铁基大块非晶合金制造技术

一种铁基大块非晶合金材料，该材料包含体积百分比至少为５０％的非晶相，该材料的结构式为：　　　　（Ｆｅ↓［１００－Ｘ］Ｃｏ↓［Ｘ］）↓［ａ］－Ｚｒ↓［ｂ］－Ｗ↓［ｃ］－Ｍ↓［ｄ］－Ｎ↓［ｅ］；式中Ｍ选自类金属元素硼、碳、磷、硅、铝、硫中的至少一种，Ｎ选自可提高该材料的玻璃形成能力或磁性的金属元素中的至少一种；式中的ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ为原子百分数：６６≤ａ≤７５，８≤ｂ≤１０，０≤ｃ≤４，１２≤ｄ≤１６，０≤ｅ≤５，７≤Ｘ≤１０，且ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１００。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大块非晶合金，特别是一种铁基大块非晶合金。
技术介绍
众所周知，熔融液体冷却到某一特定温度是一般会发生结晶，在结晶过程中，体系的自由能降低，并伴随着结晶放热。但是如果冷却速度足够快，以致结晶过程受到拟制而没有发生，这样就能形成非晶态。二十世纪三十年代，Kramer首次报道了用气相沉积法获得非晶态合金(参考文献1J.Karmer，Z.Phys.，106(1937)675)。此后，Brenner利用电沉积法制出了Ni-P，Co-P非晶态合金薄膜，并作为表面涂层用于金属表面防护(参考文献2A.Brenner D.E.Couch and E.Killiams，JRes.Natn.Bur.Stand.，29(1950)1049)。但是真正意义上的非晶合金是Duwez在1960年采用铜辊快淬法制备出了来的AuSi系非晶条带(参考文献3W.Klement，R.H.Wilens，and Duwez，Nature.，181(1960)869-870)。但是由于大部分合金的非晶形成能力很差，若以快冷制备需要高于106K/s的冷却速率，所以制得的非晶合金在尺寸上只能是低维材料，如薄带、细丝、细粉。机械合金化也曾经是制备非晶粉末的一个方法，许多合金可以通过高能球磨来转变为非晶，随后可以把非晶粉末在过冷液相区压结成非晶块体。然而用此法制备的块体非晶合金的致密度较差，而且容易混入其它杂质。此外辐照也可以使金属非晶化，如离子注入等。值得一提的是，贵金属元素Pt和Pd的合金具有较高的非晶形成能力，如PtNiP，PdNiP，可以通过B2O3反复精炼，得到直径10mm的球状样品(参考文献4H.S.Chen，Mater.Sci.Eng.，23(1976)151-154)。Kui也通过颈形石英管多级吸附杂质的方法提纯合金从而拟制非均匀形核来获得Pd基大块非晶合金(参考文献5H.W.Kui，App.Phys.Lett.，62(1992)1224-1226)。所以，获得大块非晶合金一直是科学家们几十年来追求的目标。直到1989年，日本的Inoue等发现了MgCuY和LaAlNi系合金具有很高的非晶形成能力(参考文献6A.Inoue，T.Zhang，and T.Masumoto，Mater.Trans.，JIM，30(1989)965-972)，可以通过铜模铸造制备出毫米级的非晶合金，这是首次发现不含贵金属的毫米级非晶合金形成体系。随后又发现了ZrAlNi，ZrAlCu和ZrAlNiCu等合金体系。在1993年美国和日本相继研制成功了Zr41Ti14Cu12Ni10Be23和Zr65Al7.5Ni10Cul7.5大块非晶合金(文献7A.Peker and W.L.Johnson，App.Phys.Lett.，63(1993)2342-2344)，并且Vitloy命名这一系列大块非晶合金(vitreous alloy的缩写)，这一系列合金很快被美国LiquidMetal公司应用于工业涂护、国防军事、医用器材、体育用品、电子器件和航天科技领域(参考http//www.liquidmetaltechnologies.com)。最近，美国LiquidMetal公司已经在韩国建立了一个大型的手机外壳和手表表框生产基地，用大块非晶合金制成的手机外壳比现在使用的塑料外壳更薄，而且还具有耐磨、质感柔和、防辐射等优点。另外研究发现大块非晶合金在过冷液相区具有超塑性，因此为非晶合金的塑性成型和加工提供了可能。1960年，Gubanov在理论上预示了非晶固体将是有铁磁性的(参考文献9Gubanov AI Fiz.Tverd.Tela(Leningrad)2(1960)502)。这意味着电子能带结构更依赖于短程有序而不是长程有序。1967年，第一个铁基非晶合金Fe-P-C(参考文献9P.Duwez andS.C.H.LinJ.Appl.Phys.，38(1967)，4067-4097)被合成出来，许多科学家在合成新型的具有优异软磁性能的铁基非晶合金的过程中付出了大量的努力。1971年到1973年，H.S.Chen(陈鹤寿)和J.J.Gilman等人采用快冷连铸轧辊法，以1830米/分的高速制成多种铁基非晶态合金的薄带和细丝，并正式命名为“非晶合金(Metglas)”，以商品形式出售，在世界上引起很大反响。此后通过甩条带的方法制备出许多具有优异软磁性能的非晶薄带，某些条带铁基非晶合金在电力转换，如变压器等领域得到了广泛的应用。然而，先前的铁基非晶合金的形成需要很高的冷却速度，一般需要103～106K/s。图3是公知的非晶合金的晶化曲线与冷却曲线的关系图(参考文献14MRS BULLETIN.，24(1999)42-56)，其中曲线a、b、c晶化曲线，图中标明了熔点Tm和玻璃转变温度Tg。曲线的前端代表了析出给定晶体体积率所需的最短时间。RQ、SQ为合金的冷却曲线。为了获得一种无序的固体材料，合金必须从熔点以上通过玻璃转变冷却下来而且不发生晶化，即合金从熔点通过玻璃转变温度冷却下来时的冷却曲线不能与晶化曲线相交。晶化曲线a为最早期的非晶合金的晶化曲线，其冷却速率超过了105K/s，通常在106K/s的数量级。曲线b是后开发的非晶合金的晶化曲线，形成非晶合金所需要的冷却速率已经降低了1或2、甚至3个数量级，约103K/s。为获得这样高的冷却速度，通常采用激冷的方法。这样用激冷的方法只能制备成低维材料，例如薄带，细丝和粉末等。由于薄带或丝状的铁基非晶的尺寸上以及其他方面的局限使得要想让铁基非晶合金在更广泛的领域得到应用受到了限制。以非晶变压器为例，其尚存在的主要三点不足是1.带材尺寸小，这样不得不增加铁心的叠片层数从而使得器件体积变大；2.淬火后脆性大；3.应力敏感性。最近，铁基大块非晶合金相继问世。例如，Fe-TM(TM为4-8族过渡金属)-B(参考文献10A.Inoue，T.Zhang and A.Takeuchi，Appl.Phys.Lett.，71.(1997)464)；Fe-(Co，Ni)-M-B(M＝Zr，Hf，Nb，Ta，Mo，W)(参考文献11A.Inoue，T.Zhang and H.Koshiba，J.Appl.Phys.，83(1998)6326；Fe-Ni-P-B(参考文献12T.D.Shen and R.B.Schwarz，Acta Mater.，49(2001)837)和Fe-Al-Ga-P-C-B-Si(参考文献13T.Mizushima，K.Ikarashi，S.Yoshida，A.Makino and A.Inoue，Mater.Trans.，JIM，40(1999)1019)。这样看来似乎尺寸小的问题是得到了解决，可是在制备铁基大块非晶合金所需要的原材料纯度要求非常之高，大于99.999％，且制备环境要求严格。无论是原材料里的杂质还是制备过程中带来的氧化都可能导致非均匀形核，从而导致结晶相形成和长大。所以在先前在制备铁基大块非晶合金时得到了大的尺寸的却又陷入了另一个困境——昂贵的制备费用。公知的制备非晶合金的方法包括用单辊甩带或双辊轧片等制备条带、箔和薄片；用电弧熔炼铜模吸铸法、感应熔炼铜模浇铸法、包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡勇，赵德乾，潘明祥，赵言辉，汪卫华，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：