一種耐磨耐蝕的非晶合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種耐磨損耐腐蝕的非晶合金及其制備方法，具體來說涉及一種耐磨 損耐腐蝕的Zr基非晶合金及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 金屬材料制品在使用過程中將受到不同形式的直接或間接的損壞，其中最常見的 損壞形式為磨損和腐蝕。磨損是指金屬構件和其他部件相互作用，由于機械摩擦而引起的 逐漸損壞，如機車的車輪與鋼軌間的磨損。腐蝕是指金屬材料在環境介質的作用下，逐漸損 壞或變質，金屬材料的銹蝕是最常見的腐蝕現象之一。金屬材料遍布國民經濟的各個領域， 從日常生活到國防工業，但凡使用金屬材料之處，都不可避免的存在金屬磨損和腐蝕的問 題，不僅造成經濟損失，有些甚至造成了災難性的事故。現代工業中，針對金屬磨損和腐蝕 的問題展開了大量的研究，如何獲得耐磨耐蝕的金屬材料成為目前材料研究的重點方向之 〇
[0003] 在工業應用中，許多機械設備、電子設備往往在非常惡劣的環境條件下工作，如高 溫、濕熱、鹽霧、與海水接觸、接觸酸堿等等，這些設備不僅要求有良好的耐環境介質腐蝕能 力，還要求能夠耐受工作中的腐蝕磨損、沖刷磨損等因設備與運動的流體接觸而導致的特 殊腐蝕。目前國內廣泛使用的合金材料多為鐵系，通過調整合金中的Cr含量達到耐蝕的性 能，如不銹鋼、膨脹合金、高溫合金等等，由于Fe基材料易銹蝕特性和常用添加元素Cr、Ni 的不環保性，這些常用耐蝕合金的使用往往在特殊機械中達不到要求，而且價格昂貴。
[0004] 非晶合金是近些年來發展迅速的一種新材料，因其與生倶來的高硬度、高強度、良 好的耐磨耐蝕性能使其在軍工、航空航天及石化等領域廣泛應用，如在軍工領域，Zr-w非晶 合金制成的穿甲彈頭可達到非常高的密度和強度，且有自銳效應，同時具有高絕熱剪切敏 感性，環境相容性好。
[0005] 申請號為201310082019. 0的名為《一種耐磨耐蝕鐵基非晶堆焊焊條及其制備方 法》的中國專利，提供一種配方為Fe41C〇7Cr 15M〇14C15B6Y2 (原子百分數)的鐵基非晶焊條，可由 此獲得具有優良耐磨耐蝕性能的非晶/納米晶復合堆焊層。
[0006] 申請號為201210426268. 2的名為《一種高耐蝕性鐵基軟磁非晶合金及其制備方 法》的中國專利，分子式為FefrbNiJVIoACfBgSih，a-h表不對應原子的摩爾百分含量。與現 有的鐵基軟磁非晶合金相比，該非晶合金同時具有高耐蝕性、高非晶形成能力以及優異磁 性能，能夠作為電磁器件材料在惡劣的環境中，如濕熱鹽霧、氨氣或各種酸、海水、污水等腐 蝕介質中使用。
[0007] Fe基非晶材料盡管性能優異，但是具有軟磁性能，而且對于腐蝕磨損、沖刷磨損等 因設備與運動的流體接觸而導致的特殊腐蝕無顯著改善。

【發明內容】

[0008] 本發明提供了一種既耐磨損又耐腐蝕的非晶合金材料，而且該非晶合金材料對腐 蝕磨損、沖刷磨損等因設備與運動的流體接觸而導致的特殊腐蝕有顯著改善，同時該非晶 合金材料成形性能好，制備工藝簡單，適合工業化生產。
[0009] 本發明所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現： 1、原料配方 所述非晶合金的組成為ZraHfbAleNi dMleM2f，其中a、b、c、d、e、f為所述非晶合金中對應 的原子摩爾百分含量，分別為 30<a<55,5〇3< 15,5<c< 15,8<cK20,5<e< 10， 5彡f彡15 ;M1為Si、Cr、Pt、Pd、Au、Ag元素中的一種或多種混合物，M2為Cu、Zn、Mn、Fe 元素中的一種或多種混合物。
[0010] 進一步地，上述非晶合金原子摩爾百分含量可優選為40 < a < 55, 5 < b < 10， 10彡c彡15,10彡d彡20,5彡e彡8,8彡f彡15。
[0011] 再進一步優選，原子摩爾百分含量分別為45 < a < 55,8 < b < 10,10 < c < 15， 12彡d彡20,5彡e彡8,8彡f彡12。
[0012] Zr基塊體非晶合金具有較高的玻璃形成能力、耐蝕性和成型能力，添加同族的Hf 原子在合金中對Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金屬原子之間的作用力增強， 宏觀表現為冷卻后合金結構較為致密成型性能良好。Al、Ni的添加一方面增強該非晶合金 的形成能力，同時A1和Ni元素對環境介質的腐蝕有較好的抵御作用，適量添加有益于耐蝕 性能的提升。所以在Zr基材中添加Hf、Al、Ni能得到成形性能好和耐蝕性能較好的非晶合 金。
[0013] 在合金中加入平衡電位較高的合金元素可使合金的平衡電位升高，增加了合金整 體的熱力學穩定性，即金屬間形成的固溶體結構使原子的電子殼層結構發生變化，合金的 能量發生變化，自由能降低。在可添加的元素中，發明人通過大量實驗發現，根據上述原理 添加Si、Cr、Pt、Pd、Au、Ag元素中的一種或多種混合物能夠大幅度提高合金的穩定性，以及 增強合金的硬度和耐腐蝕性能。同時，由于合金元素在固溶體中的固溶度往往是有限的，所 以添加該類合金元素的比例不宜高，經實驗發現該類添加的合金原子摩爾百分含量在占總 合金的5-10%即可達到良好的效果，進一步可優選為5-8%。
[0014] 在合金中同時可添加增加腐蝕體系電阻的合金元素來提升耐腐蝕的性能，發明人 通過大量實驗發現，根據上述原理添加Cu、Zn、Mn、Fe元素中的一種或多種混合物可促使在 合金表面生成具有保護作用的腐蝕產物從而降低腐蝕電流，這些微量的腐蝕產物不溶于腐 蝕介質、電阻高、致密的附著于合金表面將合金與腐蝕介質隔絕，極為有效的阻止腐蝕過程 的進行。而且Cu、Zn、Mn、Fe元素都能夠與基體金屬形成固溶體滿足合金對成型性能和力 學性能的要求，提升非晶合金整體的硬度。添加該類合金元素的比例在5%時即可對非晶合 金整體性能產生效果，添加的原子摩爾百分含量最高可達15%，優選添加范圍為8-15%，進 一步優選為8-12%。
[0015] 再進一步改善，上述非晶合金中還可以添加原子摩爾百分含量為0. 1-2%的P元 素。在非晶合金中添加Ni、Cr、Si、Cu、Zn、Pd、Mn、Fe元素，熔煉后會在合金基體表層生成 一層非晶態的氧化物，對合金起到良好的保護作用，P元素的添加能夠促進這種非晶態氧化 層的形成。P元素的添加含量不宜過高，原子摩爾百分含量為0. 1-2%即可達到好的效果。
[0016] 2、制備方法 步驟一，將純度大于99. 9%的原料按照上述非晶合金組成進行配比，原料純度決定了 原料中雜質的數量。雜質過多不僅會吸收較多的氧元素，不利于非晶合金的成形和后續加 工，而且雜質還會在金屬熔液中形成結晶核影響非晶結構的產生。
[0017] 步驟二，將混合好的原料在真空條件或氬氣氣氛中通過電弧熔煉或其他常規 熔煉方式將原料熔煉，可反復熔煉2-3次，其中真空度為10 LlO 3Pa，氬氣氣氛壓力為 0. 01-0. 05MPa，冷卻后得到非晶合金鑄錠。多次熔煉的目的在于進一步提升非晶合金的純 凈度、減少晶界雜質的偏析、使晶界變細，宏觀效果上不僅可以增加非晶產品的硬度，而且 能夠提升非晶合金產品的抗腐蝕和磨損的能力。工藝中的真空度和氬氣氣氛的壓力條件都 非常低，在實際生產中極易達到。
[0018] 進一步地，熔煉后冷卻速度為102_103K/s為宜。
[0019] 步驟三