[发明专利]一种高含氧量的铁基非晶复合粉末及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非晶合金及其复合材料的制备方法，具体是指一种高含氧量的铁基非晶复合粉末及其制备方法。

背景技术

铁基非晶合金具有高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性等优异的力学性能以及优异的磁性能和耐腐蚀性能，而且还具有成本较低的优势，因而逐渐引起研究者的广泛关注。随着研究的不断深入，铁基块状非晶合金的尺寸越来越大，作为功能材料和结构材料，已经在电子工业、石油化工、磁性材料、军事工业等领域得到了实际应用。目前，铁基非晶合金及其复合材料主要采用铸造法和粉末冶金法制备。然而，由于铁基合金本身的非晶形成能力较低，且采用铸造法制备对于冷却速率要求很高，因而铁基非晶合金及其复合材料的获得较为困难，能达到的最大直径仅限于16毫米。

粉末冶金法在很大程度上可克服铸造法制备的块体材料尺寸较小的缺陷，可以在更广的合金体系、更宽的成分范围内制备出几何尺寸较大的铁基非晶合金及其复合材料。于是，先采用机械合金化制备非晶粉末，然后采用热压法、挤压法和放电等离子烧结等粉末冶金技术固结非晶粉末，成为一种可行的制备块体铁基非晶合金及其复合材料的方法。

然而，在采用铸造法和粉末冶金法制备非晶合金的过程中，会不可避免的引入杂质氧。在铸造法制备非晶合金中，论文“适当氧含量对铁基大块非晶合金非晶形成能力的增强影响”（Glass-forming ability enhanced by proper additions of oxygen in a Fe-based bulk metallic glass,H.X.Li,J.E.Gao,Z.B.Jiao,Y.Wu,and Z.P.Lu,Appl.Phys.Lett.,2009,95:161905.）在Fe₇₃Mo_3.0C_7.0Si_3.3B_5.0P_8.7合金中引入不同含量的氧，结果证实当氧含量小于2000appm(0.2at.%)时有利于提高该合金的非晶形成能力，超过2000appm则会破坏液相的稳定性，导致形成更加稳定的含氧晶体相，从而减小该合金的非晶形成能力。然而，在机械合金化法制备非晶合金中，论文“氧对ZrAlCuNi非晶合金过冷液相区粘性的影响”（Influence of oxygen on the viscosity of Zr–Al–Cu-Ni metallic glasses in the undercooled liquid region,A.KUbler,J.Eckert,A.Gebert,and L.Schultz,J.Appl.Phys.,1998,83:3438）证实当氧含量为2at.%，仍能获得完全的非晶合金。因此，相比铸造法，机械合金化允许引入的氧含量的极限值更大，然而，当氧含量超过某一极限值后引入的氧会增大非晶粉末在高温(或过冷液相区)的粘滞性，减小过冷液相区的宽度，这将促进形成其他的含氧化合物，阻碍合金粉末向非晶态转变的趋势。

因此，是否能通过选择合适的合金成分、材料制备方法及其工艺参数，克服氧对铁基合金非晶形成的不利影响，合成具有较宽过冷液相区、高氧含量的铁基非晶合金及其复合材料，将会具有非常重要的科学和工程意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，通过合金成分配比的合理设计及其工艺参数的优化，提供一种高含氧量的铁基非晶复合粉末及其制备方法。

本发明目的通过下述技术方案实现：

一种高含氧量的铁基非晶复合粉末，其特征在于：该复合粉末含有铁，铜，磷，碳，硼，氧，微观组织结构为以非晶相为基体、纳米晶α-Fe为第二相的复合结构，非晶过冷液相区宽度范围为25~32K；具体组分及其按原子百分比计含量为：Fe 74~77at.%，Cu 4~6at.%，P 7~9at.%，C 5~7at.%，B 1~3at.%，O 3~6at.%，并含有不可避免引入的微量杂质。

一种高含氧量的铁基非晶复合粉末的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤及其工艺条件：

步骤一：配粉

将铁、氧化铜、磷铁粉、碳、硼粉原材料按以下原子百分比计用量配粉：Fe 74~77at.%，Cu 4~6at.%，P 7~9at.%，C 5~7at.%，B 1~3at.%，O 3~6at.%；

步骤二：混粉

将步骤一中配比的铁、氧化铜、磷铁粉、碳、硼粉原材料放入混粉机中混合至少8小时，得到含铁，铜，磷，碳，硼，氧组元的混合粉末；

步骤三：高能球磨