[發(fā)明專利]兼具高強(qiáng)度和高塑性的塊體鐵基非晶合金及其制備方法

有效

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• 申請(qǐng)日: 2016-02-03
• 公開（公告）號(hào): CN105586548B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李宏祥;李長秋;曹迪;呂昭平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C45/02
• 分類號(hào): C22C45/02;C22C33/06
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高性能非晶合金材料領(lǐng)域，具體涉及兼具高強(qiáng)度和高塑性的塊體鐵基非晶合金及其制備方法。

背景技術(shù)

鐵基非晶合金具有高的強(qiáng)度和硬度、優(yōu)良的耐磨耐腐蝕性能以及比目前廣泛應(yīng)用的硅鋼更加優(yōu)異的軟磁性能，且相對(duì)其他非晶合金生產(chǎn)成本更加低廉，是一種極具前途的新一代結(jié)構(gòu)與功能材料。但是和許多具有高的室溫壓縮塑性的塊體非晶態(tài)合金相比，鐵基非晶合金室溫塑性很小，達(dá)到彈性極限后，很快就發(fā)生災(zāi)難性脆斷，這極大限制了其商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

目前，科研工作者主要通過調(diào)整成分以及制備工藝來改善塊體鐵基非晶合金的室溫塑性。有研究表明塊體鐵基非晶合金的韌脆轉(zhuǎn)變存在一個(gè)臨界泊松比，當(dāng)通過合理調(diào)整合金成分使其泊松比接近0.32時(shí)，塊體鐵基非晶合金會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形；之后有研究者通過調(diào)整塊體鐵基非晶合金中Mo、P及B的含量獲得了0.34的泊松比，獲得室溫塑性為3.2％的Fe-Cr-Mo-P-C-B塊體鐵基非晶合金；除了成分調(diào)整，制備工藝也會(huì)對(duì)塊體鐵基非晶的塑性產(chǎn)生影響，研究者采用玻璃包覆提純技術(shù)和水淬法，將Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆的玻璃形成能力提高至1.6mm的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)其具有良好的室溫塑性，可以達(dá)到5.2％。

如上所述，盡管已經(jīng)開展了一些研究，但對(duì)于如何通過合理的成分設(shè)計(jì)以及制備工藝來調(diào)控鐵基非晶合金中雜質(zhì)氧的含量，從而得到擁有良好力學(xué)性能的塊體鐵基非晶合金，還沒有過相關(guān)的報(bào)道。而且雜質(zhì)氧可能來自于工業(yè)原材料、生產(chǎn)環(huán)境或者是制備過程中的反應(yīng)等多種途徑，是大規(guī)模生產(chǎn)中影響材料性能的無法避免的重要影響因素，對(duì)鐵基非晶來說尤其如此。因此，非常有必要深入研究工業(yè)生產(chǎn)中雜質(zhì)氧對(duì)于塊體鐵基非晶合金強(qiáng)度及塑韌性的影響及其微觀機(jī)理。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明公開了具有高強(qiáng)度和高室溫塑性的塊體鐵基非晶合金及其制備方法，即通過真空電弧熔煉、除雜處理以及在J形石英管中進(jìn)行淬火這三項(xiàng)組合的工藝，獲得一系列兼具高強(qiáng)度和高塑性的新型塊體鐵基非晶合金材料；另外，本發(fā)明通過研究雜質(zhì)元素氧對(duì)塊體鐵基非晶合金室溫塑韌性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氧含量的增加會(huì)導(dǎo)致塊體鐵基非晶合金室溫塑韌性的降低。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

兼具高強(qiáng)度和高塑性的塊體鐵基非晶合金的制備方法，所述制備方法首先經(jīng)真空電弧熔融制備獲得中間合金，然后將碳與所述中間合金放入真空電弧爐中熔煉，制備獲得母合金，將所述母合金進(jìn)行除雜處理后放入J形石英管中進(jìn)行淬火，制備獲得塊體鐵基非晶合金。

進(jìn)一步地，所述中間合金的制備以Fe、Fe₃P、過渡族元素M和Fe₂O₃粉末為原料。

進(jìn)一步地，所述方法具體包括以下步驟：

(1)原料準(zhǔn)備：以Fe、C、Fe₃P、過渡族元素M和Fe₂O₃粉末為原料，將Fe_aC_bP_cM_dO_e中各元素的原子百分比換算成質(zhì)量百分比，按照所述質(zhì)量百分比分別稱取上述原料；其中：0≤b≤10，0≤c≤15，0≤d≤20，0≤e≤1.5，a＝100-b-c-d-e；

(2)中間合金的制備：將步驟(1)稱取的原料中的所述Fe、Fe₃P、M和Fe₂O₃粉末放入真空電弧爐中，利用氬氣對(duì)真空電弧爐進(jìn)行清洗，在氬氣環(huán)境下開始熔煉，熔煉的條件為：電流100-150A，熔煉時(shí)間4-5分鐘，完成一次熔煉后，待待爐體冷卻，進(jìn)行第二次熔煉，第二次熔煉的條件與第一次熔煉條件相同，按照第一次熔煉的條件重復(fù)熔煉至少3次，制備獲得中間合金；

(3)母合金的制備

將步驟(1)稱取的類金屬C以及步驟(2)制備獲得的所述中間合金一起放入真空電弧爐中，所述中間合金壓到步驟(1)稱取的類金屬C的上面，利用氬氣對(duì)真空電弧爐進(jìn)行清洗，在氬氣環(huán)境下開始熔煉，熔煉的條件為：電流100-200A，熔煉時(shí)間4-5分鐘，完成一次熔煉后，待待爐體冷卻，進(jìn)行第二次熔煉，第二次熔煉的條件與第一次熔煉條件相同，按照第一次熔煉的條件重復(fù)熔煉至少4次，制備獲得母合金；

(4)母合金的除雜處理