專利名稱：Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種Nb基非晶合金及其制備方法,具體地說,涉及一種一種Nb-Ni-Co 三元非晶合金條帶及其制備方法，該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有高的熱穩定性、高的晶化溫度和高的硬度。
背景技術：
隨著科學技術的發展，人們對具有優異性能的結構/功能材料的需求日益增加。 非晶合金材料因其高強度，高硬度，耐腐蝕、耐磨損等特點得到了廣泛的關注。經過不斷探索，已有眾多非晶合金材料體系被開發出來，包括Zr基、Pd基、Fe基、Mg基、Ti基、Ni基、 Cu基等等。目前已可制備出非晶合金粉末、非晶合金條帶和塊體非晶合金等多種形態的非晶合金材料。然而迄今為止，Nb基非晶合金卻少有報道，見于報道的多為機械合金化方法制備的非晶合金粉末。上世紀70年代，Giessen等報導Ni-Nb合金在Ni含量為40% 66% 原子百分比時可以制備出非晶合金條帶，但沒有說明其具體用途。2010年Georgarakis等人報導了二元Nb-Si非晶合金條帶，但對制備條件的要求極為苛刻，只有當輥輪轉速達到 64m/s才能制備出完全非晶態的條帶。因此,開發新的合金成分對制備Nb基非晶合金十分重要。Nb是一種高熔點的元素，其熔點高達2477°C，相應地Nb基合金熔點高，因而有很高的熱穩定性，具備在高溫下使用的潛質；Nb元素具有非常高的氫滲透率，其氫滲透系數比常用的Pd及其合金高出兩個數量級，而價格便宜很多；已有的研究表明，非晶合金材料由于其獨特的結構而具有良好的透氫能力，部分合金體系的性能已達到甚至超過現有的Pd 及其合金。因此，Nb基非晶合金材料具有在氫滲透方面應用的廣闊前景。針對Nb基合金熔點高，非晶形成能力較差等特點，本發明提供了一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的成分及其制備方法，并指出了制備準備該非晶合金條帶的參數范圍及條帶的性能參數。
發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶,該Nb-Ni-Co 二兀非晶合金條帶具有聞的熱穩定性、聞的晶化溫度和聞的硬度。本發明的技術方案如下—種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶,所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的化學組成為NbaNibCoe ;其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為42彡a彡58. 9， 6 彡 b 彡 42，11. 7 彡 c 彡 35. 1，且 a+b+c = 100。進一步所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為600°C以上。進一步所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的寬度為I 10mm，厚度為20 50 iim。本發明所解決的另一技術問題是提供一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法，以制備得到Nb-Ni-Co 二兀非晶合金條帶。
本發明的技術方案如下一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法，包括按照NbaNibCoe的配比進行配料，得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將所述Nb-Ni-Co三元非晶合金原料反復熔煉制成母合金；在真空條件下，將所述母合金置于感應爐中熔化，得到母合金熔料；將所述母合金熔料噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻，得到所述Nb-Ni-Co 三元非晶合金條帶；其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為42彡a彡58.9， 6 彡 b 彡 42，11. 7 彡 c 彡 35. 1，且 a+b+c = 100。進一步制備的所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的化學組成為NbaNibCoe ;其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為42彡a彡58.9，6彡b彡42，
11.7 彡 c 彡 35. 1，且 a+b+c = 100。進一步所述銅輥輪表面的線速度為20. 0 40. Om/s。進一步所述銅輥輪表面的線速度為23. 0,26. 2,29. 3或者34. 6m/s。進一步所述感應爐中設置有快速凝固裝置。本發明的技術效果如下I、根據本發明Nb-Ni-Co三元非晶合金的配比，本發明可以制備一種Nb基三元非晶合金條帶；2、本發明的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有600°C以上的起始晶化溫度，具有高的非晶熱穩定性，因而可以應用于較高的溫度環境；3、本發明的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶還有用作氫分離和純化材料的潛能。
圖I (a) (e)是本發明的實施例1_5制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的X射線衍射分析(XRD)圖譜；圖2(a) (e)是本發明的實施例1_5制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的差式熱量掃描分析(DSC)曲線。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明的具體實施方式
進行說明。實施例I :制備Nb42Ni4ciCo18三元非晶合金條帶使用純度為99. 5%以上的原料Nb、Ni、Co，按照NbaNibCoe配比進行配料，a、b和c 表示各元素的原子百分數，其中，a = 42、b = 40、c = 18,得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將配制的Nb-Ni-Co三元非晶合金原料用電弧熔方式煉制成母合金錠， 并翻轉母合金錠反復熔煉4次上，以保證合金錠中成分均勻；在真空條件下，將母合金置于設置有快速凝固裝置的感應爐中熔化，得到過熱約100 300°C的合金熔體；將得到的母合金熔料噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻凝固，銅輥輪表面旋轉的線速度約為23. Om/ s,得到成分為Nb42Ni4ciCo18的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶。所制備的非晶合金條帶樣品的條帶寬約2_，厚約30 Pm。通過調整噴鑄尺寸、銅輥線速度等工藝參數可使條帶的寬度和厚度分別約在I IOmm和20 50 ii m的范圍內變動。采用X射線衍射儀(XRD)檢測制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的結構，其中， 所用X射線衍射儀為日本理學Rigaku D/max-RB,采用Cu K a靶材，掃描速度為8。/min ； 采用差式掃描量熱儀(DSC)分析制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的非晶特征轉變溫度， 其中，所用差式掃描量熱儀為日本精工電子SII 6300型高溫差式掃描量熱儀，掃描速度為 20° /min ;采用顯微硬度儀測試制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度值，測量 5次以上，取平均值，并給出最大誤差范圍，其中，所用顯微硬度儀為MH-3型顯微硬度測試儀，加載載荷為100g，保載時間為10s。如圖I (a)所示，是本發明的實施例I制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的X射線衍射分析(XRD)圖譜。XRD圖譜中僅有饅頭狀的漫散射峰，而沒有與晶態材料相對應的尖銳衍射峰，表明所制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶樣品為完全非晶結構。如圖2 (a)所示，是本發明的實施例I制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的差式熱量掃描分析(DSC)曲線。DSC測試結果表明該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為640°C，具有良好的熱力學穩定性。采用顯微硬度檢測儀器測試樣品硬度。測試結果表明，該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度為785. 2±29. 5Hv。可見該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有很高的硬度。實施例2 :制備Nb46.3Ni42Con.7三元非晶合金條帶使用純度為99. 5%以上的原料Nb、Ni、Co，按照NbaNibCoe配比進行配料，a、b和c 表示各元素的原子百分數，其中，a = 46. 3、b = 42、c = 11. 7,得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將配制的Nb-Ni-Co三元非晶合金原料用電弧熔方式煉制成母合金錠，并翻轉母合金錠反復熔煉4次上，以保證合金錠中成分均勻；在真空條件下,將母合金置于設置有快速凝固裝置的感應爐中熔化，得到過熱約100 300°C的合金熔體；將得到的母合金熔體噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻凝固，銅輥輪表面旋轉的線速度約為 26. 2m/s,得到成分為Nb46.3Ni42Con.7的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶。所制備的非晶條帶樣品有3種窄條帶寬度約1mm，厚約20 u m ;中等寬度條帶的寬度約4mm，厚度約30 y m ;寬條帶寬度約10mm，厚約50 ym。通過調整噴鑄尺寸、銅輥線速度等工藝參數可使條帶的寬度和厚度分別約在I IOmm和20 50 ii m的范圍內變動。采用X射線衍射儀(XRD)檢測制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的結構，其中， 所用X射線衍射儀為日本理學Rigaku D/max-RB,采用Cu K a靶材，掃描速度為8。/min ； 采用差式掃描量熱儀(DSC)分析制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的非晶特征轉變溫度， 其中，所用差式掃描量熱儀為日本精工電子SII 6300型高溫差式掃描量熱儀，掃描速度為 20° /min ;采用顯微硬度儀測試制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度值，測量 5次以上，取平均值，并給出最大誤差范圍，其中，所用顯微硬度儀為MH-3型顯微硬度測試儀，加載載荷為100g，保載時間為10s。如圖I (b)所示，是本發明的實施例2制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶(寬條帶)的X射線衍射分析(XRD)圖譜。XRD圖譜中僅有饅頭狀的漫散射峰，而沒有與晶態材料相對應的尖銳衍射峰，表明所制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶樣品為完全非晶結構。如圖2(b)所示，是本發明的實施例2制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶(寬條帶)的差式掃描熱量分析(DSC)曲線。DSC測試結果表明該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為636°C，具有良好的熱力學穩定性。采用硬度檢測儀器測試樣品硬度。測試結果表明，該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶 (寬條帶)的顯微硬度為812. 4±25. 9Hv。可見該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有很高的硬度。實施例3 :制備Nb5(l.5Ni3(lCo19.5三元非晶合金條帶使用純度為99. 5%以上的原料Nb、Ni、Co，按照NbaNibCoe配比進行配料，a、b和c 表示各元素的原子百分數，其中，a = 50. 5、b = 30、c = 19. 5,得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將配制的Nb-Ni-Co三元非晶合金原料用電弧熔方式煉制成母合金錠，并翻轉母合金錠反復熔煉4次上，以保證合金錠中成分均勻；在真空條件下,將母合金置于設置有快速凝固裝置的感應爐中熔化，得到過熱約100 300°C的合金熔體；將得到的母合金熔料噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻凝固，銅輥輪表面旋轉的線速度約為 26. 2m/s,得到成分為Nb5(l.5Ni3(lCo19.5的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶。所制備的非晶條帶樣品有3種窄條帶寬約1mm，厚約20 u m ;中等寬度條帶帶寬3mm，厚約30 y m ;寬條帶寬度約 10mm，厚約50 ym。通過調整噴鑄尺寸、銅輥線速度等工藝參數可使條帶的寬度和厚度分別約在I IOmm和20 50 的范圍內變動。采用X射線衍射儀(XRD)檢測制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的結構，其中， 所用X射線衍射儀為日本理學Rigaku D/max-RB,采用Cu K a靶材，掃描速度為8。/min ； 采用差式掃描量熱儀(DSC)分析制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的非晶特征轉變溫度， 其中，所用差式掃描量熱儀為日本精工電子SII 6300型高溫差式掃描量熱儀，掃描速度為 20° /min ;采用顯微硬度儀測試制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度值，測量 5次以上，取平均值，并給出最大誤差范圍，其中，所用顯微硬度儀為MH-3型顯微硬度測試儀，加載載荷為100g，保載時間為10s。如圖I (c)所示，是本發明的實施例3制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶(寬條帶)的X射線衍射分析(XRD)圖譜。XRD圖譜中僅有饅頭狀的漫散射峰，而沒有與晶態材料相對應的尖銳衍射峰，表明所制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶樣品為完全非晶結構。如圖2(c)所示，是本發明的實施例3制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶(寬條帶)的差式熱量掃描分析(DSC)曲線。DSC測試結果表明該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為678°C，具有良好的熱力學穩定性。采用硬度檢測儀器測試樣品硬度。測試結果表明，該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶 (寬條帶)的顯微硬度為856. 7±26. 4Hv。可見該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有很高的硬度。實施例4 :制備Nb54.7Ni18Co27.3三元非晶合金條帶使用純度為99. 5%以上的原料Nb、Ni、Co，按照NbaNibCoe配比進行配料，a、b和c 表示各元素的原子百分數，其中，a = 54. 7、b = 18、c = 27. 3,得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將配制的Nb-Ni-Co三元非晶合金原料用電弧熔方式煉制成母合金錠，并翻轉母合金錠反復熔煉4次上，以保證合金錠中成分均勻；在真空條件下,將母合金置于設置有快速凝固裝置的感應爐中熔化，得到過熱約100 300°C的合金熔體；將得到的母合金熔料噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻凝固，銅輥輪表面旋轉的線速度約為 29. 3m/s,得到成分為Nb54.7Ni18Co27.3的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶。所制備的非晶合金條帶樣品的條帶寬約2mm，厚約30 u m,通過調整噴鑄尺寸、銅輥線速度等工藝參數可使條帶的寬度和厚度分別約在I IOmm和20 50 的范圍內變動。采用X射線衍射儀(XRD)檢測制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的結構，其中， 所用X射線衍射儀為日本理學Rigaku D/max-RB,采用Cu K a靶材，掃描速度為8。/min ； 采用差式掃描量熱儀(DSC)分析制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的非晶特征轉變溫度， 其中，所用差式掃描量熱儀為日本精工電子SII 6300型高溫差式掃描量熱儀，掃描速度為 20° /min ;采用顯微硬度儀測試制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度值，測量 5次以上，取平均值，并給出最大誤差范圍，其中，所用顯微硬度儀為MH-3型顯微硬度測試儀，加載載荷為100g，保載時間為10s。如圖I (d)所示，是本發明的實施例4制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的X射線衍射分析(XRD)圖譜。XRD圖譜中僅有饅頭狀的漫散射峰，而沒有與晶態材料相對應的尖銳衍射峰，表明所制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶樣品為完全非晶結構。如圖2(d)所示，是本發明的實施例4制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的差式熱量掃描分析(DSC)曲線。DSC測試結果表明該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為696°C，具有良好的熱力學穩定性。采用硬度檢測儀器測試樣品硬度。測試結果表明，該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度為943. 2±24. lHv。可見該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有很高的硬度。實施例5 :制備Nb58.9Ni6Co35.1三元非晶合金條帶使用純度為99. 5%以上的原料Nb、Ni、Co，按照NbaNibCoe配比進行配料，a、b和c 表示各元素的原子百分數，其中，a = 58. 9、b = 6、c = 35. I,得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將配制的Nb-Ni-Co三元非晶合金原料用電弧熔方式煉制成母合金錠， 并翻轉母合金錠反復熔煉4次上，以保證合金錠中成分均勻；在真空條件下，將母合金置于設置有快速凝固裝置的感應爐中熔化，得到過熱約100 300°C的合金熔體；將得到的母合金熔料噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻凝固，銅輥輪表面旋轉的線速度約為34. 6m/ s,得到成分為Nbm9Ni6Co3U的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶。所制備的非晶合金條帶樣品的條帶寬約1_，厚約25 u m,通過調整噴鑄尺寸、銅輥線速度等工藝參數可使條帶的寬度和厚度分別約在I IOmm和20 50 的范圍內變動。采用X射線衍射儀(XRD)檢測制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的結構，其中， 所用X射線衍射儀為日本理學Rigaku D/max-RB,采用Cu K a靶材，掃描速度為8。/min ； 采用差式掃描量熱儀(DSC)分析制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的非晶特征轉變溫度， 其中，所用差式掃描量熱儀為日本精工電子SII 6300型高溫差式掃描量熱儀，掃描速度為 20° /min ;采用顯微硬度儀測試制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度值，測量 5次以上，取平均值，并給出最大誤差范圍，其中，所用顯微硬度儀為MH-3型顯微硬度測試儀，加載載荷為100g，保載時間為10s。如圖I (e)所示，是本發明的實施例5制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的X射線衍射分析(XRD)圖譜。XRD圖譜中僅有饅頭狀的漫散射峰，而沒有與晶態材料相對應的尖銳衍射峰，表明所制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶樣品為完全非晶結構。如圖2(e)所示，是本發明的實施例5制備的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的差式熱量掃描分析(DSC)曲線。DSC測試結果表明該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為712°C，具有良好的熱力學穩定性。采用硬度檢測儀器測試樣品硬度。測試結果表明，該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的顯微硬度為952. 0±27. OHv。可見該Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有很高的硬度。
權利要求
1.一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶，其特征在于所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的化學組成為NbaNibCo。；其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為 42 ^ a ^ 58. 9,6 ^ b ^ 42,11. 7 ^ c ^ 35. 1，且 a+b+c = 100。
2.如權利要求I所述的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶，其特征在于所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的起始晶化溫度為600°C以上。
3.如權利要求I所述的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶，其特征在于所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的寬度為I IOmm,厚度為20 50 ii m。
4.一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法,包括按照NbaNibCoe的配比進行配料，得到Nb-Ni-Co三元非晶合金原料；在真空電弧爐中將所述Nb-Ni-Co三元非晶合金原料反復熔煉制成母合金；在真空條件下，將所述母合金置于感應爐中熔化，得到母合金熔料；將所述母合金熔料噴射到高速旋轉的銅輥輪表面快速冷卻，得到所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶；其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為42 < a < 58. 9，6 < b < 42，11.7 彡 c 彡 35. 1，且 a+b+c = 100。
5.如權利要求4所述的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法，其特征在于制備的所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的化學組成為NbaNibCoe ;其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為42彡a彡58. 9，6彡b彡42，11. 7彡c彡35. 1，且a+b+c = 100。
6.如權利要求4所述的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法,其特征在于所述銅輥輪表面的線速度為20. 0 40. Om/s。
7.如權利要求6所述的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法,其特征在于所述銅輥輪表面的線速度為23. 0,26. 2,29. 3或者34. 6m/s。
8.如權利要求4所述的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法,其特征在于所述感應爐中設置有快速凝固裝置。
全文摘要
本發明公開了一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶，所述Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的化學組成為NbaNibCoc；其中，a、b和c表示各元素的原子百分數，取值范圍分別為42≤a≤58.9，6≤b≤42，11.7≤c≤35.1，且a+b+c＝100。本發明還提供了一種Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶的制備方法。通過本發明得到的Nb-Ni-Co三元非晶合金條帶具有高的熱穩定性、高的晶化溫度和高的硬度。
文檔編號B22D11/06GK102534440SQ20121005070
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者丁紅瑜, 姚可夫 申請人:清華大學