CN100432269C - 块体铁基非晶合金 - Google Patents
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Abstract
本发明金属材料是属于功能材料的制备领域。特别是适用于块体铁基非晶材料的制备。该合金的具体化学成分按重量%设计为：Sn.1-18%；P.3-12%；C.0.1-1.5%；B.0.1-3%；Si.0.1-6%；M1.0.2-12%；M2.0.2-18%；其余为Fe及剩余杂质。该合金的原子%为：Fe100-a1-a2-b-c-d-e-fM1a1M2a2SnbPcCdBeSif，在表达式中的原子%要满足以下条件：M1a1：0.1＜a1＜10；M2a2：0.1＜a2＜10；Snb：0.5＜b＜8；Pc：5＜c＜18；Cd：0.1＜d＜5；Be：0.1＜e＜12；Sif：0.1＜f＜10。采用本发明非晶合金与现有技术相比较，具有成分设计合理、形成非晶能力强、制备工艺简单等特点。该非晶合金产品经退火处理后，其饱和磁感应强度大于1.0T，而且还具有良好的力学性能和较强耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明金属材料是属于功能合金的制备领域。特别是适用于块体铁基非晶合金的制备。
背景技术
在现有技术中，采用快淬制备技术早已经能够生产出各种形态的非晶薄带、细丝或粉未等产品。在金属软磁合金中，特别是在非晶软磁合金的制备领域中，如(美国专利US4217135)Fe-Si-B，(美国专利US4881989)FeCuNbSiB非晶软磁合金的制备工艺，是利用熔融金属急冷的快淬技术将铁基合金制备成非晶态产品后，再通过热处理工艺将非晶合金制备成所需要的产品。例如通过单辊快淬法制备非晶薄带的厚度通常不大于60μm，宽度为10mm-150mm；非晶丝材的直径不超过150μm；粉末颗粒的直径均要小于100μm。由于现有合金成分所形成非晶态的能力所限，所能生产的非晶态产品形态与尺寸范围均很窄，就现有非晶态产品的制备手段和成分设计的能力而言，目前还不能满足块体铁基非晶态合金的制造，因此限制了非晶态合金产品的推广与应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种成分设计合理、形成非晶态能力强、制备工艺简单和软磁性能、力学性能与耐腐蚀性能均好的块体铁基非晶合金。
我们根据现有技术中的不足之处，和本发明的目的所提出的块体铁基非晶合金，其成分的设计思路是采用以铁硅硼为基的母合金，根据设计者要求添加具有较大的非晶形成能力和容易制备出非晶合金的必要元素，通过熔炼、搅拌和采用现有的生产技术所制备出设计形状的块体铁基非晶产品。根据本发明目的和解决现有技术中的不足，我们所提出的FeM1M2SnPCBSi块体铁基非晶合金，其特征在于该合金的具体化学成分设计(重量％)为：M1.0.2-12％；M2.0.2-18％；Sn.1-18％；P.3-12％；C.0.1-1.5％；B.0.1-3％；Si.0.1-6％其余为Fe及剩余杂质。在本发明块体铁基非晶合金中的其他特征还有，在上述的成分中M1包含有Cr、V、Zr元素中的任意一种或两种和两种以上元素之和。M2包含有Mo、Nb元素中的任意一种或两种元素之和。在本发明上述的块体铁基非晶合金中还有的特征是组成该合金料的原子％为：Fe100-a1-a2-b-c-d-e-fM1a1M2a2SnbPcCdBeSif，我们通过研究所得出的结果证明，在该成分表达式中的原子％要满足以下条件：0.1＜a1＜10和0.1＜a2＜10。另外在本发明成分表达式中的原子％还要满足以下条件：1＜a1+a2＜14。
在本发明块体铁基非晶合金中的其他特征还有Sn元素的原子％要满足：0.5＜b＜8，更加合适的范围为1＜b＜6。当Sn原子％小于0.5％，或大于8％时，合金的非晶形成能力较差，不易制备出毫米级的块体非晶合金。
其中P元素的原子％要满足：5＜c＜18，更加合适的范围为7＜c＜15。当P原子％小于5％，或大于18％时，合金的非晶形成能力较差，不易制备出毫米级的块体非晶合金。
其中C元素的原子％要满足：0.1＜d＜5，在此范围内合金有大的非晶形成能力。
其中B元素的原子％要满足：0.1＜e＜12，更加合适的范围为0.1＜e＜8。当B原子％大于12％时，合金的非晶形成能力较差，不易制备出毫米级的块体非晶合金。
其中Si元素的原子％要满足：0.1＜f＜10，更加合适的范围为1＜f＜6。当Si原子％大于10％时，合金的非晶形成能力较差，不易制备出毫米级的块体非晶合金。
在本发明块体铁基非晶合金中的主要元素是以Fe为基所组成的合金，其中可能有少量的杂质元素，如S、Al、Ga等元素，但是含有杂质元素的重量％总量要小于0.5％。
本发明块体铁基非晶合金的制备方法与现有技术相同，是采用感应炉进行熔炼，在熔炼钢液时要采用氩气保护和经过充分的电磁搅拌后浇铸母合金。再采用真空吸铸的工艺，将母合金感应熔化并吸铸到铜模腔体内进行快速冷却，冷速约103K/s。腔体的形状可以根据设计者要求加工，可将块体铁基非晶产品制备成圆棒、圆环、板等不同的形状。样品在400℃以上、初始晶化温度(约520℃)以下等温真空退火30分钟，具有良好的软磁性能。
采用本发明块体铁基非晶合金所制备的产品与现有技术产品相比较，具有成分设计合理、形成非晶能力强、制备工艺简单和产品的软磁性能与力学性能好等特点。该块体铁基非晶合金产品经适当退火处理后，其饱和磁感应强度约为1.0T，而且还具有良好的力学性能和强的耐腐蚀性能。
附图说明
在本发明块体铁基非晶合金产品的实施例附图中：
图1为本发明成分中序号1(见表1)合金圆棒样品(直径为2.5mm)的DSC曲线，附图中Tg(475.1℃)表示玻璃转变温度，Tx(506.8℃)表示初始晶化温度。
图2为本发明成分中序号1(见表1)合金圆棒样品(直径为2.5mm)的高温段DSC曲线，附图中Tm(944.2℃)表示熔点。
图3为本发明成分中序号1(见表1)合金圆棒样品的X射线衍射图，在附图中d表示圆棒样品的直径。
图4为本发明成分中序号1(见表1)合金圆环样品X射线衍射图，在附图中d1、d2、t分别表示圆环样品的外径、内径和厚度。
图5为本发明成分中序号2(见表1)合金圆棒样品X射线衍射图，在附图中d表示圆棒样品的直径。
图6为本发明成分中序号2(见表1)合金圆环样品X射线衍射图，在附图中d1、d2和t分别表示圆环样品的外径、内径和厚度。
图7为本发明成分中序号1(见表1)合金圆棒样品(直径为2.5mm)截面腐蚀前的金相照片。
图8为本发明成分中序号1(见表1)合金圆棒样品(直径为2.5mm)截面腐蚀后的金相照片。
具体实施方式
根据本发明块体铁基非晶合金的成分范围，我们做了一系列实验，为了对比方便我们同时也例举了二组现有技术的成分合金，具体成分对比的结果均列入表1中。本发明的实施例是采用中频真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1400℃，电磁搅拌时间为10分钟并浇铸成母合金。样品的制备是根据设计者的要求制备成不同形状(具体见表2)。对不同的样品采用不同的热处理工艺，其工艺制度见表2。根据以上工艺，其产品性能的对比结果见表3。
在以下对比表中序号1-9为本发明实施例；序号10、11为对比产品实施例。
在表中，序号1的合金具有大的超冷液相去ΔTX，ΔTX＝TX-Tg＝506.8℃-475.1℃＝31.7℃，如图1所示。而且该合金具有比较高的约化玻璃转变温度Tg/Tm＝0.62，见图2。由此可见该合金具有较强的非晶形成能力，可以吸铸成较大尺寸的非晶棒材。图3是该合金圆棒样品X-ray衍射图。由图可见，该合金直径在2.5mm时仍保持非晶态。序号为1的合金还可以吸铸成其它形状的非晶样品。图4为序号1合金圆环样品X-ray衍射图。由图可见，该合金可以吸铸成非晶环状样品。另外该合金还可制备出非晶薄板，见表2。
表中序号为2的合金具有较大的非晶形成能力。图5为该合金圆棒样品X-ray衍射图。由图可见，该合金直径在2mm时仍保持非晶态。该合金还可以吸铸成其它形状的样品。图6为序号2圆环样品X-ray衍射图。由此可见，该合金可以吸铸成非晶环状样品。另外，该合金还可制备出非晶薄板，见表2。
表2中还给出了本发明铁基块体非晶合金其它一些成分的合金所能制备的圆棒样品尺寸、圆环样品尺寸及薄板尺寸，并和典型非晶态合金所能制备的尺寸进行了比较。由表可见，本发明铁基块体非晶合金和典型的非晶态合金相比具有较强的非晶形成能力。
本发明块体非晶合金(退火后)饱和磁感应强度在1.0T左右，矫顽力在6A/m附近，见表3，是良好的软磁材料。
表中序号为1的块体非晶合金在4％的硝酸酒精溶液中腐蚀3个小时，合金的截面没有发生变化，见图7，图8。由此可见，该合金具有较强的抗腐蚀能力。另外，本发明铁基块体非晶合金具有高的硬度(见表3)，可以通过热喷涂等方法喷在金属表面，作为防腐材料。
表1为本发明实施例的成分比较(重量％)
| 序号 | Sn | P | Mo | Nb | B | Cr | V | Zr | C | Si | Fe |
| 1 | 4.61 | 6.01 | 3.72 | - | 0.84 | 2.02 | - | - | 0.47 | 2.18 | 余 |
| 2 | 4.54 | 5.92 | 7.34 | - | 0.83 | 3.98 | - | - | 0.46 | 2.15 | 余 |
| 3 | 4.48 | 5.84 | 10.86 | - | 0.82 | 5.89 | - | - | 0.45 | 2.12 | 余 |
| 4 | 4.61 | 6.01 | 3.73 | - | 0.84 | 2.02 | 0.99 | - | 0.47 | 2.18 | 余 |
| 5 | 9.99 | 5.79 | 3.59 | - | 0.81 | 0.97 | 0.95 | 1.71 | 0.45 | 2.10 | 余 |
| 6 | 17.1 | 5.02 | 1.73 | - | 0.78 | 0.94 | 0.92 | 1.64 | 0.43 | 2.02 | 余 |
| 7 | 4.57 | 5.96 | 3.7 | 1.79 | 0.83 | 2.00 | - | - | 0.46 | 2.16 | 余 |
| 8 | 4.58 | 5.97 | 1.85 | 3.58 | 0.83 | 2.00 | - | - | 0.46 | 2.16 | 余 |
| 9 | 4.58 | 5.97 | 1.85 | 3.58 | 0.83 | 2.01 | 0.98 | - | 0.46 | 2.17 | 余 |
| 10 | - | - | - | - | 2.96 | - | - | - | - | 5.32 | 91.7 |
| 11 | - | - | - | 5.66 | 1.98 | 1.29<sup>*</sup> | - | - | - | 7.70 | 83.3 |
表中序号11加*的为Cu原子的重量百分比；序号10、11为对比合金，下同。
表2本发明实施例的成分(原子％)样品尺寸及其热处理制度
表3本发明实施例样品性能对比
| 序号 | 饱和磁感应强度B<sub>s</sub>(T) | 矫顽力Hc(A/m) | 维氏硬度 |
| 1 | 1.1 | 5.3 | 780～820 |
| 2 | 1.0 | 8.6 | 760～810 |
| 3 | 0.8 | - | 730～760 |
| 4 | 1.0 | 4.6 | 790～820 |
| 5 | 1.0 | 7.5 | 760～800 |
| 6 | 0.9 | 7.6 | 750～800 |
| 7 | 0.9 | 6.4 | 770～800 |
| 8 | 0.9 | 7.3 | 770～800 |
| 9 | 0.9 | 5.6 | 760～800 |
| 10 | 1.56 | 2.4 | - |
| 11 | 1.24 | 0.53 | - |
饱和磁感应强度Bs、矫顽力Hc为退火后测量的结果；维氏硬度为合金棒的淬态硬度。
Claims (8)
1、一种块体铁基非晶合金，其特征在于该合金的具体化学成分重量％为：Sn.1-18％；P.3-12％；C.0.1-1.5％；B.0.1-3％；Si.0.1-6％；M1.0.2-12％，其中M1是指Cr、V、Zr元素中的任意一种元素或两种以上元素之和；M2.0.2-18％，其中M2是指Mo、Nb元素中的任意一种元素或两种元素之和；其余为Fe及剩余杂质。
2、根据权利要求1所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成该合金成分的原子％为：Fe100-a1-a2-b-c-d-e-fM1a1M2a2SnbPcCdBeSif，在该合金成分表达式中的原子％要满足以下条件：M1a1：0.1＜a1＜10；M2a2：0.1＜a2＜10；Snb：0.5＜b＜8；Pc：5＜c＜18；Cd：0.1＜d＜5；Be：0.1＜e＜12；Sif：0.1＜f＜10。
3、根据权利要求2所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成上述块体铁基非晶合金成分中的原子％表达式还要满足以下条件：1＜a1+a2＜14。
4、根据权利要求2所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成上述块体铁基非晶合金成分中Sn元素的原子％表达式还要满足以下条件：1＜b＜6。
5、根据权利要求2所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成上述块体铁基非晶合金成分中Si元素的原子％表达式还要满足以下条件：1＜f＜6。
6、根据权利要求2所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成上述块体铁基非晶合金成分中B元素的原子％表达式还要满足以下条件：0.1＜e＜8。
7、根据权利要求2所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成上述块体铁基非晶合金成分中P元素的原子％表达式还要满足以下条件：7＜c＜15。
8、根据权利要求2所述块体铁基非晶合金，其特征在于组成上述块体铁基非晶合金中含有S、Al、Ga杂质元素的重量％总量要小于0.5％。
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