一种高韧性非晶合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非晶合金，尤其涉及一种高韧性的非晶合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 非晶合金是指原子排列短程有序、长程无序呈密堆排列结构的合金材料，所以非 晶合金不具有晶态材料的晶界、位错等缺陷。这种结构特征使非晶合金具有非常多的优异 的力学性能，如高硬度、高强度、良好耐蚀性能，但同时非晶合金也具有塑性和韧性差，作为 结构件时易发生脆性断裂的问题，这些缺点一直制约着非晶合金构件的使用。
[0003] 金属的韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，则 发生脆性断裂的可能性越小。韧性越好的材料，其抗冲击强度的能力就越大，在受到冲击载 荷的作用下不发生破坏的性质就越好。为了提高非晶合金的韧性，许多研究人员做了大量 的研究。如申请号为201010609177. 3名为《非晶合金表面处理方法及采用该方法制得的非 晶合金件》中提供一种Zr-Cu-Ni-Nb-Al系非晶合金，然后对该非晶合金件抛光后进行喷砂， 使非晶合金件表面形成多个微裂痕作为剪切带以改善该非晶合金件的屈服强度、增强其塑 性变形能力。
[0004] 上述方案工艺不仅复杂、在复杂的非晶合金构件上无法使用，而且完全无法应用 于那些对外观品质有要求的构件。
【发明内容】
[0005] 本发明通过对非晶合金的成分和制备工艺进行改进，提供了一种具有高韧性的非 晶合金，无需对非晶合金构件进行任何机械加工。同时，该非晶合金的形成能力佳，适合制 成复杂构件。
[0006] 本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现： 1、原料配方 本发明所述非晶合金包括基础合金部分与增强部分，基础合金部分的元素组成及原子 摩尔百分含量为 Zr40-60%，Hf5-15%，A110-20%，Nil0-20%，Ml 组分 5-10%，M2 组分 2-8%，其 中Ml组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种，M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；增 强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分 体积的2-10%。
[0007] Zr基块体非晶合金具有较高的玻璃形成能力、耐蚀性和成型能力，添加同族的Hf 原子在合金中对Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金属原子之间的作用力增强， 宏观表现为冷却后合金结构较为致密成型性能良好，Al、Ni是Zr基非晶合金中常用添加元 素。本发明的发明人发现，添加 Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种能够有效增加上述Zr 基非晶合金的塑性和韧性，究其原因，从微观结构上看，Sn、Bi、Si、Cu原子大小和表面能与 Zr、Hf相仿，且略有差异，在形成非晶合金的密堆结构中，Sn、Bi、Si、Cu原子易扩散至Zr和 Hf原子间形成各种无方向的金属键，添加 Ag、Pd元素则更加加强了整个合金体系的熵值和 混乱度，直至这些无序金属键与增强部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC相遇，形成类似晶态的塑 性颗粒。这样形成的非晶合金在变形过程中，一旦非晶合金基体局部受到冲击力，在变形的 过程中，这些类似晶态的塑性颗粒将把剪切带隔离开，从而阻止剪切带的扩张，从而实现宏 观上良好的抗冲击韧性。WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉粒径控制于10-100nm为宜，过细 的纳米微粉由于制备工艺复杂成本较高，而过粗的粒径则会导致合金体系不均匀。
[0008] 进一步优选，上述基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr45_60%， Hf5-10%，A110-15%，Nil5-20%，Ml 组分 5-8%，M2 组分 5-8%。
[0009] 再进一步优选，所述Ml组分中选择Sn或Cu最佳。所述增强部分选用为ZrC纳米 微粉最佳，因为ZrC不仅能够增强非晶合金整体的韧性，而且对于Zr基非晶合金来说没有 引入其他杂质元素，避免了过多元素的加入可能导致的合金晶化。本发明中所述增强部分 的添加量可进一步优选为基础合金部分体积的8-10%。
[0010] 2、制备方法 步骤一，将纯度大于99. 9%的基础合金部分原料和增强部分的纳米微粉按照上述非晶 合金组成进行配比，搅拌混合均匀。
[0011] 步骤二，将混合好的原料在真空条件或氩气气氛中通过电弧熔炼或其他常规熔炼 方式将原料熔炼。
[0012] 因非晶合金原料中添加有增强部分的WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉，所以在 合金冶炼过程中，将合金原料混合均匀至关重要，如果不均匀，将造成非晶合金局部缺陷， 导致局部力学性能的缺陷产生。因此，在制备本发明的非晶合金的过程中，原料熔化过程 需有规律震动熔炼炉至原料全部转化为熔液为止，这一功能通过适当改进熔炼炉，如配 备可夹紧熔炼炉并进行规律运动的耐高温金属的机械装置即可实现，在此不加赘述。为 将原料混合均匀，可反复熔炼3-4次，熔炼过程的真空度为10 LlO 3Pa，氩气气氛压力为 0. 01-0. 05MPa，冷却后得到非晶合金铸锭。
[0013] 步骤三，通过常规非晶合金制备方法得到上述非晶合金产品，常规非晶合金制备 方法包括压铸、吸铸等。熔炼后冷却速度为l〇-l〇3K/s为宜。
[0014] 本发明中的非晶合金可作为高韧性的材料进行应用，如冲压设备中的冲头、压接 块等。本发明中的非晶合金可应用于消费类电子产品、医疗器械产品、航空航天工业、机器 仪表工业和汽车工业中。
[0015] 本发明具有如下有益效果： 1、本发明中的非晶合金材料无需进行机械加工即具有高韧性和耐冲击的特性。
[0016] 2、本发明中的非晶合金材料形成尺寸可达30_，适合制成复杂构件。
[0017] 3、本发明中的非晶合金材料制备工艺简单易行，适合工业化生产。
【具体实施方式】
[0018] 实施例 基础合金部分原料配方如下表所示，数值为对应的原子摩尔百分含量。
[0019] Ml、M2配方如下，数值为对应的原子摩尔百分含量。
[0020] 合金的增强部分为ZrC纳米微粉，微粉平均粒径为100nm，ZrC纳米微粉的添加量 为基础合金部分体积的8%。
[0021] 合金制备方式： 步骤一，将纯度大于99. 9%的基础合金部分原料和增强部分的纳米微粉按照上述非晶 合金组成进行配比，搅拌混合均匀。
[0022] 步骤二，将混合好的原料在氩气气氛中通过电弧熔炼将原料熔炼。在原料熔化 过程中，有规律震动熔炼炉至原料全部转化为熔液，反复熔炼3次；熔炼过程的真空度为 10 3Pa，氩气气氛压力为0.0 IMPa，冷却后得到非晶合金铸锭。熔炼后冷却速度为102K/s。
[0023] 步骤三，通过压铸方法得到上述非晶合金产品。
[0024] 非晶合金的韧性使用金属摆锤测试仪按照《GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤 冲击试验方法》进行测试，在室温25摄氏度条件下对非晶合金制成的标准试样进行试验。 标准冲击试样长55cm，横截面为10 X 10cm方形截面，V型缺口，摆锤刀刃选用2mm，测试试 样的吸收功KV2, KV2值越高表示试样的冲击韧性越好。KV2单位为焦耳。
[0025] 实施例测试结果如下表：
实施例中非晶合金的形成尺寸都能达到15cm以上，最佳可达30cm。
[0026] 对比例1 基础合金部分原料配方与实施例保持一致，合金的增强部分为WC、SiC、TiC、TiN纳米 微粉，微粉平均粒径为l〇〇nm，纳米微粉的添加量为基础合金部分体积的8%。
[0027] 测试结果如下表：
对比例2 采用Zr-Hf-Al-Ni四元合金体系作为对照试验，合金制备方法、测试方法与实施例相 同，对比例中合金中元素及原子摩尔百分含量如下表：
由实施例和对比例可知，本发明中的非晶合金冲击韧性良好，无需进行机械加工即具 有高韧性和耐冲击的特性。而且本发明中的非晶合金材料形成尺寸可达30mm，适合制成复 杂构件。
[0028] 最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进 行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等 同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
【主权项】
1. 一种高韧性非晶合金，所述非晶合金包括基础合金部分与增强部分，其特征在于： 基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr40-60%，Hf5-15%，A110-20%，Ni10-20%， Ml组分5-10%，M2组分2-8%，其中Ml组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种，M2组分 为Ag、Pd元素中一种或两种； 增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合 金部分体积的2-10%。2. 根据权利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述基础合金部分的元素组成及原子 摩尔百分含量为Zr45-60%，Hf5-10%，A110-15%，Nil5-20%，Ml组分 5-8%，M2 组分 5-8%。3. 根据权利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉 粒径为l〇-l〇〇nm。4. 根据权利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述Ml组分为Sn或Cu。5. 根据权利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述增强部分为ZrC纳米微粉。6. 根据权利要求1所述非晶合金，其特征在于：所述增强部分的添加量为基础合金部 分体积的8-10%。7. -种制备如权利要求1-5任一所述非晶合金的方法，其特征在于： 步骤一，将纯度大于99. 9%的基础合金部分原料和增强部分的纳米微粉按照上述非晶 合金组成进行配比，搅拌混合均匀； 步骤二，将混合好的原料在真空条件或氩气气氛中通过电弧熔炼或其他常规熔炼方式 将原料熔炼，在原料熔化过程中，有规律震动熔炼炉至原料全部转化为熔液，反复熔炼3-4 次；熔炼过程的真空度为10 ^10 3Pa，氩气气氛压力为0. 01-0. 05MPa，冷却后得到非晶合金 铸锭； 步骤三，通过常规非晶合金制备方法得到上述非晶合金产品。8. 根据权利要求6所述非晶合金制备方法，其特征在于：熔炼后冷却速度为10-10 3K/ So9. 一种权利要求1-5任一所述非晶合金的应用，其特征在于：所述非晶合金可应用于 消费类电子产品、医疗器械产品、航空航天工业、机器仪表工业和汽车工业中。10. -种权利要求1-5任一所述非晶合金的应用，其特征在于：所述非晶合金可作为高 韧性的材料进行应用。
【专利摘要】本发明公开了一种高韧性非晶合金，所述非晶合金包括基础合金部分与增强部分，基础合金部分的元素组成及原子摩尔百分含量为Zr40-60%，Hf5-15%，Al10-20%，Ni10-20%，M1组分5-10%，M2组分2-8%，其中M1组分为Sn、Bi、Si、Cu元素中的一种或几种，M2组分为Ag、Pd元素中一种或两种；增强部分为WC、SiC、TiC、TiN、ZrC纳米微粉中的一种或几种，其添加量为上述基础合金部分体积的2-10%。本发明中的非晶合金冲击韧性良好，无需进行机械加工即具有高韧性和耐冲击的特性。
【IPC分类】C22C45/10
【公开号】CN105316603
【申请号】CN201510700312
【发明人】宋佳
【申请人】宋佳
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年10月26日