[发明专利]一种耐磨非晶合金体系及其应用

说明书

本发明公开了一种耐磨非晶合金体系及其应用,其化学组成为A_Xb_YC_Z，其中，38≤X≤46，32≤Y≤44，16≤Z≤24；且A为Pd、Pt、Au中的至少一种，B为Cu、Ni、Fe、Co中的至少一种，C为P、Ge、Si中的至少一种。本方案利用非晶合金在摩擦过程中的塑性变形以及摩擦热使表面纳米晶化获得纳米晶/非晶复合结构表层，从而显著提高表面耐磨性。其可通过采用快速凝固技术制备非晶合金块体或涂层材料进行应用，其优势还包括：(1)使用前无需对材料进行表面机械处理，可直接在摩擦过程中实现表面原位纳米晶化；(2)当表层纳米组织磨损后，合金表面会原位纳米晶化获得新的纳米结构层，从而保证在摩擦过程中持续具有高耐磨性。

技术领域

本发明属于合金材料领域，尤其是一种耐磨非晶合金体系及其应用。

背景技术

与传统的晶态合金不同，非晶合金由于其独特的短程有序、长程无序的原子排列结构和化学组分均匀、无晶/相界偏析的微观结构特征，而表现出高强度、高硬度等特性，在耐磨材料领域表现出良好的应用前景。例如，非晶合金在空间器件的传动齿轮、轴承表面涂层，以及微机电系统的复杂精密微齿轮等领域表现出比传统晶态金属材料更优异的耐磨性。研究表明材料的摩擦磨损行为受到材料本身的硬度和断裂韧性共同控制。根据经典的磨损理论，提高硬度有利于抵抗材料表面的塑性变形，防止表面微裂纹的形成，提高断裂韧性有利于抵抗微裂纹的扩展，从而减少磨屑的产生。非晶合金具有特殊原子结构特征，其塑性变形是通过纳米尺度高度局域化的剪切带形成与迅速扩展实现的，这些剪切带在应力作用下沿着单一剪切方向迅速扩展而发生脆性断裂，导致单相非晶合金在宏观变形中往往表现出低的室温塑性和断裂韧性。因此，要进一步提高非晶合金的耐磨性，关键是要提高其塑性变形能力和韧性。

非晶态合金在热力学上是非平衡的亚稳态结构，在一定的条件下，会发生非晶结构向晶态的转变即发生晶化。当工艺条件控制适当时，通过非晶合金晶化能获得纳米晶析出相，制备出纳米晶/非晶复合材料。与粉末冶金、热喷涂、激光表面改性等工艺相比，非晶晶化法具有成本低、产量大、界面清洁致密、样品中无微孔隙等优点。在材料的塑性方面，非晶基体中的纳米晶能促进多重剪切带的产生以及剪切带的滑移分枝、互相交叉阻滞，能够有效提高材料的塑性和韧性。通过非晶态和纳米晶的有机结合，纳米晶/非晶复合材料往往表现出更高的耐磨性。研究表明，具有纳米晶/非晶复合结构的Zr基、Ni基、Fe基等体系合金的表面或涂层表现出优异的耐磨性。

金属材料的磨损主要起源于表面，利用各种表面改性技术来调控金属材料表面的组织结构，改善表面耐磨性，延长零部件的使用寿命，具有重要的现实意义。近年来，研究者们采用表面纳米化技术，如表面机械研磨、表面机械碾磨等，通过外加载荷使金属材料的表面或亚表面发生强烈的塑性变形，使粗大晶粒逐步细化成纳米晶，获得具有梯度纳米结构的表层，显著降低了合金的干摩擦系数，同时材料的磨损速率呈量级降低。但目前没有通过表面纳米化技术制备纳米晶/非晶复合结构表层的研究报道。

纳米晶/非晶复合材料具有高强韧、高耐磨特性，是一种优良的耐磨材料。目前制备纳米晶/非晶复合材料的制备工艺有粉末冶金、热喷涂、激光表面改性等工艺，这些工艺需要进行高温处理，设备复杂，价格昂贵，且制备出的样品存在一定孔隙，表面质量不高。非晶晶化法具有成本低、产量大、界面清洁致密、样品中无微孔隙等优点，是制备纳米晶/非晶复合材料的有效途径。