铁基块状非晶合金的制备与性能研究_pdf

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近年来,铁基非晶合金由于具有很高的强度,极强的耐腐蚀性能和良好的软磁性能而越来越引起研究者的广泛关注。铁基合金非晶形成能力较低,在冷却过程中需要很高的冷却速度,因此所得到的样品均为丝状或薄带状。作为软磁材料,铁基非晶合金条带已经应用于磁性材料领域[1-2]。然而,铁基非晶合金薄带在实际应用中,由于薄带之间存在空隙使饱和磁化强度减小,而降低了变压器的效率。另外由于尺寸的影响,铁基非晶合金很难制备出形状复杂的磁性器件,因而其在应用中受到了很大的限制。所以寻找玻璃形成能力较大的铁基块状非晶合金是一个有意义的研究课题。

与Ln基、Zr基、Pd基、Mg基块状非晶合金相比,铁基块状非晶合金的获得较为困难。1995年,日本的Inoue研究小组率先以高纯的金属和非金属为原材料,用铜模浇注的方法先后成功地制备了

一系列铁基块状非晶合金,如Fe-(Al,Ga)-P-C-B

[3],Fe-(Zr,Hf,Nb)-(Cr,Mo,W)-B

[4]

,Fe-Co-Ln-B

[5]

,Fe-Co-Ni-Si-B[6],Fe-Si-B-Zr[7]等。其中Fe-

Co-(Zr,Nb,Ta)-(Mo,W)-B[8]系棒状试样最大直径

达到了6mm。

除了使用高纯度的原材料,还在Fe-(Cr,Mo,Ga)-P-C-B[9]和Fe-Ni-(P,B)[10]等合金系

采用净化处理(fluxtreatment)原材料的方法制备

了铁基块状非晶合金。无论是使用高纯度原材料,还是净化提纯原材料,都是为了抑制在冷却过程中异质形核以提高合金的非晶形成能力。

本实验成功地采用电弧熔炼/水冷铜模吸铸方法制备了直径为4mm的铁基块状非晶合金,同时研究了其硬度、弯曲、压缩等力学性能。本文针对

Fe48Cr15Mo14Er2C15B6成分进行一系列的成分调整,研究Fe,Er含量等对非晶成形能力的影响。

铁基块状非晶合金的制备与性能研究

PreparationandpropertiesofFe-basedbulkmetallicglass

摘要:通过弧熔炼/水冷铜模吸铸法制得了直径为4.0mm的铁基块状非晶合金。利用XRD对非晶合金铸态结构进行了分析。并对其进行了硬度、

弯曲、压缩等性能测试。关键词:铁基块状非晶合金;硬度;弯曲测试;压缩测试

Abstract:OnekindofnewFe-basedbulkmetallicglasswithadiameterof2.0mmwaspreparedwiththemethodsofelectrcityarcfusionandcoppermoldcasting.ItsstructurewascharacterizedbyX-raydiffraction(XRD).Itsmechanicalpropertiessuchashardness、bendingandcompresswerealsotested.

Keywords:Fe-basedbulkmetallicglass;hardness;bendingtest;compressiontest

中图分类号:TG139.8文献标识码:A文章编号:1003-8965(2008)04-0068-

铁基块状非晶合金的制备与性能研究

04

李华芳赵洪波耿学文樊振军(中国地质大学,北京100083)

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样品配方

(原子%)

第1组

第2组

第3组

Fe484048Co080Cr151515Mo141414C151515B666Y220Er

表1样品原子百分比配方

总重30g需用量(g)

第1组第2组第3组

Fe

15.38712.76314.940Co02.6930Cr4.4764.4554.346Mo7.7107.6737.485C1.0341.0291.004B0.3720.3710.361Y1.0211.01590Er

1.864

表2所需的各个元素的质量

1实验方法

1.1样品配方

Inoue等人在长期的研究工作中总结出形成大块非晶合金的3条经验准则:(1)合金体系由3个或3个以上的组元组成(一般为5个),这些组元都为普通金属元素;(2)这些组元之间具有较大的原子结构尺寸差,其中3个主要组元原子尺寸比大于12%;(3)组元之间具有负的混合热,其主要组元之

间具有大的负混合热,通常要求比较高的玻璃化温度Tg与熔点Tm之比,Tg/Tm要大于0.55;而且与晶化温度Tc之差要大,即大的过冷区Tc-Tg要大于

4oK[11-13]。

据上述原则,

设计配方为Fe48-xCox-

Cr15Mo14C15B6Y2,x=0,8和Fe48Cr15Mo14C15B6Er2通

过3组不同的原子比。探讨其形成非晶的能力,并

对各个组分的力学性能进行测试。

表1为样品原子百分比配方。

根据表1的样品配方,每组样品的质量为

30g,计算出每组中所需的各个元素的质量(表2)。

1.2实验原料、

仪器成分比为Fe48-xCoxCr15Mo14C15B6Y2,和Fe48Cr15Mo14C15B6Er2(原子百分数)的多组元母合金,其中x=0,8,在熔融钛吸氧的氩气气氛保护下用电弧熔炼而成.。将母合金用水冷铜模法吸铸出直径为2mm的合金棒。实验中使用的原材料纯度分别

为:工业纯铁(纯度(质量分数)为99.5%),铬

(99.8%),钼(99.95%),纯硼(99.8%),碳(99.8%),铒(99.5%),钴(99.0%),钇(99.8%)。样品经过X射线

衍射(XRD)测定其是否为非晶,合金的力学特性测试是采用VWS-1000系列数字显微硬度计、上海研润企业生产的万能材料试验机以及SAN-

SCMT4305型试验机进行的。对样品进行的弯曲

强度测试微观分析试样均从棒状试样的断面截取。试样打磨、抛光之后,在RIGAKUD20382X射线衍射仪(CuKα)上进行相标定;压缩试验在SAN-

SCMT4305型试验机上进行,应变速率为10-4s-1。

规格为2mm×2mm×4mm的长方柱试样夹在两片WC垫板之间,上、下刀口分别固定在两垫板侧面的适当位置,由YYJ24/142Y型引伸计测定两刀口之间的位移来确定应变值。

2结果与讨论

2.1X射线衍射分析

图1所示为Fe48-xCoxCr15Mo14C15B6Y2,x=0,8

和Fe48Cr15Mo14C15B6Er2合金的X射线衍射曲线,由于条件限制,实验吸铸成的均是直径为2mm的棒状样品,图中的3条X射线衍射曲线分别是(1)Fe48Cr15Mo14C15B6Y2、

(2)Fe40Co8Cr15Mo14C15B6Y2和(3)Fe48Cr15Mo14C15B6Er2。从图中可以看出,XRD图谱在衍射角为2θ=43°位置上有一个宽的典型的非晶衍射包,其中第1组和第3组尤为明显,可以确定形成了非晶,Fe48Cr15Mo14Er2C15B6具有很强的

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材料名称试样形状棒料

试验标准温度15℃试样批号

湿度

51%

序号

试样编号

跨距

弯曲强度

mm

MPa1Fe48Cr15Mo14C15B6Y232.00873.942Fe40Co8Cr15Mo14C15B6Y232.00713.183

Fe48Cr15Mo14C15B6Er2

32.00

599.70

非晶体

GB2002

面积

最大载荷

mm2N12.56343.212.56280.0812.56

235.48

表3弯曲强度测试

非晶成形能力[14],通过实验得到了很好的证明。第2组可能由于熔炼时有些小的晶粒没有熔炼均匀而存在着尖峰。

2.2力学性能测试

2.2.1硬度测试

研究表明,在所有体系的块状非晶合金中,Fe基块状非晶合金具有较高的强度

[15]

。实验采用

VWS-1000系列数字显微硬度计对块状非晶合金棒进行了硬度测试,结果表明,在载荷为4.5N时Fe48Cr15Mo14C15B6Y2的显微硬度为HV1124,Fe40Co8Cr15Mo14C15B6Y2的显微硬度为HV1325,

Fe48

Cr15Mo14C15B6Er2的显微硬度为HV1439,远远

高于Zr基、Cu基以及Mg基等块状非晶合金的强度。当载荷为23.7N时,在压痕的顶端出现了裂纹,块状非晶合金为脆性材料。

2.2.2弯曲强度测试

采用上海研润企业生产的万能材料试验机对样品进行3点弯曲强度测试,测试结果如表3所示。

由表3可得,在相同的跨距和面积的情况下,不同试样所能承受的最大载荷是不同的,第1组所能承受的载荷最大,即第1组的弯曲强度最大。对比1、2组可以得出结论:铁含量增加弯曲强度下降;对比1、3组可知:相同铁含量的情况下加入Y比加入Er的弯曲强度大。

2.2.3压缩测试

图2所示为在SANSCMT4305型试验机上进行压缩测试而得到的应力-应变曲线,应变速率为

10-4s-1。规格为2mm×2mm×4mm的长方柱试

样夹在两片WC垫板之间,上、下刀口分别固定在

铁基块状非晶合金的制备与性能研究

铁基块状非晶合金的制备与性能研究

图1Fe48-xCoxCr15Mo14C15B6Y2,x=0,

8和Fe48Cr15Mo14C15B6Er2的X射线衍射曲线

图2应力-应变曲线

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两垫板侧面的适当位置,由YYJ24/142Y型引伸计测定两刀口之间的位移来确定应变值。由图2可得:与纯铁相比,铁基非晶材料的屈服强度出现了不同程度的下降,但它们的断裂应变均大幅度提高,并表现出明显的应变强化。测得Fe48Cr15Mo14C15B6Y2在1630MPa时屈服,失效前总应变为2.69%,纯塑性应变仅为0.79%;测得Fe40Co8Cr15Mo14C15B6Y2大约在1450MPa时屈服,随后发生7.0%的纯塑性应变,而对于Fe48Cr15Mo14C15B6Er2,其屈服强度约为1200MPa,失效前的纯塑性应变达到了10.2%。此外,由于这种宽的塑性应变区和明显的应变强化过程,使得3种材料的极限断裂强度仍然达到1.9GPa左右。

其中,V1对应Fe48Cr15Mo14C15B6Y2;M对应Fe40Co8Cr15Mo14C15B6Y2;W对应Fe48Cr15Mo14C15B6Er2。

3结论

通过电弧熔炼/水冷铜模吸铸制得了直径为4.0mm的铁基块状非晶合金。X射线衍射分析结果表明,Fe48Cr15Mo14Er2C15B6具有很强的非晶成形能力。采用VWS-1000系列数字显微硬度计对块状非晶合金棒进行了硬度测试,结果表明,在载荷为4.5N时Fe48Cr15Mo14C15B6Y2的显微硬度为HV1124,Fe40Co8Cr15Mo14C15B6Y2的显微硬度为HV1325,Fe48Cr15Mo14C15B6Er2的显微硬度为HV1439,远远高于Zr基、Cu基以及Mg基等块状非晶合金的强度。说明在所有体系的块状非晶合金中,Fe基块状非晶合金具有较高的强度。由应力-应变曲线可知,与纯铁相比,铁基非晶材料的屈服强度出现了不同程度的下降,但它们的断裂应变均大幅度提高,并表现出明显的应变强化。

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