一种块体铁基非晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种块体铁基非晶合金及其制备方法。本发明专利技术涉及一种大块铁基非晶合金及其制备方法。本发明专利技术的原材料为工业纯度的Fe、Cr、Mo、W、Y金属，石墨和铁硼中间合金，其中铁硼中间合金中的B含量的质量分数为18～20wt.％。大块铁基非晶合金的成分及其原子百分比含量分别为15～25at.％Cr,6～15at.％Mo,2～8at.％W,10～20at.％C,4～15at.％B,1～3at.％Y以及余量的Fe。本发明专利技术制备的新型铁基非晶合金，提高了Cr元素的含量，并且加入了W元素，在保证其玻璃形成能力的基础上，提高了材料的耐蚀性和硬度，有利于提高材料的耐磨损性，特别适用于目前对于材料的高耐腐蚀和耐磨损的服役要求。

A block iron based amorphous alloy and its preparation method

The invention discloses a block iron - based amorphous alloy and a preparation method. The present invention relates to a large iron - based amorphous alloy and a preparation method. The raw material of the invention is Fe, Cr, Mo, W, Y metal, graphite and iron boron intermediate alloy with industrial purity, and the mass fraction of B content in iron boron intermediate alloy is 18 ~ 20wt.%. The compositions and atomic percentages of bulk Fe based amorphous alloys are 15 ~ 25at.%Cr, 6 ~ 15at.%Mo, 2 ~ 8at.%W, 10 ~ 20at.%C, 4 ~ 15at.%B, 1 ~ 3at.%Y, and surplus Fe, respectively. A new Fe based amorphous alloys prepared by the invention improves the content of the Cr element, and joined the W elements in the foundation of the glass forming ability, improve the corrosion resistance and hardness of the material, can improve the wear resistance of materials, particularly applicable to the material with high corrosion resistance and resistance wear the service requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种块体铁基非晶合金及其制备方法
本专利技术属于非晶合金材料领域，尤其是涉及一种块体铁基非晶合金及其制备方法。
技术介绍
非晶合金，又称为金属玻璃，因其独特的长程无序，短程有序的结构特点，因此非晶合金一般具有高强度和高硬度、高的弹性极限、优异的耐腐蚀性和耐磨损性等。自然界中富含大量的铁元素，原材料成本低，铁基非晶合金相较于其他体系，具有成本低的特点。美国的S.J.Poon在2004年研发出的成分为Fe48Cr15Mo14C15B6Y2(at.％)的非晶合金材料，因其高玻璃形成能力，优异的耐磨损性等而受到了广泛的关注。中国的沈军教授课题组在2005年制备出了至今直径最大的铁基非晶合金Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2(at.％)。但是大块铁基非晶合金目前还未能广泛地工程化应用，主要原因还是在于铁基非晶合金的玻璃形成能力不足。为了解决这一问题，科研人员一直致力于研究提高铁基非晶合金的玻璃形成能力的方法，以及影响铁基非晶相形成的机理。尽管铁基非晶合金的形成机理还没有完全清楚，但是很多研究表明微合金化是非晶合金的玻璃形成能力的有效手段，微合金化通过改变原子半径比和混合熵的程度来提高非晶合金的玻璃形成能力。目前已经有很多报道通过加入微量金属元素(如Y、Mo、Co、Nb等)或类金属元素(如C、B、Si、P等)的方法来提高铁基非晶合金的玻璃形成能力。其中有研究表明通过加入高熔点Mo元素可以提高铁基非晶合金的玻璃形成能力。Huang将W元素加入Fe-Y-B体系中提高了其玻璃形成能力。但是目前的非晶合金材料很难同时兼顾玻璃形成能力、机械性能以及耐蚀性。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种块体铁基非晶合金及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种块体铁基非晶合金，简写为FeCrMoWCBY非晶合金，其包括的成分及其原子百分比含量为：16～25.0at.％Cr，6～13.0at.％Mo，2～8.0at.％W，10～20.0at.％C，4-15.0at.％B，1～3.0at.％Y以及余量的Fe，上述大块铁基非晶合金中的非晶相组织均匀，具有高的玻璃形成能力、优异的机械性能和优异的耐蚀性。所述元素W的原子百分比含量优选为2～6.0at.％。所述的块体铁基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：(1)以块状Fe、Cr、Mo、W、Y金属，以及石墨和铁硼中间合金为原材料，将原材料放置在一个铜坩埚中，放置顺序为：自下而上，石墨颗粒、铁硼中间合金、块体Cr和Fe、块体Mo和Y、块体W；(2)将高真空磁控钨极电弧炉抽真空抽至3～5Pa，然后再充入保护气，如此反复三次；(3)之后再将高真空磁控钨极电弧炉抽真空抽至1.5～3.0×10-3Pa；(4)然后在炉腔内充入保护气至0.45～0.5MPa，将原材料在此氛围下进行熔炼，并通入循环水冷却；(5)通过重力吸引和压力差的双重作用，将成分均匀的金属熔体吸铸铜模具中，快速冷却凝固过程形成棒状大块铁基非晶合金，金属液态熔体被吸铸到铜模具的过程中，冷却速度达到103K/s以上，从而获得非晶结构。所述铁硼中间合金中的B含量的质量分数为18～20wt.％。所述块状Fe、Cr、Mo、W、Y金属采用工业纯级别。所述块状Fe、Cr、Mo、W、Y金属熔炼前进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用。步骤(4)中，在熔炼原材料之前先熔炼高纯钛锭90～120s，以消耗掉炉腔内的氧气。步骤(4)中，为了保证原材料熔体的成分均匀性，对原材料的熔炼次数为四次以上。步骤(4)中，每次熔炼的时间为2-4分钟；步骤(5)中，金属熔体被吸铸到铜模具中，10-20分钟后，将高真空磁控钨极电弧炉破真空，从模具中取出吸铸的棒状大块铁基非晶合金。所述保护气包括但不限于高纯氩气。Mo元素和W元素属于元素周期表上的同一主族，此外Fe、Mo和W的原子半径分别是和Mo和W的原子半径几乎相差无几。因此它们都可以取代Fe原子的位置，从而打乱原本有序的原子排列。当原子排列无序化程度超过一定范围后，结构就会变得不稳定，更易趋于玻璃化，因此本申请通过理论研究，并添加适量W元素用以提高铁基非晶合金的玻璃形成能力。此外，W元素在Fe基非晶合金的钝化过程中，能形成比Mo(Ⅶ)氧化膜更稳定致密的W(Ⅶ)氧化膜，从而有效改善非晶合金的耐蚀性。引入的W元素还可以提高铁基非晶合金的熔化温度、高温强度、硬度及耐磨性等各项性能。本专利技术通过加入难熔金属W元素，设计开发出一种具有高玻璃形成能力、高硬度及优异的耐蚀性的新型铁基块体非晶合金，用于对耐腐蚀和耐磨损性要求比较高的严苛服役环境下。与
技术介绍
中介绍的Huang的操作方法存在不同，本专利技术是在水冷铜坩埚中熔炼的，而Huang是用感应加热的方法，在石英管中进行熔炼的，操作条件明显不同。此外本专利是在重力的作用下吸铸出非晶棒的，而Huang是在吸铸的过程中施加了0.04MPa的压力，因此，成型方式也是不同的。与现有技术相比，本专利技术制备出的新型块体FeCrMoWCBY非晶合金具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术制备的FeCrMoWCBY非晶合金的玻璃形成能力高。(2)本专利技术制备的FeCrMoWCBY非晶合金具有高硬度，是传统不锈钢的2～3倍。(3)本专利技术制备的FeCrMoWCBY非晶合金具有优异的耐蚀性。(4)本专利技术制备的FeCrMoWCBY非晶合金因其同时兼顾高玻璃形成能力、高硬度和优异的耐蚀性，其应用前景更为广泛。附图说明图1是本专利技术所制备出的块体铁基非晶合金样品照片。图2是本专利技术所制备出的块体铁基非晶合金的X射线衍射图谱。图3是本专利技术所制备出的块体铁基非晶合金的透射电子显微镜图片。图4是本专利技术所制备出的块体铁基非晶合金的动态极化曲线。具体实施方式新型块体FeCrMoWCBY非晶合金的制备方法，包括以下步骤：(1)采用工业纯级别的块状Fe、Cr、Mo、W、Y金属，以及石墨和铁硼中间合金为原材料，其中铁硼中间合金中的B含量的质量分数为18～20wt.％；(2)对所述的块状Fe、Cr、Mo、W、Y金属进行清洁，清洁步骤具体为依次经过表面打磨、丙酮和酒精清洗，最后吹干待用；(3)按照新型块体FeCrMoWCBY非晶合金中各元素所占用的原子百分比换算成质量百分比并称重配料，将原材料放置在一个铜坩埚中，放置顺序为：(自下而上)：石墨颗粒、FeB中间合金、块体Cr和Fe、块体Mo和Y、块体W；(4)将高真空磁控钨极电弧炉抽真空抽至3～5Pa，然后再充入高纯氩气，如此反复三次；(5)之后再将高真空磁控钨极电弧炉抽真空抽至1.5～3.0×10-3Pa；(6)然后在炉腔内充入高纯氩气至0.45～0.5MPa，在上述原材料在此氛围下进行熔炼，熔炼次数不少于4次，每次熔炼的时间至少为3分钟，并通入循环水冷却；(7)在熔炼原材料之前先熔炼高纯钛锭90～120s，以消耗掉炉腔内的氧气；(8)为了保证原材料熔体的成分均匀性，对原材料的熔炼次数为四次以上；(9)通过重力吸引和压力差的双重作用，将成分均匀的金属熔体吸铸铜模具中，快速冷却凝固过程形成新型的大块铁基非晶合金。为了使本专利技术的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图以及具体实施例对本专利技术进行详细说明。应当理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种块体铁基非晶合金，其特征在于，其包括的成分及其原子百分比含量为：16～25.0at.％Cr，6～13.0at.％Mo，2～8.0at.％W，10～20.0at.％C，4‑15.0at.％B，1～3.0at.％Y以及余量的Fe。

【技术特征摘要】
1.一种块体铁基非晶合金，其特征在于，其包括的成分及其原子百分比含量为：16～25.0at.％Cr，6～13.0at.％Mo，2～8.0at.％W，10～20.0at.％C，4-15.0at.％B，1～3.0at.％Y以及余量的Fe。2.根据权利要求1所述的一种块体铁基非晶合金，其特征在于，所述元素W的原子百分比含量为2～6.0at.％。3.一种如权利要求1所述的块体铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以块状Fe、Cr、Mo、W、Y金属，以及石墨和铁硼中间合金为原材料，将原材料放置在一个铜坩埚中，放置顺序为：自下而上，石墨颗粒、铁硼中间合金、块体Cr和Fe、块体Mo和Y、块体W；(2)将高真空磁控钨极电弧炉抽真空抽至3～5Pa，然后再充入保护气，如此反复三次；(3)之后再将高真空磁控钨极电弧炉抽真空抽至1.5～3.0×10-3Pa；(4)然后在炉腔内充入保护气至0.45～0.5MPa，将原材料在此氛围下进行熔炼，并通入循环水冷却；(5)通过重力吸引和压力差的双重作用，将成分均匀的金属熔体吸铸铜模具中，快速冷却凝固过程形成大块铁基非晶合金。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈军，魏先顺，梁丹丹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31