[发明专利]一种提升非晶合金形成能力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提升非晶合金形成能力的方法，尤其涉及一种利用磁场的作用提升非晶合金形成能力的方法。

背景技术

随着现代工业对新材料的要求进一步提升，一般的结构金属材料，如普通的碳素钢和合金钢已不能够满足在使用过程中的特殊要求，如密度、抗腐蚀能力、硬度等。非晶合金具备许多超越传统金属材料的优良特性，如高硬度、高强度等，尤其是块体状的非晶合金，具有的强度是其对应晶态的2-3倍，同时块体状非晶合金还具有高的弹性应变和弹性极限、较低的弹性模量、在过冷液相区会出现超塑性变形等特性。块体状非晶合金是在可在特殊领域使用的一种新型优良结构材料。然而目前的非晶合金体系中，能够形成大块体的非晶合金的体系较少，如铁基非晶合金具有极强的硬度和强度，但是其临界尺寸往往不足4mm，通过改进成分和制备工艺最大可达到10mm。

在当前的非晶合金的研究与应用过程中，如何提升非晶形成能力一直是行业内关注的焦点，许多学者和企业针对如何提升非晶的形成能力都投入了大量的心血研究。目前针对提升非晶合金形成能力的方法多采用调整成分之间的比例来实现，通过不同成分的配比来达到目的。然而，成分配比的选择需要经过大量重复和繁琐的试验，而且往往仅能够制备出某一特定基体的大块非晶合金（如Zr基），不能广泛应用于其他基体的非晶合金。另外，也有方法是通过控制非晶合金的冷却过程来控制其晶核形核及形核的生长，然而这种方法对原材料的纯度、工艺条件、制备的设备都有极高的要求，短期内难以实现工业化。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种提升非晶合金形成能力的方法，可将非晶合金的形成能力最大提升至40mm。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

首先采用电弧熔炼或其他常规熔炼方式将非晶合金原料熔炼，然后在交变磁场的作用下使非晶合金熔体冷却，冷却速率为10-10³K/s，交变磁场频率为10-500Hz、磁场强度为0.02-5T。

进一步优选，所述交变磁场频率为50-500Hz、磁场强度为0.5-2T。

非晶的形成能力是指非晶合金形成玻璃态的难易程度，对于熔体冷却法而言，一般用临界冷却速率来表示，但是临界冷却速率不易测量，所以更常采用形成非晶的临界厚度来直接表现非晶合金的玻璃化形成能力。非晶合金中，金属的化学键是没有方向的，主要倾向于形成致密堆积结构。本发明的发明人发现，由共价键组成的非晶态玻璃形成能力佳且稳定，如二氧化硅可以形成非常好的氧化物玻璃，主要是由于其化学键有方向性，结构复杂，所以其形成玻璃态的倾向性很大。本发明的发明人将此原理应用于制备金属非晶合金中，在非晶合金熔炼后，熔体冷却的过程中添加能够引起合金熔体内部的金属键呈现方向性的交变磁场，通过改变磁场强度和冷却速率相结合达到提升非晶合金形成能力的目的。

同时，在非晶合金熔体冷却的过程中添加交变磁场，可影响共晶点附近成分的过冷度，从而有效抑制非晶合金形核的发生及长大、控制非晶合金的结晶程度，从而提升非晶合金的形成能力，是非晶合金的形成能力最大可提升至40mm。

非晶合金原料中的杂质成分在熔炼过程中会成为晶核，使非晶合金晶化趋势增加，为避免这种情况，本发明中非晶合金原料的纯度宜选为大于99.9%。

本发明中的进一步改进，在所述非晶合金熔体冷却过程中，还可向非晶合金熔体内通入电流，利用电流与磁场之间的交互作用在非晶合金的熔体内产生电磁振荡效应，使熔体内的能量和运动动量产生大幅度的波动，改善非晶合金形成非晶态过程中的热力学和动力学条件，从而实现控制熔体内非晶态形成的尺寸的目的。本发明的发明人通过实验发现，通入熔体的电流强度为20-800A时，非晶合金的形成能力最佳。进一步优选，所述向非晶合金熔体内通入的电流强度为500-800A。

对本发明的再进一步的改进，在非晶合金原料熔炼后还可将其置于稳恒静磁场中使非晶合金保温0.2-2小时，稳恒静磁场的磁场强度为0.05-10T。在非晶合金形成熔体后即添加稳恒磁场，可有助于稳定在熔体冷却凝固前所产生的熔体对流、溶质分布和熔体凝固界面，从而有利于后续熔体在交变磁场中降温冷却时的非晶态的形成。

进一步优选，所述稳恒静磁场的磁场强度为0.2-2T，所述非晶合金在稳恒静磁场中保温时间为1小时。