铁基块体非晶合金的研究进展
非晶合金研究现状及应用发展综述
非晶合金研究现状及应用发展综述摘要：本文综述了块体非晶合金材料研究发展的历史和现状。
介绍了主要的非晶合金体系发展状况，并从块体非晶合金材料形成的成分与结构条件、热力学条件和动力学条件等方面阐述了块体非晶合金形成和稳定存在的机制。
较全面地列出并介绍了目前块体非晶合金材料的制备方法及其特色，并总结了非晶合金的性能特征和应用现状。
关键词：非晶合金；性能；应用；制备方法0 引言非晶态合金是指不具有长程有序但短程有序的金属合金,又由于其具有金属合金的一些特性,故它们也被称为玻璃态合金或者非结晶合金，属于非晶态材料中新兴的分支【1】。
与晶态合金相比，非晶合金具备许多优异性能，如高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等。
块体非晶合金材料的迅速发展，为材料科研工作者和工业界研究开发高性能的功能材料和结构材料提供了十分重要的机会和巨大的开拓空间。
1.非晶合金的结构综述非晶态合金的结构自从20世纪60年代发现首个Au-Si非晶态合金以来【2】,非晶态合金的原子结构就是人们关注的焦点,提出了多种非晶态合金结构模型,主要有:硬球无规密堆模型、微晶模型、连续无规网格模型、FCC/HCP密堆团簇堆积模型。
1.非晶合金的性能及应用非晶合金与普通钢铁材料相比，有相当突出的高强度、高韧性和高耐磨性。
根据这些特点利用非晶态材料和其它材料可以制备成优良的复合材料，也可以单独制成高强度耐磨器件。
在日常生活中接触的非晶态材料已有很多，如用非晶态合金制做的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录相机中的广泛使用；把块体非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮中；采用非晶丝复合强化的高尔夫球杆、钓鱼杆已经面市。
非晶合金材料已广泛用于轻、重工业、军工和航空航天业，在材料表面、特殊部件和结构零件等方面也都得较广泛的应用。
2.1部分应用场景（1）非晶态的力分布传感器非晶态合金因无结晶结构，故不存在晶界这样一些局部显示机械强度小的地方，所以具有高强度、高硬度的特性；原子是无序超密结构，所以电阻率高，使之制成器件工作时铁损小；无磁晶各向异性，对外部磁场变化敏感，所以检测磁变化灵敏度高：由于不存在结晶缺陷、晶界，所以耐蚀性好。
全金属组元铁基块体非晶的制备与性能研究
全金属组元铁基块体非晶的制备与性能研究范超;孔见【摘要】为了获得良好的玻璃形成能力,通常在铁基非晶合金中添加类金属元素(P、C、B、Si等),但这些铁基非晶合金大多室温塑性很差,且其脆性与其类金属元素的种类、含量以及分布有密切关系,因而本文选取全金属组元铁基非晶合金(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10,通过旋淬甩带与铜模喷铸的方法分别制备了条带与块体试样,并采用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、万能试验机等进行了相关性能研究.研究表明:(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10的临界尺寸在l～2 mm,玻璃转变温度为482℃,过冷液相区达到70℃;直径为1 mm的非晶棒材的屈服强度为2 190 MPa,断裂强度达到2 800 MPa,塑性应变量为3.6％.全金属成分中更多的金属-金属键合方式可能是其拥有较好塑性的原因.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2019(027)002【总页数】4页(P56-59)【关键词】铁基块体非晶合金;全金属组元;铜模喷铸;塑性;强度【作者】范超;孔见【作者单位】南京理工大学材料科学与工程学院,南京210094;南京理工大学材料科学与工程学院,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TG139.8非晶合金是一种具有特殊结构和优异性能的合金材料，它是由金属熔体以极快的冷却速度凝固，从而抑制晶体相的形成，使液态熔体无序混乱的原子组态被冻结下来形成的[1].由于结构上长程无序、短程有序，使其具有一系列优异的性能.其中，铁基非晶合金拥有超高的强度与硬度、优异的软磁性能、优异的耐磨耐腐蚀性能[2-4]，以及丰富的自然资源，使其备受人们的关注.为获得良好的玻璃形成能力，通常在铁基非晶合金中添加1种或几种类金属元素[5-7](如P、C、B、Si等)，但这些铁基非晶合金大多数室温塑性很差，为典型的脆性材料，因而大大限制了铁基非晶合金的广泛应用.在对铁基非晶合金薄带及块体进行脆性分析时，发现其脆性与类金属元素的种类、含量以及分布密切相关[8].在不含类金属元素的Zr基、Cu基、Ti基等大块非晶合金中发现了较高的塑性变形能力，如：Zr61.88Cu18Ni10.12Al10在室温下具有超塑性[9]；Cu47.5Zr47.5Al5的压缩变形量达18%[10]；Ti45Cu40Ni7.5Zr5Sn2.5 的变形量达16%[10].为此，本文选取了不含类金属元素的铁基非晶合金(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10[11]，并添加少量Y、Mo，制备了条带与棒材试样，并进行了相关性能研究.1 实验成分为(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10，[(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10]98M2 (M=Y,Mo)，原材料中金属元素的纯度大于99.9%，按名义成分进行配比，精确到±0.001 g.然后，用非自耗电弧熔炼炉在氩气保护气氛中进行熔炼，至少熔炼4次，以确保合金成分均匀一致；再通过单辊甩带与铜模喷铸的方法制备成样品.采用Bruker D8 X射线衍射仪(XRD)进行试样组织结构分析；用PE DSC 8500差示扫描量热仪分析试样的热稳定性，升温速率为20 K/min；采用长春机械科学研究院生产的DNS系列电子万能试验机进行试样的压缩性能试验，压缩试样的高径比为2∶1，应变速率为5×10-4 s-1，为了保证测试结果的准确，每种成分至少准备3个压缩样；利用FEI Quanta 250F场发射环境扫描电镜(SEM)对压缩断口进行分析.2 结果与分析2.1 非晶形成能力分析图1所示为3种成分的铁基条带的XRD衍射谱图，可以清楚看到，相同条件下FeCoNiCrZr具有更高的玻璃形成能力，在衍射角2θ=44°附近出现1个非晶态典型的漫散射峰，且在整个扫描角度范围内，没有出现明显的晶态尖锐的衍射峰，表明制备的条带样品为非晶态合金.而添加了Y与Mo的成分，有明显的晶态尖锐的衍射峰出现.根据Midema模型[12]，计算合金的混合焓公式为式中：为第i和j元素之间规则熔体的相互作用参数；ci为第i元素的原子分数；为二元液态合金的混合焓.计算得出FeCoNiCrZr的混合焓为-13.30 kJ/mol，FeCoNiCrZrY的混合焓为-12.98 kJ/mol，FeCoNiCrZrMo的混合焓为-12.74 kJ/mol.根据经验准则，大的负混合焓会使原子间的堆垛密度增加，从而使系统的吉布斯自由能降低，降低结晶驱动力，利于形成非晶态.因而，加入Y、Mo元素后其玻璃形成能力是降低的.图1 条带试样X射线衍射谱Fig.1 XRD pattern of ribbon samples根据条带的测试结果，对FeCoNiCrZr成分分别制备了直径为1、2、3 mm的棒状试样，XRD检测结果如图2所示.直径为1 mm的FeCoNiCrZr试样同样在衍射角2θ=44°附近出现1个漫散射峰，且没有出现明显的晶态合金尖锐的衍射峰，表明直径为1 mm的试样为非晶态合金.直径为2和3 mm的棒状试样有明显的尖锐衍射峰出现，表明有晶体相生成；且随着尺寸的增大，晶态衍射峰的数量增加，同时峰的强度也是增强的，表明试样中晶体种类与含量的增加.直径为2 mm的试样为非晶和晶体的复合物，而直径为3 mm的基本上均为晶态合金.因而，得出(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10全金属成分的临界尺寸在1～2 mm.图2 (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10棒状试样X射线衍射谱图Fig.2 XRD pattern of (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10 rod-shape sample 2.2 热稳定分析将直径1 mm的棒状试样用DSC进行热性能参数分析，升温速率为20 K/min，得出的DSC曲线如图3所示.利用切线法，得出(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10的玻璃转变温度Tg为482 ℃，晶化温度Tx为552 ℃，过冷液相区ΔTx为70 ℃.与文献中条带样品的热性能参数相比，玻璃转变温度Tg降低了25 ℃，晶化温度Tx接近，过冷液相区ΔTx提高了28 ℃.这可能是与制备工艺有关.图3 (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10非晶合金DSC曲线Fig.3 DSC curve of (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10 metallic glass2.3 力学性能分析将FeCoNiCrZr非晶合金棒材制备成高径比为2∶1的标准压缩样，室温压缩的应变速率为5×10-4 s-1，并将试样两端磨平整，以保证试验的准确性.图4为其室温压缩应力应变曲线，在单向压缩试验中，试样经过弹性变形阶段，而后屈服进入塑性变形阶段，最后失稳断裂，压缩试验结果列于表1中.图4 (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10非晶合金应力应变曲线Fig.4 The stress-strain curves of (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10 metallic glass表1 (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10压缩性能Table 1 The compressive performance of (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10 直径/mm屈服强度σy/MPa断裂强度σf/MPa塑性应变/%12 1902 8003.6121 6602 0801.7031 7001 8500.59直径为1 mm的非晶试样拥有最高的屈服强度、断裂强度及塑性应变，分别为2 190、2 800 MPa和3.61%；直径为2 mm试样的屈服与断裂强度分别为1 660和2 080 MPa，同时塑性应变为1.7%；而基本为晶体相的3 mm试样的强度与塑性都较小，其屈服强度为1 700 MPa，断裂强度为1 850 MPa，而塑性应变只有0.59%.表明全金属成分铁基块体非晶合金拥有高的强度及较好的塑性，随着晶体相的增加，强度和塑性都降低.为了进一步分析断裂的微观行为，对压缩断裂后的非晶试样进行了断口SEM扫描.图5所示为直径1 mm的FeCoNiCrZr试样的断口SEM形貌，从FeCoNiCrZr 压缩断口微观形貌中可以清晰地观察到脉络状条纹，且条纹间分布着许多类小液滴形态，它们是由于非晶在绝热剪切过程中产生的温升超过了样品的熔点而使样品软化形成的熔滴.图5 直径1 mm (Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10断口SEM形貌Fig.5 SEM images of compressive fracture of 1 mm diameter(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10非晶合金拥有独特的结构特征，其中承载形变的基本单元为几十至几百个原子组成的短程序或中程序原子团簇[13-14].在这样的原子团簇中，协调变形的能力与键的长短及成键方向密切相关，也就是说金属玻璃的原子结合性质有可能成为影响力学性能的主要因素.而在晶体结构中，完全金属键的晶体要比金属键共价键混合的塑性变形能力要强，而完全共价键的晶体通常表现为脆性.因而非晶合金中更多金属-金属键合方式可能拥有较好的塑性变形能力，研究表明，金属-金属之间的键合方式显示更多的s波函数参与键合，而s轨道的电子拥有大的重叠度，在剪切过程中其轨道重叠度基本保持不变，从而拥有高的柔性，进而更容易抵抗剪切应变、吸收裂纹尖端的能量，使非晶合金表现为塑性特征[15-16].(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10无类金属元素，原子之间的键合方式主要为金属-金属键合，因而拥有高的柔顺性，使全金属铁基非晶合金拥有较好的塑性变形能力.3 结论全金属成分(Fe0.52Co0.3Ni0.18)73Cr17Zr10中添加少量Y、Mo元素会使其玻璃形成能力降低，其拥有低的玻璃转变温度Tg为482 ℃和大的过冷液相区ΔTx 为70 ℃；同时拥有高的强度以及较好的塑性变形能力，直径1 mm的非晶试样，室温压缩时的断裂强度达到2 800 MPa，塑性应变达到3.6%，而直径为2和3 mm试样中随晶体相的增加，其强度与塑性都降低.更多金属-金属键合方式是其拥有较好塑性变形能力的原因.参考文献：【相关文献】[1] WANG W H, DONG C, SHEK C H. Bulk metallic glasses[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2004, 44(2): 45-89.DOI: 10.1016/j.mser.2004.03.001[2] SI J, MEI J, WANG R, et al. Fe-B-Si-Zr bulk metallic glasses with ultrahigh compressive strength and excellent soft magnetic properties[J]. Materials Letters, 2016, 181: 282-284. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.06.052[3] WANG F, INOUE A, HAN Y, et al. Soft magnetic Fe-Co-based amorphous alloys with extremely high saturation magnetization exceeding 1.9 T and low coercivity of 2 A/m[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 723: 376-384.DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.06.192[4] HAN Y, KONG F, CHANG C, et al. Syntheses and corrosion behaviors of Fe-based amorphous soft magnetic alloys with high-saturation magnetization near 1.7 T[J]. Journal of Materials Research, 2015, 30(4): 547-555.DOI: 10.1557/jmr.2014.389[5] LU Z P, LIU C T, THOMPSON J R, et al. Structural amorphous steels[J]. Physical Review Letters, 2004, 92(24): 245503.DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.245503[6] WANG W H. Roles of minor additions in formation and properties of bulk metallic glasses[J]. Progress in Materials Science, 2007, 52(4): 540-596.DOI: 10.1016/j.pmatsci.2006.07.003[7] LI J F, WANG X, LIU X, et al. Effect of fluxing treatment on the properties ofFe66Co15Mo1P7. 5C5. 5B2Si3 bulk metallic glass by water quenching[J]. Physica B: Condensed Matter, 2018, 528: 24-26.DOI: 10.1016/j.physb.2017.10.061[8] KUMAR G, OHNUMA M, FURUBAYASHI T, et al. Thermal embrittlement of Fe-based amorphous ribbons[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2008, 354(10): 882-888.DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2007.08.001[9] TAO P J, YANG Y Z, BAI X J, et al. Zr-based bulk metallic glass with super-plasticity under uniaxial compression at room temperature[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2008, 354(31): 3742-3746.DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2008.04.012[10]KIM K B, DAS J, VENKATARAMAN S, et al. Work hardening ability of ductileTi45Cu40Ni7.5Zr5Sn2.5 and Cu47.5Zr47.5Al5 bulk metallic glasses[J]. Applied physics letters, 2006, 89(7): 071908.DOI: 10.1063/1.2337534[11]XIE C, YANG Y, ZHONG S, et al. Formation, magnetic properties and bending deformation of Fe-based amorphous alloy without metalloids[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 695: 877-880.DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.10.182[12]TAKEUCHI A, INOUE A. Classification of bulk metallic glasses by atomic size difference, heat of mixing and period of constituent elements and its application to characterization of the main alloying element[J]. Materials Transactions, 2005, 46(12): 2817-2829.DOI: 10.2320/matertrans.46.2817[13]SPAEPEN F. A microscopic mechanism for steady state inhomogeneous flow in metallic glasses[J]. Acta Metallurgica, 1977, 25(4): 407-415.DOI: 10.1016/0001-6160(77)90232-2[14]SPAEPEN F. Homogeneous flow of metallic glasses: A free volume perspective[J].Scripta Materialia, 2006, 54(3): 363-367.DOI: 10.1016/j.scriptamat.2005.09.046[15]YANG W, LIU H, ZHAO Y, et al. Mechanical properties and structural features of novel Fe-based bulk metallic glasses with unprecedented plasticity[J]. Scientific reports, 2014, 4: 6233.DOI: 10.1038/srep06233[16]袁晨晨. 金属玻璃的键态特征与塑性起源[J]. 物理学报, 2017, 66(17): 176402-176402. YUAN Chenchen.Key state characteristics and plastic origin of metallic glass [J]. Acta Physica Sinica, 2017,66 (17): 176402-176402.DOI: 10.7498/aps.66.176402。
铁基非晶合金耐腐蚀性能研究进展
溶 液 中显示极 高 的耐腐 蚀性 能 。在 １ ＨＣＩ Ｍ 溶液 中， 非品态 Ｆ 一１ —ｌＰ Ｃ合金 条 带没 有 腐蚀 现象 ｅ ０ ３ 一７ 发生 ， 晶态 的 ３４不锈 钢 （ ｅ ８ ｒ ８ ） 但 ０ Ｆ 一１Ｃ － Ｎｉ的腐 蚀速 度却达 到 了 ｌｍｍ／ （ １ 。合 金高耐 蚀 性 的主要 年 图 ）
浓 ＨＣ 溶液 中表 现 了极高 的耐腐蚀 能力 ， １ 腐蚀 速度 只有 １ ～１ ｒｍ／ （ ２ ； １Ｎ ＨＣ 溶 液 中（ ０ Ｏ ａ 年 图 ）在 ２ １ 参
比电极 为 Ａｇ Ａｇ １， 金 阳极 极化 至 ＋１ ｏ 还没有 点蚀 现象 发生 。 ／ Ｃ）合 ．ｖ
铁 基非 晶热 喷涂层 正尝试 应 用于 海军 舰 船 及核 燃 料储 存 罐 等设 备 上 。Ｆ ｒ ｒ 人 用 超音 速 火 焰 喷 ａｍｅ 等
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ｌ ７ ０ ｌ ５ １ １ ５ ） 山 东省杰 出青年 基金 （Ｑ２ Ｌ １） 潍坊 学院博士科研 基金项 目 ５ １ １９ ， １７ １２ ； Ｊ ＯＯ２ ；
（ ０１ Ｂ ２ ） ２ ２ Ｓ ４
作者简介 ： 马海健（ ９Ｏ 。 山 东安丘人 ， １７ 一） 男， 潍坊学院机 电与 车辆工程 学院讲 师 ， 工学博 士。研 究方向 ： 液态金属及 其成型控制 ， 非晶态金 属的制备 、 结构及性 能 ， 纳来功 能材料 。
一 （ ）ｐ ） ｅ（ ｘ一
要 与表 面活性 原 子数量 ａ及合 金 的 电化学 活化 能 Ａ 有关 。 Ｇ
一
㈩
其 中 ：走 ｈ 为频 率 因子 （ １ ５ ； Ｇ （ Ｔ／ ） ≈ ０ 一） Ａ 为 电化 学 活化 自川 能 ； 为 单位 面 积上 的原子 数 （ １ Ｎｓ ≈ ０
块体非晶钢合金的研究应用现状与展望_李宏祥
2009中国铸造活动周论文集块体非晶钢合金的研究应用现状与展望李宏祥1, 2, 吕昭平2，王善林3, 李承熏3(1.江苏工业学院材料科学与工程学院，中国常州，213164;2.北京科技大学新金属材料国家重点实验室，中国北京，100083;3.庆北国立大学校材料科学及冶金系，韩国大邱，702-701)摘要：块体非晶钢合金作为一种新型的功能结构材料因为高的断裂强度、良好的耐磨耐蚀性能和优异的软磁性能，近年来吸引着材料科研工作者的广泛注意，尤其是作为优异的变压器铁芯材料因为低的矫丸力、低的芯损和高的饱和磁化强度获得了广泛的工业应用。
本文试图对块体非晶钢的研究现状从玻璃形成能力、力学性能、腐蚀性能、软磁性能等各个角度进行回顾，并且着重探讨了其在电子器件、传感器、军事、精密微机械、催化剂等方面的应用状况与潜在价值。
同时，本文也对块体非晶钢研究与应用面临的挑战以及未来的可能研究方向进行了展望，将有助于推动块体非晶钢这一新型结构功能材料的研究与应用的进一步发展。
关键词：块体非晶钢合金；玻璃形成能力；力学性能；腐蚀性能；软磁性能自从Duwez等1967年在世界上第1次发现Fe-P-C铁基非晶合金以来，铁基非晶合金因为其高的断裂强度、优异的抗腐蚀和软磁性能以及地球上丰富的铁资源，一直吸引着材料科研工作者的广泛注意[1]。
Fe-P-B、(Fe, Co)-B-Si、(Fe, Co, Ni)-M、(Fe, Co, Ni)-M-B(M=Zr, Hf, Nb)等合金系相继涌现，然而，这个时期的铁基非晶合金因为需要至少105K/s的冷却速度，故应用形式局限在薄带、细丝以及粉末等。
铁基非晶合金获得大块形式的真正突破在1995年，来自日本东北大学的Inoue教授课题组发现了1mm的Fe-(Al, Ga)-(P, C, B)块体非晶合金系[2]。
这之后各国科学家争相开展此方面的研究，相继报告了Fe-(Al, Ga)-(C, B, P, Si, Ge)、Fe-TM-B、Fe-Co-Ln-B、Fe-(Cr, Mn)-(Mo, Co)-(C, B)-(Er, Y)等块体非晶钢合金系，同时在形成能力、力学性能、抗腐蚀性能以及软磁性能的提高方面均获得了重要突破。
非晶合金研究及其在材料上的应用
非晶合金研究及其在材料上的应用从古至今，材料科学一直是人类发展的重要领域。
随着科技的不断发展，材料的种类也越来越多样化。
其中，非晶合金材料成为近年来研究的热点之一。
本文将介绍非晶合金的基本概念和研究现状，以及其在材料领域中的应用。
一、非晶合金的基本概念非晶合金又称块体非晶态合金或非晶态合金，是一种材料的组织形态，其物理形态类似于固态玻璃，没有晶体结构。
它既不是晶态物质，也不是液态物质。
在非晶合金中，原子的排列无序，存在于纳米级别的有序区域和无序区域之间，因此也被称为纳米软玻璃体。
与传统的晶态合金相比，非晶合金具有许多独特的性质，如高硬度、高强度、高韧性、高导电性、高磁导率等。
非晶合金材料的制备需要控制镀层的生长速度和温度等制造过程中的参数，并采用特殊的制备方法。
二、非晶合金的研究现状非晶态合金的研究开始于20世纪60年代，当时主要研究镍、钴、铁等元素形成的非晶合金。
然而由于材料制备过程的复杂性以及技术水平的限制，当时制备出的非晶合金样品稳定性不够，无法广泛应用。
近年来，随着材料科学的发展，非晶合金研究取得了飞跃性进展。
目前，非晶合金应用领域正在向多个方向拓展。
研究人员已通过改进非晶合金制备方法和提高材料稳定性等手段，制备出了多种具有较好性能的非晶合金材料。
三、非晶合金在材料领域的应用1、采用非晶合金制造金属结构材料在汽车、航空、机器制造等领域，金属结构材料一直是主流。
非晶合金材料可以用来制造金属结构材料。
相比于传统金属材料，非晶合金材料具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性等特点，因此可以应用于制造航空航天器飞行器、高速列车、船舶以及各种工业机械等领域。
2、采用非晶合金制造磁性材料非晶合金还可以制造各种高性能的磁性材料，具有广泛的应用前景。
如镍基、铁基、钴基的非晶合金材料在电机、变压器、传感器等高性能电磁学器件中得到了广泛应用。
而钒铁铝、钒硼铁、铱铁等稀土非晶合金在高级磁盘和计算机存储领域的应用也逐渐增多。
高饱和磁通密度Fe基非晶软磁合金研究进展_陈国钧
0.01 0.4
2605HB1 单板试料
0.8
1.2
1.6
2.0
B/T
(c)激磁功率 S
图 3 2605HB1 合金的特性曲线及与现用合金（2605SA1，取向硅钢电磁钢板）的比较[3]
成 分（at%）
表 3 某些 FeSiBC 系合金的成分和性能[4,5]
Bs/T B80/T B80/Bs P1.3/50/W·kg－1 P1.4/50/W·kg－1 P1.5/60/W·kg－1 TC/℃ Tx1/℃ RS△/% ε△ C 偏析层位置/nmC 含量峰值/at%
金 性 能 的 实 验 室 水 平 和 生 产 水 平 (0.025×170mm
带)，并与现用合金 2605SA1 和 0.23mm 厚高取向
硅钢加以对比。
表 1 变压器用铁心材料特性比较 （实验室水平，磁性能用单片样品测）[3]
材料
板厚 mm
2605HB1 0.025
Bs
Hc
T A·m－1
1.64 1.5
J Magn Mater Devices Vol 42 No 5
利。总之，我国的非晶纳米晶材料产业也进入了欣 欣向荣的发展时期。无论是国外或国内，该产业市 场年需要量都以二位百分数增长。
本文主要根据外国企业在华申请的专利及相 关文章介绍新型高 Bs（＞1.6T）、低损耗非晶合金 的最新研究进展。
2 新材料开发
Fe81.7Si2B16C0.3 1.650
0.85* 024**
0.29**
0.38
359 466
Fe82Si2B14 C2 1.669 1.646 0.986
0.152
0.227
0.34
一种高强度铁基非晶合金
维普资讯
铸
・
造
Ｊ ｎ２ ０ ｕ ．０ ７
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ ６ １５ ．
５ ７８ ・
Ｆ ＯＵＮＤ ＲＹ
一
种高强度铁 基非 晶合金
孛海娃 ，任 英磊 ，于 波 ，索忠 源 ，邱 克 强
（ 阳工业 大学材料科 学与工程 学院，辽 宁沈阳 １０ ２ ） 沈 １０ ３
（ Ｄ）Ｄｉｅｅ ｔ Ｉ ｃ ｎ ｉｇｃ ｌｒ ｔ （ Ｓ ＸＲ ． ｆ ｒｎｉ ａ ｎｎ ａｏ ｉ ｒ Ｄ Ｃ）ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔ ｈ ｗｅ ｈ ｔ ｈ ｕ ｅ ｃ ｏｅ ｑ ｉ ａｓ ｍｅ ｙ ａ ｕｅ ｎ ｏ ｄ ｔａ ｅ ｓ ｐ ｒｏ ｌ ｌ ｕｄ ｓ ｔ ｄｉ ｒｇｏ ｓｏ ｅ ｅ ｉｎ ｆ 柏 Ｆ ｒ Ｏ４ ５ ６２（ ＝ ， ， ） ａ ｒｈ ｕ ｌ ｙ ｒ ３８ ℃ ， ６１ ｏ ｎ ５２ ℃ １ １ ＢＹ ｘ ｌ ２ ３ ｍｏｐ ｏ ｓａｌ ｓａｅ ４ ． Ｃ１ ｏ ４ ． （ ａ ｄ３ ． ２
块体非晶合金材料的性能、应用及展望
块体非晶合金材料的性能、应用以及展望引言：非晶态合金又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。
固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状态保持相对稳定。
与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。
一、非晶合金的发展历程自1960 年加州理工学院的P.Duwez 小组采用液态喷雾淬冷法以106K/s 的冷却速率从液态急冷获得Au-Si 非晶合金以来，人们主要通过提高冷却速度的方法来获得非晶态结构。
由于受到高的临界冷却速率的限制，只能获得低维的非晶材料（非晶粉、丝、薄带等），这在很大程度上限制了非晶的应用，特别是阻碍了对其力学、物理等性能的研究。
20 世纪80 年代末90 年代初，日本东北大学（Tohoku University）的T.Masumoto 和A.Inoue 等人发现了具有极低临界冷却速率的多元合金系列，如Mg-TM-Ln，Ln-AI-TM，Zr-AI-TM，Hf-AITM ，Ti-Zr-TM（Ln 为铡系元素，TM 为过渡族元素）。
1993 年W.L.Johnson 等人发现了具有临界冷却速率低达1K/s 的Zr 基大块非晶合金。
经过二十多年的发展，非晶从只有几个微米到现在的厘米级别，现在已经有6 个体系（锆基: Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5， Zr55Al10Ni5Cu30；铂基：Pd40Cu30Ni10P20；钇基：Y36Sc20Al24Co20；钯基：Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5；镁基：Mg54Cu26.5Ag8.5Gd11）临界尺度达到了20mm。
对非晶态的大量研究表明，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，如良好的机械、物理、化学性能以及磁性能。
鉴于大块非晶合金优良的力学、化学及物理性能以及在电子、机械、化工、国防等方面具有广泛的应用前景，大块非晶合金的研制就具有重要的技术和经济价值，是一个具有广阔发展前景的研究领域。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
20 世纪 90 年代末 , 人们在制备大块非晶合金 方面的研究取得了突破性进展 。 与此同时 , 非晶态 材料也在电力电子领域得到了广泛的应用 , 研制成 各种各样的器件 。例如美国将非晶材料的应用重点 放在电力变压器上 , 日本将应用重点放在电子工业 上 。铁基非晶合金的最大应用是配电变压器铁芯 , 具有优异软磁性能的铁基非晶材料将是替代传统硅 钢片和铁氧体的最佳候选材料 , 由于非晶变压器良 好的经济和社会效益 , 被称为“ 绿色材料” 。 利用铁 基非晶合金的高伸缩特性还可制作防盗标签 。铁基 系列合金由于具有丰富的自然资源 、低廉的材料成 本以及独特的物理和力学性能而成为最重要的非晶 态合金系之一 。 要使得铁基非晶合金得到更为广泛 的应用 , 其中提高它的玻璃形成能力和开发新的制 备技术甚为关键 , 同时采用廉价的工业用原材料制 备铁基块体非晶合金 , 对扩大铁基非晶合金的应用 具有实际意义 。 本文综述了铁基块体非晶合金的研 究进展 , 介绍了合金元素对玻璃形成能力的影响及
块体非晶合金的最大尺寸 t max 和热稳定性参数晶化 温度 玻璃化温度 Tx 、Tg 和 ΔTx 随着元素种类和含 量的改变而发生变化 , 同时显示出 一定的规律性 。 赖江凌等[ 9] 总结了合金元素对五大体系铁基软磁块
体非晶合金 的 T x 、Tg 、ΔTx 的影响 :1)添加 W 、Mo 、 Cr 、Zr 、Hf 、Nb 、Ta 、A1 、Ga 、Nd 等元 素使 T x 升高 ;Ni 、
铜模铸造法是将高真空下熔化并混合均匀的合 金直接浇注到铜模中 , 利用金属铜导热快的特点来实 现快速冷却 , 以得到各种形状的具有良好表面质量的 大块非晶合金 。 铜模铸造法的特点是液态金属填充 好 , 可直接做较复杂形状的大尺寸金属玻璃器件 。铜 模铸造法所能获得的冷却速度约为 10 ～ 103 K s , 关 键是要尽量抑制在铜模内壁上生成不均匀晶核并保 持良好的液流状态 。熔体的熔炼次数对所能获得的 临界冷却速度影响很大 , 因为反复熔炼提高了熔体 的纯度 , 消除了非均匀形核点 , 临界冷却速度会明显 下降 。邱克强等[ 11] 采 用工业用原材料在铜模铸造 条件 下制备了 Fe48 Cr15 Mo14 C15 B6 Y2 和 Fe46 -x Ni2Cr15 Mo C 14 15 B6 Y2Nbx(x =1 , 2)块体非晶合金 , 三种合金的 ΔTx 分别为 40 .3 ℃、41 .8 ℃、40 .0 ℃。 3 .3 水淬法
Progress in Fe-based bulk amorphous alloy
YAN Chun -lei , SHEN Jian -xing , MA Yuan , MENG Zheng
(School of M aterial Science and Engineering , Shandong Institute of Light Industry , Jinan 250353, China)
第 22 卷 第 4 期 2008 年 12 月
山 东 轻 工 业 学 院 学 报 JOURNAL OF SHANDONG INSTITUTE OF LIGHT INDUSTRY
文章编号 :1004-4280(2008)04-0004-04
Vol .22 No .4 Dec . 2008
表 1 几种主要的 铁基块体非晶合金
合 金
Fe56Co7Zr10B20 Fe60 Co8 Zr10 M o5 B15 Fe72A5Ga2 P11C6B4 Fe65Co10Ga5 P12C4
Fe61Y2Co7 B15 Fe41Co7Cr15Mo14C15B6 Y2 Fe58 Co6 N i4 Zr1 0M o5 W2 B15
铁基块体非晶 合金的主要制备方法和 各种独特性 能。
1 铁基块体非晶合金的发展
1993 年井上 明久研究组[ 1] 首 次采用金 属模铸 造方 法 制 备 出 0 .1 mm 的 Fe75 Si10 B15 金 属 玻 璃 , 1995 年又发现了过冷液相区宽度 ΔTx 大于 60 K 的 Fe72 A15 M2P11C6 B4(M =Ga 或 Ge)合金[ 2 ,3] , 同年采用 铜模铸造法制备出直径为 1 mm 的 Fe73 A5Ga2 P11 C5 B4 块体金属玻璃棒[ 4] 。 此后 , 铁基块体金属玻璃系的 开发和块体金属玻璃样品的制备都获得了较大的发 展 。1998 年和 1999 年开发 ΔT x 高达 90 K 的 Fe70 B20 Zr8Nb2 和 Fe56 Co7 Ni7 Hf8M2 (M =Nb 或 Ta)合金[ 5 ,6] , 2001 年开发的 Fe30 Co30 Ni15 Si8 B17 合金[ 7] 具有 0 .65 的 约化玻璃转变温度 。2005 年 , Shen 等[ 8] 在 Fe-Co-CrMo-C-B 系合金的基础上进行了微量稀土掺杂 , 成功
6
山 东 轻 工 业 学 院 学 报
第 22 卷
离合金熔体 , 避免其与冷却器壁直接接触而诱发非 均匀形核 。 3 .4 机械合金化
将欲合金化的元素粉末按一定配比进行机械混 合 , 在高能球磨机等设备中长时间运转 , 将回转机械 能传递给粉末 ;同时粉末在球磨介质反复冲撞下 , 承 受冲击 、剪切 、摩擦和压缩等力的作用 , 经历反复挤 压 、冷焊及粉碎过程 , 成为弥散分布的超细粒子 , 在 固态下实现合金化 。 可进行机械合金化的合金体系 必须满足一定的条件 :一是金属粉末中应含有足够 的延性成分 ;二是给金属粉末提供足够的能量 ;三是 应具备使新生面容易结合或冷焊的球磨气氛 。金属 合金化具有工艺条件简单经济 , 相变的热力学和动 力学独特等特点 。机械合金化合成的材料均为粉末 状 , 需进一步固化成形 。
Abstract :The development of Fe-based bulk amorphous alloys is put forward briefly .Then the effects of alloying elements on the glass forming ability , mainly fabrication methods and specially abilities are reviewed .The research directions of Fe-based bulk amorphous alloys are summarized . Key words :Fe-based amorphous alloy ;preparation method ;magnetic property
水淬法是将合金置于石英管中 , 将合金熔化后 连同石英管一起淬入流动水中 , 以实现快速冷却 , 形 成大块非晶合金 。 这种方法可以达到较高的冷却速 度 , 有利于大块非晶合金的形成 。水淬法操作简便 , 但石英管和合金可能发生反应造成的污染是一个难 于解决的问题 。 另外 , 反应物的生成既影响水淬时 液态合金的冷却速度 , 又容易造成非均匀形核 , 以至 影响大块非晶合金的形成 。 因此 , 水淬法适用的合 金种类具有很大的局限性 。 水淬法通常与熔融玻璃 包覆合金法结合使用 。 常用的包覆剂为 B2 O3 , 它既 是吸附剂 , 吸附熔体内的杂质颗粒 , 又是包覆剂 , 隔
2005
887 957 70 0.616 3
2005
2 铁基非晶合金的成分选择依据及玻 璃形成能力
在大量实验的基础上 , 1995 年 A .Inoue 提出了 制备具有较宽过冷液相区非晶合金系应遵循的三条 经验准则 :①具有 3 种或 3 种以上组元的多元合金 系 ;②主要组元之间的原子半径差应 在 12 %以上 ; ③组元间的混合热应为大的负值 。2002 年 Lu 等人 的工作给出了定量判断合金非晶形成能力的判据 ; 2003 年 Li 等人结合相图分析并通过实验证实 :对于 具有非对称相图分析其最佳成分点往往在偏向高熔 点一侧的伪共晶区 。 以上成果对研发新型大块非晶 合金有非常大的指导意义 , 目前研发出铁基合金体 系主 要 有 :①Fe-(A1 , Ga , Sn)-(P , C , B , Si , Ge), ②Fe-(Co , Ni)-M-B(M =Zr ,Hf , Ti , V , Nb , Ta ,Mo , W), ③Fe-Co-Ln-B-M(M =Cr , V , Hf , W ,Mo , Nb , Ta , Zr), ④Fe-(Cr ,Mo , Ni , Nb)-(A1 , Ga)-(P , C , B), ⑤Fe-(Co , Ni)-B-Si-(Zr , Nb)。 铁基非晶合金的玻璃形成 能力 与 ΔT x 有密 切关系并强烈依赖于合金成分 。 铁基
水淬和铜模铸造是目前制备大块非晶常用的方 法 ,SPS 技术作为一种新型的制备块体非晶 合金的 技术 , 由于烧结机理特殊等优点在成熟的非晶粉末 制备技术基础上有望成为制备突破尺寸和成分限制 的大块非晶的方法 。
V 、Ti 等 元素使 Tx 降 低 ;2)添加 W 、Mo 、Cr 、Zr 、Nb 、 A1 、Nd 等元素使 Tg 升高 ;Ta 、Ti 、V 、Co 、Ga 、Hf 等元 素使 Tg 降低 ;3)添加 Mo 、Cr 、Ta 、Ti 、Nb 、Co 、A1 、Ga 、
Zr 、Hf 、Nd 等元素使 ΔTx 增大 。 随着研究的不断深 入 , 合金元素对铁基非晶合金形成能力的影响将得 到进一步的揭示 , 为获得较大尺寸铁基非晶合金的制备方法
3 .1 放电等离子烧结法 放电等离子烧结法(spark plasma sintering , 简称
SPS)是近年来发展起来的一种新型粉末冶金制备大 块非晶合金技术 。 其烧结机理是在极短的时间内 , 粉末间放电 , 快速熔化 , 在压力作用下非晶粉末还没 来得及晶化的情况下已经发生烧结 , 而后通过很快 的冷却速度 , 非晶态结构被保存下来 , 从而得到致密 的块体非晶态合金 。SPS 技术具有如 下优点 :烧结 温度低 、烧结时间短 、单件能耗低 ;烧结机理特殊 , 赋 予材料新的结构与性能 ;烧结体密度高 , 显微组织均 匀 ,是一种近净成形技术 ;操作简单 。 张涛 等[ 10] 利 用 SPS 方法制备出 Fe67 Co9 .5 Nd3 Dy0.5 B20 大块非晶合 金 , 并考察了粉末颗粒大小对烧结样品性能的影响 。 3 .2 铜模铸造法