CN110586947A - 一种球形非晶合金粉末的制备方法 - Google Patents

一种球形非晶合金粉末的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种球形非晶合金粉末的制备方法，涉及非晶合金粉末制备技术领域，其步骤包括：选取纯铁、纯铬、纯钼、纯石墨、硅、硼铁和钇铁，使原料中Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素的原子比满足43.12～44.88：18.62～19.38：13.72～14.28：5.88～6.12：13.72～14.28：0.98～1.02的配比范围；先熔炼纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨，待其熔炼至熔融态液体后加入硅、硼铁和钇铁一并熔炼；当全部原料熔炼至熔融态液体后，利用气雾化法制备成所述球形非晶合金粉末。在上述技术方案中，纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨先加料熔炼，主要是为了快速化料，降低材料中的氧增量；硅、硼铁和钇铁采用二次加料的方式，主要是为了控制成分，通过二次加料精确控制加入量与时间，降低或避免Si、B、Y元素的烧损。

Description

一种球形非晶合金粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及球形非晶合金粉末制备技术领域，尤其是涉及一种球形非晶合金粉末的制备方法。
背景技术
非晶态材料的主要特点是原子的三维空间呈拓扑无序状排列，结构上没有晶界与堆垛层错等缺陷存在，因此具有一般晶态材料所不具有的许多独特的物理、化学、机械和电磁性能，如高硬度、高强度、优良的耐蚀性和耐磨性等，非晶合金就是具有以上性能和特点的合金。非晶合金FeCrMoBCSiY就是专门研发出的一种非晶合金成分，由于该非晶合金是由多种元素组合而成的，且每种元素均达到一定的含量，合金元素间能够形成良好的固溶体，使得非晶合金具有多种优异的性能。
但是，在采用真空感应熔炼气雾化法制备该非晶合金时，熔融态液体的流动性和表面张力效果经常不理想，从而会导致后期制得的球形非晶合金粉末的非晶率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种球形非晶合金粉末的制备方法，以解决现有技术中制得的球形非晶合金粉末的非晶率低的技术问题。
经过对非晶合金FeCrMoBCSiY制粉过程进行研究发现，由于该非晶合金中含有部分Si、B、Y元素，而Si、B、Y元素在熔炼过程中极易烧损，从而会造成非晶合金成分偏差。同时，在该非晶合金中，Si、B、Y元素的含量又对熔融态液体的流动性和表面张力具有决定性的影响，导致雾化冷却过程中非晶形成能力下降，得到的球形非晶合金粉末非晶率低。所以，控制Si、B、Y元素的含量便成为了制粉效果的关键。
而为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案。
本发明提供的一种球形非晶合金粉末的制备方法，选取纯铁、纯铬、纯钼、纯石墨、硅、硼铁和钇铁，使原料中Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素的原子比满足43.12～44.88：18.62～19.38：13.72～14.28：5.88～6.12：13.72～14.28：0.98～1.02的配比范围；
先熔炼纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨，待其熔炼至熔融态液体后加入硅、硼铁和钇铁一并熔炼；当全部原料熔炼至熔融态液体后，利用气雾化法制备成所述球形非晶合金粉末。
进一步的，在加入所述硅、硼铁和钇铁时，将前期熔融态液体的温度控制在1680℃～1710℃以内。
进一步的，当全部原料熔炼至熔融态液体后，先将该熔融态液体保温100秒～150秒再雾化冷却。
进一步的，所述硅、硼铁和钇铁的保温时间选择为120秒。
进一步的，所述气雾化所用惰性气体的温度控制在260℃～320℃之间。
进一步的，所述惰性气体为氩气。
进一步的，在熔炼所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨的过程中：
先熔炼部分纯铁，待部分纯铁熔化后加入纯钼、纯石墨和部分纯铬，待其熔化后再加入剩余纯铁和纯铬。
进一步的，所述部分纯铁为选取纯铁总量的1/2；
和/或，所述部分纯铬为选取纯铬总量的1/2。
进一步的，将熔炼室抽真空至0.1～3Pa再将所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨加入熔炼，并在熔炼过程中持续对熔炼室抽真空；待其熔炼至熔融态液体后，先将熔炼室补气至99.5kpa微负压再加入所述硅、硼铁和钇铁一并熔炼。
进一步的，熔炼过程采用中频感应加热的方式对所述熔炼室加热。
在上述技术方案中，由于硅、硼铁和钇铁选择二次加入，所以Si、B、Y元素在满足熔炼效果的基础上熔炼时间较短，可以减少熔炼过程对Si、B、Y元素的烧损，避免在熔炼过程中Si、B、Y元素损失过多，影响整个非晶合金成分的偏析，使熔融态液体的流动性和表面张力有所提高，所以，当该熔融态液体进行雾化冷却操作时，就会提高非晶合金的非晶形成能力，从而提高非晶率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的球形非晶合金粉末的制备流程图；
图2为本发明一个实施例提供的球形非晶合金粉末的形貌SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由上可知，由于该非晶合金中含有的部分Si、B、Y元素在熔炼过程中极易烧损，从而会造成非晶合金成分偏差，进而导致雾化冷却过程中非晶形成能力下降，得到的球形非晶合金粉末非晶率低。所以，本发明为了控制Si、B、Y元素的含量，采用了二次加料的方式进行熔炼，具体如下。
本实施例提供的一种球形非晶合金粉末的制备方法，选取纯铁、纯铬、纯钼、纯石墨、硅、硼铁和钇铁，使原料中Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素的原子比满足43.12～44.88：18.62～19.38：13.72～14.28：5.88～6.12：13.72～14.28：0.98～1.02的配比范围；
先熔炼纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨，待其熔炼至熔融态液体后加入硅、硼铁和钇铁一并熔炼；当全部原料熔炼至熔融态液体后，利用气雾化法制备成所述球形非晶合金粉末。
在该方法中，选取好上述原子比的原料后，限定先对纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨进行熔炼，待纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨成功熔炼至熔融态液体后，再向该熔融态液体内加入硅、硼铁和钇铁一并熔炼。由于硅、硼铁和钇铁选择二次加入，所以Si、B、Y元素在满足熔炼效果的基础上，均大大缩短了熔炼时间，可以减少熔炼过程对Si、B、Y元素的烧损。由此，可以避免在熔炼过程中Si、B、Y元素损失过多，造成整个非晶合金成分的偏析，通过二次加料的方式使熔融态液体的流动性和表面张力大大提高。
所以，由于此时熔融态液体的流动性和表面张力有所提高，在雾化过程中，惰性气体流冲击高温金属液流，惰性气体的动能会逐渐转化为金属液滴的表面能，在表面张力的作用下，金属液滴趋向于球化，并且，金属液滴的热能传递给惰性气体流，使金属液滴逐渐冷却形成球形粉末，待冷却后，即可获得球形金属粉末，从而便会有效提高非晶合金的非晶形成能力，从而提高非晶率。
其中，选取纯铁、纯铬、纯钼、纯石墨、硅、硼铁和钇铁时，需要使原料中Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素的原子比满足43.12～44.88：18.62～19.38：13.72～14.28：5.88～6.12：13.72～14.28：0.98～1.02的配比范围，例如Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素的原子比可以优选为44：19：14：6：14：1：1。在该配比范围下，Y元素的含量以及与其他元素的配比能够使熔融态液体的流动性和表面张力达到最优状态，但是此时Si、B、Y元素的含量少易烧损，在此配比范围的基础上，采用二次加料的方式可以保证Si、B、Y元素的含量不损失，保持最优效果。
综上所述，纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨先加料熔炼，主要是为了快速化料，且降低材料中的氧增量；而硅、硼铁和钇铁采用二次加料的方式，主要是为了控制成分，由于Si、B、Y元素量少易烧损，所以通过二次加料可以精确控制加入量与时间，降低或避免Si、B、Y元素的烧损。
进一步的，在加入所述硅、硼铁和钇铁时，将前期熔融态液体的温度控制在1680℃～1710℃以内。在此温度范围内将硅、硼铁和钇铁加入熔炼，可以有效降低或避免Si、B、Y元素的烧损，使Si、B、Y元素的含量保持在合理范围内；并且还能保证此温度下的熔融态液体正常雾化，防止堵包的问题发生。
而在1680℃～1710℃以外的温度将硅、硼铁和钇铁加入熔炼，若温度过低，则二次加料后化料时间较长，再升温后Si、B、Y元素损失严重；而且温度低了难以雾化，一浇钢开气堵包。若温度过高，Si、B、Y元素会有烧损，同时对坩埚烧噬严重，其余匹配件难以承受过高温度；而且温度过高，冷却会很难，液滴未凝固就会直接粘到炉壁。
所以，在二次加料的时候将熔融态液体的温度控制在1680℃～1710℃以内，便能够避免上述问题发生，进一步的降低Si、B、Y元素的损失，保证最终制备出球形非晶合金粉末的非晶率。
进一步的，当全部原料熔炼至熔融态液体后，先将该熔融态液体保温100秒～150秒再雾化冷却。该保温时间是通过对不同保温时间参数的粉末分别取3个点进行检测而得出，3个测试点中的Y元素成分偏差较大，通过分析，认为是保温时间过长，会导致Y元素损失过大，而引起的Y元素减少，这种情况下，球形非晶合金粉末的非晶率会降低，进而影响使用性能。若保温时间短，原料中的各个元素均没有充分合金化，部分Y元素结膜与钢液表面造成成分不均匀。而通过100秒～150秒的保温时间，可以将Si、B、Y元素的烧损率控制在可控范围内，使整个成分无明显偏析。
优选的，所述硅、硼铁和钇铁的保温时间选择为120秒。在保温时间为120秒时，雾化出来球形非晶合金粉末与所配原料的配比接近，但稍低于配料，表明保温时间为120秒时，元素分散均匀，无明显成分偏析现象，且烧损率在可控范围内，是较为理想的制粉过程，故保温时间为120秒是较为理想的熔炼参数，进一步的降低Si、B、Y元素的损失，保证最终制备出球形非晶合金粉末的非晶率。
需要说明的是，由于在此保温范围内，虽然无明显成分偏析现象，但Y元素仍有少许烧损，所以可以根据实际情况适量调高Y元素配料量，在此不做限定。
进一步的，所述气雾化所用惰性气体的温度控制在260℃～320℃之间。在此温度范围内，也可以进一步的保证球形非晶合金粉末的球形度和非晶率。
而惰性气体的温度若在260℃～320℃以外，若温度过低，会影响球形非晶合金粉末的球形度，破碎后的液未成球就凝固；若温度过高，会使液滴的冷却速度变得很慢，影响粉末的非晶率，同时过高的温度很难达到，对设备的要求也更加苛刻，危险系数大幅上升。
进一步的，所述惰性气体为氩气。氩气的分子质量大，破碎能力更强。除了氩气之外，惰性气体还可以选择氮气等其他气体，在此不做限定。
进一步的，在熔炼所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨的过程中：
先熔炼部分纯铁，待部分纯铁熔化后加入纯钼、纯石墨和部分纯铬，待其熔化后再加入剩余纯铁和纯铬。通过该加料顺序可以使各个原料能够快速、有效的被熔炼。
此加料顺序是基于不同原料具有不同的熔点，化料方式和抗氧化能力不同。由此，可以先加部分纯铁，先熔化纯铁，靠液态铁的侵蚀浸泡配合感应加热的作用去使纯钼、纯铬和纯石墨化料。因为若只靠感应加热无法熔化纯石墨，同时纯铬也很难熔化，会导致最终成分烧损，严重不合格。待其熔化后再加入剩余纯铁和纯铬，便可以顺利的将纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨进行熔炼，形成熔融态液体。
优选的，所述部分纯铁为选取纯铁总量的1/2；和/或，所述部分纯铬为选取纯铬总量的1/2。也即，可以先熔炼1/2纯铁，待该部分纯铁熔化后加入纯钼、纯石墨和1/2纯铬，待其熔化后再加入剩余的1/2纯铁和1/2纯铬。
进一步的，将熔炼室抽真空至0.1～3Pa再将所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨加入熔炼，并在熔炼过程中持续对熔炼室抽真空；待其熔炼至熔融态液体后，先将熔炼室补气至99.5kpa微负压再加入所述硅、硼铁和钇铁一并熔炼。
在此过程中，将熔炼室抽真空至0.1～3Pa是保证设备具有较高的真空环境，将所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨加入熔炼后，并在熔炼过程中持续对熔炼室抽真空是为了确保原材料中的气水分等被除掉，同时利用抽真空达到去氧、去气、去渣的目的。待其熔炼至熔融态液体后，先将熔炼室补气至99.5kpa微负压，是因为若不补气便直接加料，在真空下的飞溅效果会很严重，同时成分损失也会比较严重；而若在加料后再补气，时间又太长，影响雾化时的成分。所以，先将熔炼室补气至99.5kpa微负压再加入所述硅、硼铁和钇铁一并熔炼，便可以避免上述问题。
进一步的，熔炼过程采用中频感应加热的方式对所述熔炼室加热。加热采用中频感应加热，可以在加热的同时起到电磁搅拌的作用，促使合金均匀化，从而可以有效的避免成分偏析。
为了能够详细的阐述本发明的技术方案，现列举如下实施例说明。
实施例一
选取纯铁、纯铬、纯钼、纯石墨、硅、硼铁和钇铁，选用的金属原材料纯度均高于99.8％。将原料中的Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素按照原子比为44：19：14：6：14：1：1进行配比，配制50kg合金材料。若金属表面具有杂质和氧化皮，可以用砂纸将金属表面打磨干净，去除表面杂质和氧化皮，防止合金成分受到杂质的影响。
加料时先加入1/2纯铁，加料完成准备雾化装置，先将熔炼室抽真空至0.1Pa，然后采用中频感应加热的方式开始加热化料，加热过程中一直抽真空，待加入的1/2纯铁成熔融态液体时，再加入纯石墨、纯钼与1/2纯铬；最后加入剩余1/2纯铁与1/2纯铬。
开始加热到完成化料时间为45min，然后升温，8分钟后达到1690℃之间，然后将熔炼室补气至99.5kpa微负压。此时，通过二次加料方式快速同时加入硅、硼铁和钇铁一并熔炼，加入后三十秒内完成熔化，然后再保温两分钟，两分钟后开始浇钢雾化。浇钢雾化使用紧耦合式雾化喷嘴，将金属液倒入中间包中，中间包下端流嘴直径为6.5mm，雾化压力4.3MPa。
为了能够有力的说明添加温度、保温时间和惰性气体温度对于粉末球形度和非晶率的影响，现通过如下实验数据证明。
表1表示不同添加温度、不同保温时间、不同惰性气体温度对粉末球形度和非晶率的定性影响。表2在表1的基础上进一步的精确了添加温度、保温时间、惰性气体温度，表示不同添加温度、不同保温时间、不同惰性气体温度对粉末球形度和非晶率的定量影响。具体实验数据如下。
表1
表2
结合表1和表2可知，当添加温度在1680-1710℃，保温时间在两分钟，气体温度在250-350℃之间可得球状球形非晶粉，制备效果更佳。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，选取纯铁、纯铬、纯钼、纯石墨、硅、硼铁和钇铁，使原料中Fe、Cr、Mo、B、C、Si和Y元素的原子比满足43.12～44.88：18.62～19.38：13.72～14.28：5.88～6.12：13.72～14.28：0.98～1.02的配比范围；
先熔炼纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨，待其熔炼至熔融态液体后加入硅、硼铁和钇铁一并熔炼；当全部原料熔炼至熔融态液体后，利用气雾化法制备成所述球形非晶合金粉末。
2.根据权利要求1所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，在加入所述硅、硼铁和钇铁时，将前期熔融态液体的温度控制在1680℃～1710℃以内。
3.根据权利要求2所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，当全部原料熔炼至熔融态液体后，先将该熔融态液体保温100秒～150秒再雾化冷却。
4.根据权利要求3所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，所述硅、硼铁和钇铁的保温时间选择为120秒。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，所述气雾化所用惰性气体的温度控制在260℃～320℃之间。
6.根据权利要求5所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，在熔炼所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨的过程中：
先熔炼部分纯铁，待部分纯铁熔化后加入纯钼、纯石墨和部分纯铬，待其熔化后再加入剩余纯铁和纯铬。
8.根据权利要求7所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，所述部分纯铁为选取纯铁总量的1/2；
和/或，所述部分纯铬为选取纯铬总量的1/2。
9.根据权利要求5所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，将熔炼室抽真空至0.1～3Pa再将所述纯铁、纯铬、纯钼和纯石墨加入熔炼，并在熔炼过程中持续对熔炼室抽真空；待其熔炼至熔融态液体后，先将熔炼室补气至99.5kpa微负压再加入所述硅、硼铁和钇铁一并熔炼。
10.根据权利要求9所述的球形非晶合金粉末的制备方法，其特征在于，熔炼过程采用中频感应加热的方式对所述熔炼室加热。
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