一種高韌性非晶合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種非晶合金，尤其涉及一種高韌性的非晶合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 非晶合金是指原子排列短程有序、長程無序呈密堆排列結構的合金材料，所以非 晶合金不具有晶態材料的晶界、位錯等缺陷。這種結構特征使非晶合金具有非常多的優異 的力學性能，如高硬度、高強度、良好耐蝕性能，但同時非晶合金也具有塑性和韌性差，作為 結構件時易發生脆性斷裂的問題，這些缺點一直制約著非晶合金構件的使用。
[0003] 金屬的韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，韌性越好，則 發生脆性斷裂的可能性越小。韌性越好的材料，其抗沖擊強度的能力就越大，在受到沖擊載 荷的作用下不發生破壞的性質就越好。為了提高非晶合金的韌性，許多研究人員做了大量 的研究。如申請號為201010609177. 3名為《非晶合金表面處理方法及采用該方法制得的非 晶合金件》中提供一種Zr-Cu-Ni-Nb-Al系非晶合金，然后對該非晶合金件拋光后進行噴砂， 使非晶合金件表面形成多個微裂痕作為剪切帶以改善該非晶合金件的屈服強度、增強其塑 性變形能力。
[0004] 上述方案工藝不僅復雜、在復雜的非晶合金構件上無法使用，而且完全無法應用 于那些對外觀品質有要求的構件。
【發明內容】
[0005] 本發明通過對非晶合金的成分和制備工藝進行改進，提供了一種具有高韌性的非 晶合金，無需對非晶合金構件進行任何機械加工。同時，該非晶合金的形成能力佳，適合制 成復雜構件。
[0006] 本發明所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現： 1、原料配方 本發明所述非晶合金包括基礎合金部分與增強部分，基礎合金部分的元素組成及原子 摩爾百分含量為 Zr40-60%，Hf5-15%，A110-20%，Nil0-20%，Ml 組分 5-10%，M2 組分 2-8%，其 中Ml組分為Sn、Bi、Si、Cu元素中的一種或幾種，M2組分為Ag、Pd元素中一種或兩種；增 強部分為WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉中的一種或幾種，其添加量為上述基礎合金部分 體積的2-10%。
[0007] Zr基塊體非晶合金具有較高的玻璃形成能力、耐蝕性和成型能力，添加同族的Hf 原子在合金中對Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金屬原子之間的作用力增強， 宏觀表現為冷卻后合金結構較為致密成型性能良好，Al、Ni是Zr基非晶合金中常用添加元 素。本發明的發明人發現，添加 Sn、Bi、Si、Cu元素中的一種或幾種能夠有效增加上述Zr 基非晶合金的塑性和韌性，究其原因，從微觀結構上看，Sn、Bi、Si、Cu原子大小和表面能與 Zr、Hf相仿，且略有差異，在形成非晶合金的密堆結構中，Sn、Bi、Si、Cu原子易擴散至Zr和 Hf原子間形成各種無方向的金屬鍵，添加 Ag、Pd元素則更加加強了整個合金體系的熵值和 混亂度，直至這些無序金屬鍵與增強部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC相遇，形成類似晶態的塑 性顆粒。這樣形成的非晶合金在變形過程中，一旦非晶合金基體局部受到沖擊力，在變形的 過程中，這些類似晶態的塑性顆粒將把剪切帶隔離開，從而阻止剪切帶的擴張，從而實現宏 觀上良好的抗沖擊韌性。WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉粒徑控制于10-100nm為宜，過細 的納米微粉由于制備工藝復雜成本較高，而過粗的粒徑則會導致合金體系不均勻。
[0008] 進一步優選，上述基礎合金部分的元素組成及原子摩爾百分含量為Zr45_60%， Hf5-10%，A110-15%，Nil5-20%，Ml 組分 5-8%，M2 組分 5-8%。
[0009] 再進一步優選，所述Ml組分中選擇Sn或Cu最佳。所述增強部分選用為ZrC納米 微粉最佳，因為ZrC不僅能夠增強非晶合金整體的韌性，而且對于Zr基非晶合金來說沒有 引入其他雜質元素，避免了過多元素的加入可能導致的合金晶化。本發明中所述增強部分 的添加量可進一步優選為基礎合金部分體積的8-10%。
[0010] 2、制備方法 步驟一，將純度大于99. 9%的基礎合金部分原料和增強部分的納米微粉按照上述非晶 合金組成進行配比，攪拌混合均勻。
[0011] 步驟二，將混合好的原料在真空條件或氬氣氣氛中通過電弧熔煉或其他常規熔煉 方式將原料熔煉。
[0012] 因非晶合金原料中添加有增強部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉，所以在 合金冶煉過程中，將合金原料混合均勻至關重要，如果不均勻，將造成非晶合金局部缺陷， 導致局部力學性能的缺陷產生。因此，在制備本發明的非晶合金的過程中，原料熔化過程 需有規律震動熔煉爐至原料全部轉化為熔液為止，這一功能通過適當改進熔煉爐，如配 備可夾緊熔煉爐并進行規律運動的耐高溫金屬的機械裝置即可實現，在此不加贅述。為 將原料混合均勻，可反復熔煉3-4次，熔煉過程的真空度為10 LlO 3Pa，氬氣氣氛壓力為 0. 01-0. 05MPa，冷卻后得到非晶合金鑄錠。
[0013] 步驟三，通過常規非晶合金制備方法得到上述非晶合金產品，常規非晶合金制備 方法包括壓鑄、吸鑄等。熔煉后冷卻速度為l〇-l〇3K/s為宜。
[0014] 本發明中的非晶合金可作為高韌性的材料進行應用，如沖壓設備中的沖頭、壓接 塊等。本發明中的非晶合金可應用于消費類電子產品、醫療器械產品、航空航天工業、機器 儀表工業和汽車工業中。
[0015] 本發明具有如下有益效果： 1、本發明中的非晶合金材料無需進行機械加工即具有高韌性和耐沖擊的特性。
[0016] 2、本發明中的非晶合金材料形成尺寸可達30_，適合制成復雜構件。
[0017] 3、本發明中的非晶合金材料制備工藝簡單易行，適合工業化生產。
【具體實施方式】
[0018] 實施例 基礎合金部分原料配方如下表所示，數值為對應的原子摩爾百分含量。
[0019] Ml、M2配方如下，數值為對應的原子摩爾百分含量。
[0020] 合金的增強部分為ZrC納米微粉，微粉平均粒徑為100nm，ZrC納米微粉的添加量 為基礎合金部分體積的8%。
[0021] 合金制備方式： 步驟一，將純度大于99. 9%的基礎合金部分原料和增強部分的納米微粉按照上述非晶 合金組成進行配比，攪拌混合均勻。
[0022] 步驟二，將混合好的原料在氬氣氣氛中通過電弧熔煉將原料熔煉。在原料熔化 過程中，有規律震動熔煉爐至原料全部轉化為熔液，反復熔煉3次；熔煉過程的真空度為 10 3Pa，氬氣氣氛壓力為0.0 IMPa，冷卻后得到非晶合金鑄錠。熔煉后冷卻速度為102K/s。
[0023] 步驟三，通過壓鑄方法得到上述非晶合金產品。
[0024] 非晶合金的韌性使用金屬擺錘測試儀按照《GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘 沖擊試驗方法》進行測試，在室溫25攝氏度條件下對非晶合金制成的標準試樣進行試驗。 標準沖擊試樣長55cm，橫截面為10 X 10cm方形截面，V型缺口，擺錘刀刃選用2mm，測試試 樣的吸收功KV2, KV2值越高表示試樣的沖擊韌性越好。KV2單位為焦耳。
[0025] 實施例測試結果如下表：
實施例中非晶合金的形成尺寸都能達到15cm以上，最佳可達30cm。
[0026] 對比例1 基礎合金部分原料配方與實施例保持一致，合金的增強部分為WC、SiC、TiC、TiN納米 微粉，微粉平均粒徑為l〇〇nm，納米微粉的添加量為基礎合金部分體積的8%。
[0027] 測試結果如下表：
對比例2 采用Zr-Hf-Al-Ni四元合金體系作為對照試驗，合金制備方法、測試方法與實施例相 同，對比例中合金中元素及原子摩爾百分含量如下表：
由實施例和對比例可知，本發明中的非晶合金沖擊韌性良好，無需進行機械加工即具 有高韌性和耐沖擊的特性。而且本發明中的非晶合金材料形成尺寸可達30mm，適合制成復 雜構件。
[0028] 最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明實施例的技術方案而非對其進 行限制，盡管參照較佳實施例對本發明實施例進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員 應當理解依然可以對本發明實施例的技術方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等 同替換亦不能使修改后的技術方案脫離本發明實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1. 一種高韌性非晶合金，所述非晶合金包括基礎合金部分與增強部分，其特征在于： 基礎合金部分的元素組成及原子摩爾百分含量為Zr40-60%，Hf5-15%，A110-20%，Ni10-20%， Ml組分5-10%，M2組分2-8%，其中Ml組分為Sn、Bi、Si、Cu元素中的一種或幾種，M2組分 為Ag、Pd元素中一種或兩種； 增強部分為WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉中的一種或幾種，其添加量為上述基礎合 金部分體積的2-10%。2. 根據權利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述基礎合金部分的元素組成及原子 摩爾百分含量為Zr45-60%，Hf5-10%，A110-15%，Nil5-20%，Ml組分 5-8%，M2 組分 5-8%。3. 根據權利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉 粒徑為l〇-l〇〇nm。4. 根據權利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述Ml組分為Sn或Cu。5. 根據權利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述增強部分為ZrC納米微粉。6. 根據權利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述增強部分的添加量為基礎合金部 分體積的8-10%。7. -種制備如權利要求1-5任一所述非晶合金的方法，其特征在于： 步驟一，將純度大于99. 9%的基礎合金部分原料和增強部分的納米微粉按照上述非晶 合金組成進行配比，攪拌混合均勻； 步驟二，將混合好的原料在真空條件或氬氣氣氛中通過電弧熔煉或其他常規熔煉方式 將原料熔煉，在原料熔化過程中，有規律震動熔煉爐至原料全部轉化為熔液，反復熔煉3-4 次；熔煉過程的真空度為10 ^10 3Pa，氬氣氣氛壓力為0. 01-0. 05MPa，冷卻后得到非晶合金 鑄錠； 步驟三，通過常規非晶合金制備方法得到上述非晶合金產品。8. 根據權利要求6所述非晶合金制備方法，其特征在于：熔煉后冷卻速度為10-10 3K/ So9. 一種權利要求1-5任一所述非晶合金的應用，其特征在于：所述非晶合金可應用于 消費類電子產品、醫療器械產品、航空航天工業、機器儀表工業和汽車工業中。10. -種權利要求1-5任一所述非晶合金的應用，其特征在于：所述非晶合金可作為高 韌性的材料進行應用。
【專利摘要】本發明公開了一種高韌性非晶合金，所述非晶合金包括基礎合金部分與增強部分，基礎合金部分的元素組成及原子摩爾百分含量為Zr40-60%，Hf5-15%，Al10-20%，Ni10-20%，M1組分5-10%，M2組分2-8%，其中M1組分為Sn、Bi、Si、Cu元素中的一種或幾種，M2組分為Ag、Pd元素中一種或兩種；增強部分為WC、SiC、TiC、TiN、ZrC納米微粉中的一種或幾種，其添加量為上述基礎合金部分體積的2-10%。本發明中的非晶合金沖擊韌性良好，無需進行機械加工即具有高韌性和耐沖擊的特性。
【IPC分類】C22C45/10
【公開號】CN105316603
【申請號】CN201510700312
【發明人】宋佳
【申請人】宋佳
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年10月26日