶合金为(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5、Fe73Mo3C7B5Si3P9、Fe72Mo3C7B5Si3P9Ni0.5Al0.5或Fe69.5Mo2.5C7B5Si3P9Co2.0Al1.8Ti0.2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，在将所述开孔泡沫镍放入模腔之前，用去离子水和有机试剂对开孔泡沫镍依次进行超声波清洗，用于清洁开孔泡沫镍的骨架的表面，其中，所述有机试剂为酒精或丙酮。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述模具为铜模。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述开孔泡沫镍的孔径为0.2-0.4mm，孔隙率为93-97％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，2mm≤所述圆柱体形腔体的直径≤7mm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述铁基非晶合金的制备方法为：在惰性气体环境下，将铁基非晶合金的原料熔炼至少4遍，自然冷却至室温20～25℃后得到所述铁基非晶合金。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述铁基非晶合金被制成圆柱体形时的最大直径大于等于2mm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，用真空电弧炉将铁基非晶合金熔化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，在真空电弧炉中将铁基非晶合金的原料进行熔炼。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，
铁基非晶合金的熔化温度为1400℃以下，熔化后得到熔体，将所述熔体在0.03-0.1MPa压力下用铜模吸铸法吸铸到放有所述开孔泡沫镍的模具内；
所述铁基非晶合金被制成圆柱体形时的直径为3-7mm。
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