一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金及其制备方法，属于非晶合金领域，所述铁基非晶合金体系的原子百分比表达式为(Fe1‑aNia)77‑x‑y‑zCrxMoyCuz(C1‑bPb)15B6Y2,其中x＝23～27,y＝18～22,z＝0～8,a＝0～0.1,b＝0～0.1。通过合理调控该体系中的Cr、Mo含量能够有效提高热稳定性、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能；通过进一步微量掺杂能降低该体系的剪切模量，从而一定程度提高非晶合金的断裂韧性，有利于进一步提高耐磨性；通过添加Cu元素，能够使得非晶合金具有一定抗菌性。制备该非晶合金的方法简单。本发明专利技术的合金可在表面工程、海洋工业、生物医用等领域应用。

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金及其制备方法
本专利技术属于铁基非晶合金领域，更具体地，涉及一种具有强非晶形成能力以及优异耐磨、耐蚀性能的高铬铁基非晶合金。利用该成分能制备高性能非晶合金、表面涂层以及3D打印非晶，有望推动非晶合金在海洋化工、表面工程、生物医用等领域的工程化乃至规模应用。
技术介绍
铁基非晶合金是近年来发展起来的一种兼具高耐腐蚀和高耐磨性能的新型高性能金属材料。由于其无序的原子排列和均匀结构，使铁基非晶合金具有一系列优于传统金属材料的性能，如高强度(3-5GPa)、高硬度(>1000Hv)以及优异的耐蚀性能(在Cl-环境中的腐蚀性能是316L不锈钢的100倍)和卓越的耐磨性能(>1014Pa)，因此在海洋工程、石油化工以及国防军事等领域呈现广阔的应用前景。2003年，美国国防部高级研究计划局(DARPA)投资3000万美元经费启动了高性能铁基非晶合金研究计划，该计划由美国20多家顶尖科研机构(如利弗摩尔国家实验室、加州大学等)与多家企业联合攻关，开发了数十种高性能铁基非晶合金体系，并获得了数十项美国专利技术专利(例如：WO2007120205、US20100084052、US8075712、US8480864、US8524053等)。美国Liquidmetal公司、日本NakayamaSteel公司、挪威AkerKvaernerSubsea等已经实现铁基非晶合金的商业化应用，并且取得了显著的经济效益。美国加州理工学院著名材料学家Johnson教授预言，块体金属玻璃将成为21世纪最重要的新型工程材料，甚至会引发第三次材料革命。作为一种新性能的金属材料，针对非晶合金的研究已被中国国家自然科学基金委员会列入“十三·五”重点研究计划。随着国家海洋战略的实施，深海、极冷、高压、冲蚀等苛刻的海洋服役环境对铁基非晶的耐磨耐蚀性能提出了更高的要求。因此，急需开发出具有国内自主知识产权的耐磨耐蚀铁基非晶合金成分。国内从事铁基非晶合金成分开发的主要单位有安泰科技、比亚迪、宁波材料所、北京科技大学等，相关研究已经已经申请了多项国家专利技术专利(CN1603445A,CN101033530A,CN101538693B,CN102108473B,CN102965597A,CN103981466A,CN104388842B等)。专利申请CN1603445A在国外专利成分Fe48Cr15Mo14C15B6Y2(非晶形成能力9mm)的基础上，用5-10％的Co部分替换Fe元素，可以获得非晶形成能力在14mm以上的铁基非晶合金，是目前铁基非晶合金中成型尺寸最大的，其中没有涉及其耐磨耐腐蚀或抗菌性能。专利申请CN101033530A的铁基非晶合金成分是FeaMbCrcModCeBfYg,M为Ni，Cu，Nb元素中的任意一种。其在NaCl溶液和HCl溶液中的钝化电流密度均小于10-3mA/mm2,但是其非晶形成能力显著下降。专利申请CN102108473B的成分为FeaCrbMocTdBeYf(T为Zr,Al,Ti,Mn,W中的至少一种)，该成分不含C元素，稀土元素含量较高，其最大优点就是对纯度要求低，可在低真空条件下制备出4mm以上全非晶，没有摩擦腐蚀性能测试。专利申请CN102965597A其成分为FeaCrbNicModPeCfBgSih，是一种八组元体系，其Cr、Mo含量较低(0.5<b<4,2.5<d<4.5),但是仍然具有优异的耐蚀性能，在NaCl溶液中腐蚀速率小于0.1mm/a。但是该材料的热稳定性(如玻璃化转变温度)显著降低，不利于高温下应用。专利申请CN104388842B成分为FeaCrbMocBdMeRfXg(M为Ni,Mn,Co中的至少一种,R为Ti,Zr,Nb,Hf,Ta,W中的至少一种,X为Si,P中的至少一种)，其B含量(6<d<30)高,适合核废料储运，高Cr含量和无C则使该非晶具有优异的耐蚀性能，但是非晶形成能力都小于或等于3mm，不利于工业化运用。因此，需要开发一种综合性能优异的非晶合金，要求其同时具备较好的热稳定性、硬度、耐磨性、耐腐蚀性能以及断裂韧性，并且易于工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金及其制备方法，其目的在于，提供一种非晶形成能力强、热稳定性高、且超耐磨防腐并且具有一定抗菌性能的铁基非晶体系以及其制备方法。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金，该耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金原子百分比表达式为：(Fe1-aNia)77-x-y-zCrxMoyCuz(C1-bPb)15B6Y2,其中，x＝23～27,y＝18～22,z＝0～8,a＝0～0.1,b＝0～0.1。进一步的，该耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金原子百分比表达式为：(Fe1-aNia)77-x-y-zCrxMoyCuz(C1-bPb)15B6Y2,其中x＝23～27,y＝18～22,z＝2～8,a＝0.01～0.1,b＝0.01～0.1。进一步的，其具有较强的非晶形成能力，通过铜模吸铸法能获得直径为临界非晶形成尺寸4mm～8mm合金棒材。进一步的，其具有高热稳定性，其玻璃转变温度达到600℃以上。进一步的，其具有高硬度，其维氏硬度达到1100～1400Hv0.3。按照本专利技术的第二个方面，还提供一种制备如上所述的一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金的方法，其包括如下步骤：S1：按(Fe1-aNia)77-x-y-zCrxMoyCuz(C1-bPb)15B6Y2系铁基非晶合金的原子百分比称取各组分,其中x＝23～27,y＝18～22,z＝0～8,a＝0～0.1,b＝0～0.1，Fe余量；S2：按原子比确定各组分的质量比，B元素和P元素分别通过Fe-B合金和Fe-P合金加入，Fe元素同时通过Fe-B合金,Fe-P合金以及工业纯铁三种来源加入，S3：在高纯氩气环境下进行电弧熔炼，熔炼前先把高熔点的大块材料放在上面先熔化，低熔点、易挥发的小块材料放在下方，以减少实际成分和名义成分的偏差，具体的，将Mo原料、Fe原料放在上面先熔化，接着，将C原料、Y原料、B原料以及P原料放在下面熔化，以减少实际成分和名义成分的偏差，S4：电弧熔炼至少重复四次，以保证成分均匀，获得待吸铸的合金熔体，S5：通过铜模吸铸方式使合金熔体快冷成型，得到磨耐蚀高铬铁基非晶合金。进一步的，步骤S4中，电弧熔炼一次工作时间不超过两分钟。本专利技术中，由于该体系同时具有高Cr与高Mo含量，该非晶体系还具有非常优异的耐腐蚀性能，耐蚀性能优于当前其他Fe基非晶体系。本专利技术中，铁基非晶合金的耐磨机理同时受硬度与断裂韧性控制，因此通过同时优化该非晶体系的硬度与断裂韧性，能获得高耐磨性。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术是在(Fe1-aNia)77-x-y-zCrxMoyCuz(C1-bPb)15B6Y2铁基非晶合金中，通过合理调控该体系中的Cr、Mo含量能够显著提高热稳定性、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能；通过进一步微量掺杂，如加入少量Ni和少量P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金，其特征在于，该耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金原子百分比表达式为：(Fe1‑aNia)77‑x‑y‑zCrxMoyCuz(C1‑bPb)15B6Y2,其中x＝23～27,y＝18～22,z＝0～8,a＝0～0.1,b＝0～0.1。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金，其特征在于，该耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金原子百分比表达式为：(Fe1-aNia)77-x-y-zCrxMoyCuz(C1-bPb)15B6Y2,其中x＝23～27,y＝18～22,z＝0～8,a＝0～0.1,b＝0～0.1。2.如权利要求1所述的一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金，其特征在于，该耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金原子百分比表达式为：(Fe1-aNia)77-x-y-zCrxMoyCuz(C1-bPb)15B6Y2,其中x＝23～27,y＝18～22,z＝2～8,a＝0.01～0.1,b＝0.01～0.1。3.如权利要求2所述的一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金，其特征在于，其具有较强的非晶形成能力，通过铜模吸铸法能获得直径为临界非晶形成尺寸4mm～8mm合金棒材。4.如权利要求3所述的一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金，其特征在于，其具有高热稳定性，其玻璃转变温度达到600℃以上。5.如权利要求4中所述的一种耐磨耐蚀高铬铁基非晶合金成分，其特征在于，其具有高硬度，其维氏硬度达到1100～1400Hv0.3。6.一种制备如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张诚，李易诚，柳林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42