CN113981335A

CN113981335A - 微量元素改性无Be块体非晶合金及其制备方法、应用

Info

Publication number: CN113981335A
Application number: CN202111272047.XA
Authority: CN
Inventors: 刘思路; 唐婷; 彭炜; 张晓平
Original assignee: Panxing New Alloy Material Changzhou Co ltd
Current assignee: Panxing New Alloy Material Changzhou Co ltd
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: CN113981335B

Abstract

本发明属于非晶合金技术领域，具体涉及一种微量元素改性无Be块体非晶合金及其制备方法、应用。所述块体非晶合金，其原子百分比表达式为：Al_aETM_bNi_cCu_dB_e；其中ETM为ⅣB‑ⅦB族中的一种或多种；12≤a≤17；57≤b≤60；7≤d≤11；0.41≤d/c≤0.73；以及1≤e≤5。本发明的块体非晶合金中，Al含量相对较低，Cu与Ni的含量比率d/c介于0.41～0.73之间，Ni的含量相对较高，同时复合B元素的改性增强作用，提升了合金的熔点。

Description

微量元素改性无Be块体非晶合金及其制备方法、应用

技术领域

本发明属于非晶合金技术领域，具体涉及一种微量元素改性无Be块体非晶合金及其制备方法、应用。

背景技术

耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占85％。随着信息社会的到来，特种耐磨材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间等高技术领域的关键材料，成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

如农业、化工、建材等起着重要作用。耐磨材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。耐磨材料按使用性能分，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏(智能)材料。由于我们已把电子信息材料单独作为一类新材料领域，所以这里所指的新型耐磨材料是除电子信息材料以外的主要耐磨材料。

发明内容

本发明提供了一种微量元素改性无Be块体非晶合金及其制备方法、应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种块体非晶合金，其原子百分比表达式为：Al_aETM_bNi_cCu_dB_e；其中ETM为ⅣB-ⅦB族中的一种或多种；12≤a≤17；57≤b≤60；7≤d≤11；0.41≤d/c≤0.73；以及a+b+c+d+e＝100。

又一方面，本发明还提供了一种块体非晶合金的制备方法，包括以下步骤：将如前所述的各金属原料按熔点从高至低的顺序依次堆放在熔炼设备内，进行熔炼，获得合金铸锭；对所述合金铸锭进行压铸后，制得稀土元素改性增强的块体非晶合金。

第三方面，本发明还提供了一种块体非晶合金在耐磨材料中的应用。

本发明的有益效果是，本发明的块体非晶合金中，Al含量相对较低，Cu与Ni的含量比率d/c介于0.41～0.73之间，Ni的含量相对较高，同时复合B元素的改性增强作用，提升了合金的熔点。该系列合金不含金属元素Be，因而具备良好的生物相容性，且满足更为安全环保的生产及使用需求。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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是本发明的实施例1至实施例3制得的块体非晶合金的XRD图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能。

本发明提供了一种块体非晶合金，其原子百分比表达式为：Al_aETM_bNi_cCu_dB_e；其中ETM(Early Transition Metal)为ⅣB-ⅦB族中的一种或多种；12≤a≤17；57≤b≤60；7≤d≤11；0.41≤d/c≤0.73；以及1≤e≤5。

具体的，本发明的块体非晶合金中，Al含量相对较低，Cu与Ni的含量比率d/c介于0.41～0.73之间，Ni的含量相对较高，同时复合B元素的改性增强作用，提升了合金的熔点。该系列合金不含金属元素Be，因而具备良好的生物相容性，且满足更为安全环保的生产及使用需求。

其中，可选的，所述ETM可以但不限于为Ti、Zr、Hf、Nb中的至少一种。

可选的，所述块体非晶合金的熔点不低于850℃。

具体的，该系列非晶合金成分中Al含量相对较少、Ni相对较多，且含有一定量的B元素，因而它们的熔点较高。

可选的，所述块体非晶合金的临界尺寸不小于3mm。

具体的，通过微量元素B的改性增强，使所述块体非晶合金具有强非晶形成能力，可制备出临界尺寸不小于3mm的块体非晶合金。

可选的，所述块体非晶合金的维氏硬度不低于550。

具体的，通过微量元素B的改性增强作用，使该系列合金具备较优异的力学性能，如维氏硬度不低于550。

进一步的，本发明还提供了一种块体非晶合金的制备方法，包括以下步骤：将如前所述的各金属原料按熔点从高至低的顺序依次堆放在熔炼设备内，进行熔炼，获得合金铸锭；对所述合金铸锭进行压铸后，制得稀土元素改性增强的块体非晶合金。

具体的，将各原料表面氧化皮去除，并使用工业乙醇清洗原料，并按各自所需质量称取；将表面氧化皮去除处理后的各金属原料先按熔点高低顺序依次堆放在真空电弧炉或冷坩埚悬浮炉或真空感应炉里，确认无误后进行熔炼。待母合金充分熔炼均匀后，获得合金铸锭；使用真空压铸设备，最后将合金铸锭压到不同尺寸的水冷铜模中，获得块体非晶合金。

可选的，所述对所述合金铸锭进行压铸的压铸模具可以但不限于为水冷铜模。

进一步的，本发明还提供了一种块体非晶合金在耐磨材料中的应用。

实施例1

本实施例1所制备的块体非晶合金组成为：Al₁₂Nb₁₉Ti₃₉Ni₁₅Cu₁₁B₄，其制备方法为：

按比例称取各组分，依次将Al、Cu、Ni、Ti、Nb放入真空电弧熔炼炉内，将B放在中间，抽真空至0.1Pa之下，随后通入0.5Pa氩气并引弧进行熔炼；待合金融化并凝固后，翻面继续引弧熔炼，并重复两到三次，直至合金均匀化；取出合金铸锭，在压铸机中融化后压入直径为3mm的水冷铜模中，得到块体非晶合金棒。将该非晶棒材经加工成矩形试样块后，进行硬度测试，测试结果表明其硬度值为557；该非晶棒材经差热扫描仪测试后，知其熔点为873℃。

实施例2

本实施例2所制备的块体非晶合金组成为：Al₁₇Zr₂₇Hf₃₀Ni₁₄Cu₉B₃，其制备方法为：

按比例称取各组分，依次将Al、Cu、Ni、Zr、Hf放入真空电弧熔炼炉内，将B放在中间，抽真空至0.1Pa之下，随后通入0.5Pa氩气并引弧进行熔炼；待合金融化并凝固后，翻面继续引弧熔炼，并重复两到三次，直至合金均匀化；取出合金铸锭，在压铸机中融化后压入直径为3mm的水冷铜模中，得到块体非晶合金棒。将该非晶棒材经加工成矩形试样块后，进行硬度测试，测试结果表明其硬度值为571；该非晶棒材经差热扫描仪测试后，知其熔点为927℃。

实施例3

本实施例3所制备的块体非晶合金组成为：Al₁₃Zr₂₈Hf₃₂Ni₁₇Cu₇B₃，其制备方法为：

按比例称取各组分，依次将Al、Cu、Ni、Zr、Hf放入真空电弧熔炼炉内，将B放在中间，抽真空至0.1Pa之下，随后通入0.5Pa氩气并引弧进行熔炼；待合金融化并凝固后，翻面继续引弧熔炼，并重复两到三次，直至合金均匀化；取出合金铸锭，在压铸机中融化后压入直径为5mm的水冷铜模中，得到块体非晶合金棒；将该非晶棒材经加工成矩形试样块后，进行硬度测试，测试结果表明其硬度值为603；该非晶棒材经差热扫描仪测试后，知其熔点为1013℃。

对比例1

本对比例1所制备的块体合金组成为：Al₁₁Nb₂₀Ti₄₂Ni₁₅Cu₁₂，其制备方法为：

按比例称取各组分，依次将Al、Cu、Ni、Ti、Nb放入真空电弧熔炼炉内，抽真空至0.1Pa之下，随后通入0.5Pa氩气并引弧进行熔炼；待合金融化并凝固后，翻面继续引弧熔炼，并重复两到三次，直至合金均匀化；取出合金铸锭，在压铸机中融化后压入水冷铜模中，经XRD表征发现该合金已完全晶化；将该合金棒材经加工成矩形试样块后，进行硬度测试，测试结果表明其硬度值为341，非晶成形能力不足；该非晶棒材经差热扫描仪测试后，知其熔点为812℃。

对比例2

本对比例2所制备的块体合金组成为：Al₁₉Zr₂₆Hf₃₀Ni₁₉Cu₆，其制备方法为：

按比例称取各组分，依次将Al、Cu、Ni、Zr、Hf放入真空电弧熔炼炉内，抽真空至0.1Pa之下，随后通入0.5Pa氩气并引弧进行熔炼；待合金融化并凝固后，翻面继续引弧熔炼，并重复两到三次，直至合金均匀化；取出合金铸锭，在压铸机中融化后压入水冷铜模中，所得合金充型不完整，没有强度，未能进行力学性能测试。

对各实施例及对比例中制得的合金进行相关性能测试，并将结果汇总于表1。

表1各实施例及对比例中制得的合金的性能数据

	形成能力(mm)	维氏硬度	熔点(℃)
				实施例1	3(部分晶化)	557	873
实施例2	3	571	927
				实施例3	5	603	1013
对比例1	全部晶化	341	812
				对比例2	无成形能力	/	/

由图1及表1中的数据可知，其中，图1中曲线a、b、c分别为实施例1至3中制得合金的XRD曲线，本申请的各实施例中制得了具有较高非晶形成能力，更优力学性能，以及更高熔点的块体非晶合金。而对比例1中的合金，由于d/c值为0.8，同时没有微量元素B的改性增强作用，使该成分的合金非晶成形能力不足，力学性能受限；对比例2中的合金，d/c值为0.32，同时没有微量元素B的改性增强作用，使该成分合金的非晶成形能力不足，合金充型不完整，没有强度。

综上所述，本发明的块体非晶合金中，Al含量相对较低，Cu与Ni的含量比率d/c介于0.41～0.73之间，Ni的含量相对较高，同时复合B元素的改性增强作用，提升了合金的熔点。该系列合金不含金属元素Be，因而具备良好的生物相容性，且满足更为安全环保的生产及使用需求。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种块体非晶合金，其特征在于，其原子百分比表达式为：

Al_aETM_bNi_cCu_dB_e；其中

ETM为ⅣB-ⅦB族中的一种或多种；

12≤a≤17；

57≤b≤60；

7≤d≤11；

0.41≤d/c≤0.73；以及

1≤e≤5。

2.如权利要求1所述的块体非晶合金，其特征在于，

所述ETM为Ti、Zr、Hf、Nb中的至少一种。

3.如权利要求1所述的块体非晶合金，其特征在于，

所述无Be块体非晶合金的熔点不低于850℃。

4.如权利要求1所述的块体非晶合金，其特征在于，

所述块体非晶合金的临界尺寸不小于3mm。

5.如权利要求1所述的块体非晶合金，其特征在于，

所述块体非晶合金的维氏硬度不低于550。

6.一种块体非晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将如权利要求1中所述的各金属原料按熔点从高至低的顺序依次堆放在熔炼设备内，进行熔炼，获得合金铸锭；

对所述合金铸锭进行压铸后，制得稀土元素改性增强的块体非晶合金。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，

所述对所述合金铸锭进行压铸的压铸模具为水冷铜模。

8.一种块体非晶合金在耐磨材料中的应用。