一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法技术

本发明专利技术公开了一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法，包括以下步骤：(1)向铁基块体非晶合金中添加稀土元素RE优化成分；(2)将步骤(1)优化后的成分元素按照分子式Fe71‑xRExNb6B23中的原子百分比配制原料，其中x＝1‑7，在惰性气氛中使用电弧炉熔炼成成分均匀的母合金，将熔炼好的母合金在惰性气氛中喷铸到铜模中，得到铁基块体非晶合金；(3)将步骤(2)制备的铁基块体非晶合金，从室温加热到保温温度，保温后在保温状态下施加载荷压缩；压缩结束后卸载并立即停止加热，空冷冷却至室温。通过上述制造方法制备所得铁基块体非晶合金，过冷液相区宽度39‑90℃，临界尺寸1‑4.5mm，塑性变形高达30％，流变应力低于1000MPa。

Preparation and Thermoplastic Forming of a Fe-based Bulk Amorphous Alloy

The invention discloses a preparation and thermoplastic forming method of iron-based bulk amorphous alloys, which comprises the following steps: (1) adding RE optimum composition to iron-based bulk amorphous alloys; (2) preparing raw materials according to atomic percentage of molecular formula Fe71 xRExNb6B23, where x = 1 7, using electric arc furnace to melt into homogeneous composition in inert atmosphere. Homogeneous master alloy, the melted master alloy is sprayed into copper mould in inert atmosphere to obtain iron-based bulk amorphous alloy; (3) the step (2) the prepared iron-based bulk amorphous alloy is heated from room temperature to heat preservation temperature, after heat preservation, load compression is applied in the heat preservation state; after compression, unloading and immediately stopping heating, air cooling is cooled to room temperature. The Fe-based bulk amorphous alloy prepared by the above-mentioned manufacturing method has a width of 39

【技术实现步骤摘要】
一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法
本专利技术属于非晶热塑性成型技术，特别涉及一种铁基块体非晶合金的制备与热塑性制造方法。
技术介绍
非晶合金作为一种新型的金属材料，因其在结构上长程无序，所以拥有优异的力学性能、磁学性能和抗腐蚀性能等，具有极其广泛的潜在应用价值，在材料学领域受到了极大关注。传统的晶态金属虽然被广泛用作结构材料，但由于晶体缺陷和晶界的存在造成的固有缺陷，大多数金属不能加工成符合特殊功能和形状需求的零件，而且普通的机械加工导致原材料的大量浪费；塑料和玻璃表现出良好的加工性能，但因其强度较低因此不能作为结构部件使用；而块体非晶合金表现出超高的强度，具有优异的耐腐蚀性和软磁性(对于Fe和Co基块体非晶合金)等优点。另外，非晶合金在超过玻璃转变温度之后进入过冷液相区，在过冷液相区呈黏流态，具有超塑性。研究表明，非晶合金在热塑性成形时，其体积收缩量较小，可以有效的保证制备的零件具有高精度，实现各种零件的近净成形。与其他非晶合金相比，铁基块体非晶合金具有优异的力学性能的同时还具有优异的软磁性能，所以在电气工程等领域的应用更为广泛。此外，该类合金具有较高的居里点和相对较低的制备成本，并且拥有出色的电磁学性能。与坡莫合金(Ni原子百分率在35％至90％的Fe-Ni合金)相似，铁基块体非晶合金拥有较小的矫顽力和较高的磁导率，如(Fe50Co50)72B20Si4Nb4块状非晶合金。正因如此，Fe基块体非晶合金才得以被投入商业化使用。在变压器等设备中，使用(Fe50Co50)72B20Si4Nb4和Fe64Co7Zr6Nb3B20块体非晶合金作为线圈中的铁芯，可大大提高电磁转换效率并降低能量损耗。并且，Fe基块状非晶合金在压力传感器上也起着重要作用，灵敏度和精度约为晶态合金传感器的3.8倍。但是，块体非晶合金最显著的缺点就是其在室温下无宏观塑性，这严重限制了它们的应用范围。与其他非晶合金相似，铁基非晶合金在超过玻璃转变温度之后进入过冷液相区，具有超塑性，可用于塑性成型。但是，大部分软磁性能优异的Fe基块体非晶合金的非晶形成能力较差和ΔTx比较小，进行超塑性加工成型的时候温度调控的范围很小，加工工艺困难，在加工时容易晶化，而且非晶形成能力较差，在尺寸方面极大地限制了非晶合金的应用，稀土元素的加入可以有效的加宽过冷液相区，提高铁基非晶合金的非晶形成能力。目前，制备非晶合金零件和模具主要是采用铜模铸造和热塑性成型的方法，但相对于热塑性成型来说，铜模铸造成型需要合金成分具有很高的非晶形成能力，并且在制备过程中易损伤模具而且会导致产品中产生气孔等缺陷。而热塑性成型是将块体非晶合金加热到玻璃转变温度Tg以上进入过冷液相区，使非晶合金在过冷液相区发生玻璃转变呈黏流态，具有超塑性，便可以克服铜模铸造成型中存在的上述问题。中国专利申请CN105344972A中公开了一种非晶合金零件的快速成形方法。该方法采用电脉冲放电对非晶合金进行快速升温使其温度升至过冷液相区温度，在达到设定温度后使电磁成形系统的电容器放电，产生电磁力并驱动过冷液态的非晶合金变形至模具中，从而实现对非晶合金零件的快速成形。该方法无法精确控制成形温度，导致加工零件的机械性能不可控，缺乏对铁基非晶的加工性能研究。因此，为了避免加工零件性能的恶化，我们采用恒温单轴等静压的方式，在保持优异力学性能的基础上，提高铁基块体非晶合金的非晶形成能力，同时改善合金的塑性变形能力，提高可加工性，避免样品在成形过程中晶化，使制备的零件具有很高的表面质量和精度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有的铁基非晶合金塑性成型技术的不足，提供了一种可以有效的避免铁基块体非晶合金在热塑性成型过程中因其有限的热压稳定性而发生晶化的热塑性制造方法。技术方案：本专利技术所述的一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)铁基块体非晶合金成分优化：向铁基块体非晶合金中添加稀土元素RE；目的在于增大非晶合金的过冷液相区，避免样品在热塑性成型过程中发生晶化，同时提高样品的非晶形成能力；(2)铁基块体非晶合金的制备：将步骤(1)优化后的成分元素按照分子式Fe71-xRExNb6B23中的原子百分比配制原料，在惰性气氛中熔炼成成分均匀的母合金，将熔炼好的母合金在惰性气氛中喷铸到铜模中，得到成分均匀的铁基块体非晶合金，其中，x＝1-7；(3)铁基块体非晶合金的热塑性成型：将步骤(2)所得成分均匀的铁基块体非晶合金，从室温加热到保温温度，保温发生玻璃化转变，然后在保温状态下施加载荷压缩，使其产生热塑性变形；压缩结束后卸载并立即停止加热，空冷冷却至室温。进一步的，上述步骤(2)包括以下步骤：1)将步骤(1)优化后的成分元素按照分子式Fe71-xRExNb6B23中的原子百分比配制原料，其中，Fe、Nb、B和RE元素纯度不低于99％；2)将步骤1)配制的原料装入电弧熔炼炉中，在惰性气氛保护下进行熔炼，冷却后得到成分均匀的母合金锭；3)将步骤2)得到的母合金锭去除表面杂质并清洁后破碎为小块，装入开口的石英管后放入感应熔炼炉的感应线圈中，调整石英管和铜模的位置，关闭腔体，抽腔体真空度低于8×10-3Pa，在惰性气氛中，采用感应熔炼将合金块熔化并利用压力差将熔融的合金液体喷铸入铜模中，得到块体非晶合金。其中，步骤2)具体为：将步骤1)配制得到的原料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，关闭腔体，首先抽腔体真空至5×10-3Pa以下，然后充入惰性气体至气压为3-7×104Pa进行熔炼，原料熔化后持续熔炼3-10分钟后停止加热，让合金随坩埚冷却至凝固将其翻转，反复熔炼3-6次，得到成分均匀的合金锭。优选的，熔炼温度为997-1227℃。步骤3)中，铜模直径为1-5.5mm。进一步的，步骤(1)中添加的稀土元素RE为Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm。其中，步骤(3)中，所述保温温度为玻璃转变温度Tg至Tg+67℃，载荷速度为2×10-4/s-2×10-3/s，所述压缩载荷低于样品的室温压缩断裂强度。进一步的，步骤(3)中，从室温加热30分钟到保温温度，保温时间为3-10分钟。步骤(3)从室温加热到保温温度，目的在于保证炉腔和样品热量均匀，并保证样品发生了玻璃化转变；保温结束后，在保温的状态对样品施加载荷，目的在于保证棒材能够产生热塑性变形。经本专利技术方法进行热塑性成型后，制备所得铁基块体非晶合金，其特征在于，过冷液相区ΔT为39-90℃，临界尺寸1-4.5mm，塑性变形高达30％，流变应力低于1000MPa。本专利技术提供的铁基块体非晶合金的制备以及热塑性成型工艺，其中稀土元素的添加能够有效的扩大非晶合金的过冷液相区，提高非晶形成能力；其中经保温处理后，非晶合金进行了玻璃化转变，粘度明显降低，有效降低了铁基块体非晶合金的强度，降低非晶合金的流变应力，能够提高制备得到的零件的尺寸精度。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的铁基块体非晶合金热塑性成型的工艺具有优点如下：(1)通过成分优化，得到具有宽的过冷液相区和大非晶形成能力，过冷液相区宽度达到约39-90℃，有效的防止合金在热塑性成型过程中发生晶化现象，可以在较低的冷却速率下制备大尺寸的块体非晶合金，其临界尺寸达1-4.5mm，能够更好的满足零件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)铁基块体非晶合金成分优化：向铁基块体非晶合金中添加稀土元素RE；(2)铁基块体非晶合金的制备：将步骤(1)优化后的成分元素按照分子式Fe71‑xRExNb6B23中的原子百分比配制原料，在惰性气氛中熔炼成成分均匀的母合金，将熔炼好的母合金在惰性气氛中喷铸到铜模中，得到成分均匀的铁基块体非晶合金，其中，x＝1‑7；(3)铁基块体非晶合金的热塑性成型：将步骤(2)所得成分均匀的铁基块体非晶合金，从室温加热到保温温度，保温发生玻璃化转变，然后在保温状态下施加载荷压缩，使其产生热塑性变形；压缩结束后卸载并立即停止加热，空冷冷却至室温。

【技术特征摘要】
1.一种铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)铁基块体非晶合金成分优化：向铁基块体非晶合金中添加稀土元素RE；(2)铁基块体非晶合金的制备：将步骤(1)优化后的成分元素按照分子式Fe71-xRExNb6B23中的原子百分比配制原料，在惰性气氛中熔炼成成分均匀的母合金，将熔炼好的母合金在惰性气氛中喷铸到铜模中，得到成分均匀的铁基块体非晶合金，其中，x＝1-7；(3)铁基块体非晶合金的热塑性成型：将步骤(2)所得成分均匀的铁基块体非晶合金，从室温加热到保温温度，保温发生玻璃化转变，然后在保温状态下施加载荷压缩，使其产生热塑性变形；压缩结束后卸载并立即停止加热，空冷冷却至室温。2.根据权利要求1所述的铁基块体非晶合金的制备及热塑性成型方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：1)将步骤(1)优化后的成分元素按照分子式Fe71-xRExNb6B23中的原子百分比配制原料，其中，Fe、Nb、B和RE元素纯度不低于99％；2)将步骤1)配制的原料装入电弧熔炼炉中，在惰性气氛保护下进行熔炼，冷却后得到成分均匀的母合金锭；3)将步骤2)得到的母合金锭去除表面杂质并清洁后破碎为小块，装入开口的石英管后放入感应熔炼炉的感应线圈中，调整石英管和铜模的位置，关闭腔体，抽腔体真空度低于8×10-3Pa，在惰性气氛中，采用感应熔炼将合金块熔化并利用压力差将熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈宝龙，胡风，吕祝薇，袁晨晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32