一種低成本高形成能力的大塊鐵基非晶合金及其復(fù)合材料的制作方法

本發(fā)明屬于高性能非晶合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種采用工業(yè)原材料制備的低成本高非晶形成能力的大塊鐵基非晶合金及其復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

鐵基非晶合金因?yàn)槠涓叩膹?qiáng)度和硬度、優(yōu)良的耐磨耐腐蝕性能以及相比目前廣泛應(yīng)用的硅鋼更優(yōu)異的軟磁性能，正引起越來越多材料工作者的關(guān)注，已成為極具前途的新一代結(jié)構(gòu)與功能材料。以高純度元素、高真空或者適量添加稀土元素制備鐵基非晶合金已有多個(gè)體系的臨界尺寸突破1厘米(Lu Z P,Liu C T,Thompson J R,Porter W D.Phys Rev lett 2004；92(24):245503；Ponnambalam V,Poon S J,Shiflet G J.J Mater Res 2004；19(5):1320-23.)，而這樣的制備條件大大提高了鐵基非晶的生產(chǎn)成本，極大地限制了其工程應(yīng)用，因此尋求在工業(yè)條件下制備高非晶形成能力的低成本鐵基塊體非晶是目前非晶領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。而制備低成本塊體非晶合金一個(gè)重要方面就是采用工業(yè)級(jí)別的原材料，目前，已有多個(gè)合金體系采用工業(yè)原材料并且不采用稀土元素制備出鐵基非晶條帶軟磁材料以及塊體非晶合金。Fu等通過調(diào)整[(Fe_0.5Co_0.5)_0.75B_0.20Si_0.05]_100-xNb_x合金中Nb的含量，用商業(yè)原料代替高純?cè)?，將其最大尺寸做到?mm，盡管這一尺寸略小于用高純?cè)现苽涑龅?mm，但在制備成本上具有重大意義(Fu Y,Shen B，KimuraH,Makino A,Inoue A.JAppl Phys 2010；107:09A315.)。Li等在2007年利用工業(yè)原材料制備出臨界直徑達(dá)6mm和7mm的Fe-C-Si-B-P-Cr-Mo-Al塊體非晶合金(Li H X,Yi S,SohnH S.JMater Res 2007；22:164-168.)。盡管取得了一些進(jìn)展，但是文獻(xiàn)查詢可知目前采用工業(yè)原材料制備的鐵基塊體非晶合金還存在著合金系偏少，非晶試棒尺寸偏小等問題。而這其中非常重要的一點(diǎn)在于目前工業(yè)原料中所含的硫和氧等雜質(zhì)對(duì)非晶形成能力的影響規(guī)律還未完全澄清。2007年，Li等在Fe_68.8C_7.0Si_3.5B₅P_9.6Cr_2.1Mo_2.0Al_2.0合金研究中證實(shí)Fe-Si原材料中存在的主要雜質(zhì)CaO和Al₂O₃明顯地影響非晶形成能力，而以CaO影響最明顯(Li H X,LuZ P,Yi S.Met Mater Int 2009；15:7-14.)。Li等也證實(shí)一定量的氧可以增強(qiáng)大塊鐵基非晶合金的非晶形成能力(Li H X,Gao J E,Jiao Z B,Wu Y,Lu Z P.Appl Phys Lett 2009；95:161905.)。眾所周知，硫也是工業(yè)原料中無法避免的重要雜質(zhì)元素，然而目前相關(guān)的研究和報(bào)道幾乎沒有。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：通過合理的成分設(shè)計(jì)，提供一種利用工業(yè)原材料制備的低成本高非晶形成能力的大塊鐵基非晶合金及其復(fù)合材料，全部采用工業(yè)級(jí)別原材料制備，并且硫元素作為合金成分中的添加元素在增強(qiáng)非晶形成能力上顯示了一定的積極作用。

一種低成本高形成能力的大塊鐵基非晶合金，其特征在于，成分公式為Fe_aC_bSi_cB_dP_eMo_fAl_gGa_h；其中b的原子百分比范圍為4-10，c的原子百分比范圍為2.5-4，d的原子百分比范圍為3-9，e的原子百分比范圍為5-12，f的原子百分比范圍為0-10，g的原子百分比范圍為0-5，h的原子百分比范圍為0-2，a為余量，a+b+c+d+e+f+g+h＝100。

在上述低成本高形成能力的大塊鐵基非晶合金基礎(chǔ)上加入硫元素即可得到低成本高形成能力的大塊鐵基非晶合金復(fù)合材料，其成分公式如下：Fe_aC_bSi_cB_dP_eMo_fAl_gGa_hS_i，其中b的原子百分比范圍為4-10，c的原子百分比范圍為2.5-4，d的原子百分比范圍為3-9，e的原子百分比范圍為5-12，f的原子百分比范圍為0-10，g的原子百分比范圍為0-5，h的原子百分比范圍為0-2，i的原子百分比范圍為0＜i≤2，a為余量，a+b+c+d+e+f+g+h+i＝100。

本發(fā)明所采用的制備方法為真空電弧熔煉，獲得母合金后再通過銅模吸鑄制備圓棒狀塊體鐵基非晶合金及其復(fù)合材料。棒材的最大直徑為8mm。

進(jìn)一步地，所述母合金是以純度大于95％的Fe、Mo、Al、Ga等元素以及工業(yè)生鐵、Fe-Si、Fe-B、Fe-P、Fe-S等鐵合金制備。

進(jìn)一步地，所述方法具體包括以下步驟：

1)原料的準(zhǔn)備

將Fe_aC_bSi_cB_dP_eMo_fAl_gGa_hS_i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；

2)母合金的制備

將步驟1)中稱取的原料放入真空電弧爐中，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100-200A，熔煉時(shí)間5-6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；

3)圓棒狀鐵基非晶合金的制備

采用銅模吸鑄的方法，首先把步驟2)中的母合金放入裝有快速凝固銅模具的電弧爐中，使用電弧充分熔化后，快速打開吸鑄閥，將熔融合金吸入不同尺寸型腔的銅模具中，即制得圓柱狀非晶合金棒材。圓柱狀樣品直徑為5-8mm。

進(jìn)一步地，在步驟2)中，所述利用氬氣對(duì)真空電弧爐進(jìn)行清洗的方法具體為：首先抽真空至真空度為2.0×10^-2Pa-3×10^-2Pa，回充氬氣至壓力0.1MPa，然后再抽真空至真空度為7.0×10^-3Pa-8.0×10^-3Pa，再回充氬氣至壓力0.1MPa。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明公開的圓柱狀鐵基非晶合金棒材完全采用工業(yè)級(jí)別原料制備，制備成本低，具有大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的前景，有望在結(jié)構(gòu)材料、精密機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

本發(fā)明通過研究雜質(zhì)元素硫?qū)K體鐵基非晶合金非晶形成能力的影響，發(fā)現(xiàn)一定含量的硫可以增強(qiáng)塊體鐵基非晶合金的非晶形成能力。

附圖說明

表1發(fā)明中所用工業(yè)級(jí)別鐵合金的化學(xué)成分

表2實(shí)施例1中制備的Fe_70.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5(7mm)和實(shí)施例2中制備的Fe_69.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5S_1.0(8mm)圓柱狀非晶合金棒材的熱穩(wěn)定性參數(shù)

圖1實(shí)施例1中制備的Fe_70.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5(S-0,7mm)圓柱狀非晶合金棒材背散射電子圖像

圖2實(shí)施例2中制備的Fe_69.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5S_1.0(S-1.0,8mm)圓柱狀非晶復(fù)合材料背散射電子圖像

圖3實(shí)施例1中制得的Fe_70.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5(S-0,7mm)和實(shí)施例2中制備的Fe_69.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5S_1.0(S-1.0,8mm)圓柱狀非晶合金棒材DSC曲線

圖4實(shí)施例1中制得的Fe_70.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5(S-0,7mm)和實(shí)施例2中制備的Fe_69.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5S_1.0(S-1.0,8mm)圓柱狀非晶合金棒材DTA曲線

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施的例子對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1Fe_70.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5非晶棒材的制備

1)原料的準(zhǔn)備

將Fe_70.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5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；

2)母合金的制備

將步驟1)稱取的原料放入真空電弧爐中，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100-200A，熔煉時(shí)間5-6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；

3)非晶棒材的制備

采用銅模吸鑄的方法，首先把步驟2)中的母合金放入裝有快速凝固銅模具的電弧爐中，使用電弧充分熔化后，快速打開吸鑄閥，將熔融合金吸入不同尺寸型腔的銅模具中，即制得圓柱狀非晶合金棒材。圓柱狀樣品直徑為5-7mm，最大非晶試棒為7mm。

實(shí)施例2Fe_69.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5S_1.0非晶棒材的制備

1)原料的準(zhǔn)備

將Fe_69.4C_7.1Si_3.3B_5.5P_8.7Mo_2.5Al₂Ga_0.5S_1.0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；

2)母合金的制備

將步驟1)稱取的原料放入真空電弧爐中，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100-200A，熔煉時(shí)間5-6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；

3)非晶棒材的制備

采用銅模吸鑄的方法，首先把步驟2)中的母合金放入裝有快速凝固銅模具的電弧爐中，使用電弧充分熔化后，快速打開吸鑄閥，將熔融合金吸入不同尺寸型腔的銅模具中，即制得圓柱狀非晶合金棒材。圓柱狀樣品直徑為5-8mm，最大非晶試棒為8mm。

表1發(fā)明中所用工業(yè)級(jí)別鐵合金的化學(xué)成分

表2熱穩(wěn)定性參數(shù)