一种多组元多功能高强绿色合金及其制备方法

1.本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及到一种多组元多功能高强绿色合金及其制备方法。


背景技术：

2.全球每年生产的大量合金被广泛应用于诸多领域，同样每年有许多合金从各大领域当中“退役”成为可回收合金。人们通过可回收合金再利用达到降低合金制备成本以及实现可持续绿色发展的目的。但目前再利用合金通常仅使用其较为普通的单一性能，如高强度等。如此，再利用合金的应用有着诸多限制。因此若是能够开发多功能绿色合金，对于降低合金制备成本，扩宽再利用合金应用领域，发展绿色低碳经济具有十分重要的意义。
3.近年来，出现采用电驱动装置和电子控制装置实现产品的驱动、自动控制和多功能化的趋势，关键的核心材料之一就是软磁合金。软磁合金是指矫顽力低于1000a/m的合金，易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。软磁合金在各种器件中起到能量耦合传递及转换的作用，从而损耗成为一个重要指标。软磁合金材料的损耗分为磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗，而在中高频应用当中涡流损耗尤为明显。例如具有高导磁率的坡莫合金常用于中高频变压器的铁芯当中，但由于其电阻率低导致涡流损耗大，造成温升高、成本高、效率低。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电阻率等因素有关。人们常将铁心用许多表面涂有薄层绝缘漆或绝缘氧化物的铁磁导体薄片(例如硅钢片)叠成，这样能够提高电阻率进而减少涡流损耗，但是非磁性相绝缘材料的加入会导致材料磁导率和饱和磁化强度降低。因此开发自身具有高电阻率的软磁合金不仅可以简化繁琐的制备工艺，还可以降低制备成本。若是能以回收合金代替纯金属作为制备软磁合金的原料，则有希望得到低成本、多功能的多组元合金，同时还可以减少碳排放促进经济可持续绿色发展。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
6.本发明的其中一个目的是提供一种多组元多功能高强绿色合金，解决现有再利用合金功能单一以及多组元合金成本昂贵的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种多组元多功能高强绿色合金，按合金中各元素原子百分比计，由如下组分组成：fe 40～65at％、cr 10～20at％、al 7～36at％、ni 4～9at％以及微量元素mn、mg、cu、si，微量元素原子百分比均在0.1～2.5at％；
8.其中，所述多组元多功能高强绿色合金以回收不锈钢和回收铝合金作为原料熔炼
得到，按质量百分比计，回收不锈钢78～95wt％、回收铝合金5～22wt％。
9.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的一种优选方案，其中：所述多组元多功能高强绿色合金具有如下特性：
10.(a)室温下压缩屈服强度为800～1300mpa；
11.(b)室温下极限抗压强度为1350～2000mpa；
12.(c)室温下压缩应变为5～35％；
13.(d)矫顽力为100～900a/m；
14.(e)合金在920k以下的宽温度范围内，电阻率为100～180μω
·
cm，电阻温度系数为-300至+300ppm/k。
15.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的一种优选方案，其中：所述回收不锈钢选自200系或300系不锈钢，包括来自家用不锈钢门窗、不锈钢管、餐具中的回收不锈钢。例如，选自201、202、204等200系不锈钢；304、304l、316等300系不锈钢。
16.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的一种优选方案，其中：所述回收铝合金选自2系铝合金，包括来自工厂加工所剩余料、家用铝合金门窗、日用铝合金工具中的回收铝合金。例如，选自2011、2024、2036等2系铝合金。
17.本发明的另一个目的是提供多组元多功能高强绿色合金的制备方法，包括，
18.按质量比配取回收不锈钢和回收铝合金原料；
19.使用真空电弧熔炼或真空感应熔炼制备多组元合金材料。
20.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述熔炼，在真空或惰性气体氛围下熔炼。
21.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述在真空下熔炼，熔炼炉内真空度为1～0.0001帕。
22.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述在惰性气体氛围下熔炼，熔炼炉内惰性气体压力为0.000001～5兆帕。
23.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的制备方法的一种优选方案，其中：所述熔炼，熔炼温度为1623～2473k，熔炼时间为0.01～1小时。
24.作为本发明多组元多功能高强绿色合金的制备方法的一种优选方案，其中：还包括，对回收不锈钢和回收铝合金进行表面氧化层和/或锈迹进行去除、清洗的步骤。
25.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
26.本发明制备的多组元合金成本低廉，其基体呈现体心立方结构特征，并存在弥散分布的纳米颗粒；具有高强度特征，同时具备高电阻率、低矫顽力，且在920k以下的宽温度范围内拥有良好的电阻率稳定性；可在高频磁场下使用，可应用于无线电、电子仪器、航天航空、遥控及自动控制设备等领域。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
28.图1为本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的xrd谱图。
29.图2是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的扫描电镜形貌图及ebsd相分布图。
30.图3是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料晶界富铬、锰处的扫描电镜能谱面分布图。
31.图4是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的透射电镜明场图像及其对应红框内的能谱面分布图。
32.图5是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的透射电镜明场图像及其对应的选取电子衍射谱图。
33.图6是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的室温压缩曲线图。
34.图7是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的电阻率-温度曲线图。
35.图8是本发明实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金材料的b-h磁滞回线图。
36.图9是本发明实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金材料的xrd谱图。
37.图10是本发明实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金材料的扫描电镜形貌图。
38.图11是本发明实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金材料的室温压缩曲线图。
39.图12是本发明实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金材料的电阻率温度曲线图。
40.图13是本发明实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金材料的b-h磁滞回线图。
41.图14是本发明实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金材料的xrd谱图。
42.图15是本发明实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金材料的扫描电镜形貌图。
43.图16是本发明实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金材料的室温压缩曲线图。
44.图17是本发明实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金材料的电阻率温度曲线图。
45.图18是本发明实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金材料的b-h磁滞回线图。
46.图19是本发明对比例1提供的多组元合金的扫描电镜形貌图。
47.图20是本发明对比例2提供的多组元合金的扫描电镜形貌图。
48.图21是对比例3提供的304不锈钢的b-h磁滞回线图。
49.图22是对比例4提供的2024铝合金的b-h磁滞回线图。
具体实施方式
50.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
51.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
52.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
53.如无特别说明，实施例中所采用的原料均为商业购买。
54.实施例1
55.去除回收不锈钢和铝合金表面的氧化层及锈迹等，清洗回收料；按照回收合金质量比304不锈钢:2024铝合金＝90:10进行配料；使用线切割机将原料切成小块，随后放入无水乙醇中超声清洗；采用真空电弧熔炼方法，在氩气保护气氛下反复熔炼6次；熔炼时真空度抽至0.001pa后充入氩气至气压微正，熔炼温度为1873k，熔炼时间每次0.1h，即得实施例1的多组元多功能高强绿色合金。
56.经测试，实施例1的多组元多功能高强绿色合金的组分为：
57.fe:56.03at％、cr:15.74at％、ni:5.48at％、al:17.80at％、mn:1.14at％、mg:1.92at％、cu:0.53at％、si:1.36at％。
58.实施例1的多组元多功能高强绿色合金的xrd图谱如图1所示。可知实施例1所得多组元合金由体心立方(bcc)结构基体、b2相组成。
59.实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金的扫描电镜形貌图及ebsd相分布图如图2所示；多组元多功能高强绿色合金的晶界富铬、锰处的扫描电镜能谱面分布图如图3所示。由附图2、3可知合金不仅由bcc基体和b2相纳米析出组成，在晶界处存在连续分布的富cr和mn的σ相；基体晶粒尺寸为250μm。
60.实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金的透射电镜明场图像及其对应红框内的能谱面分布图如图4所示；多组元多功能高强绿色合金的透射电镜明场图像及其对应的选取电子衍射谱图如图5所示。由附图4、5可知，该实施例所得多组元合金存在弥散分布的b2结构纳米级弥散相，且该弥散相在化学成分上富al、ni、cu，贫fe、cr。
61.实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金的室温压缩曲线如图6所示。可知实施例1所得多组元合金的屈服强度为906mpa，抗压强度为1579mpa，压缩应变为18％。
62.实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金的电阻率-温度曲线如图7所示。可知在室温下实施例1所得多组元合金电阻率为143.6μω
·
cm，且在920k以下温度范围内电阻温度系数为-21ppm/k。
63.实施例1提供的多组元多功能高强绿色合金的b-h磁滞回线如图8所示。可知该实施例所得多组元合金的饱和磁化强度为0.91t，矫顽力为466a/m。
64.实施例2
65.本实施例2在实施例1的基础上，按照回收合金质量比304不锈钢:2024铝合金＝92.5:7.5进行配料，其他步骤与实施例1相同，即得实施例2的多组元多功能高强绿色合金。
66.经测试，实施例2的多组元多功能高强绿色合金的组分为：
67.fe:57.39at％、cr:15.03at％、ni:5.98at％、al:16.79at％、mn:0.82at％、mg:1.58at％、cu:0.59at％、si:1.75at％。
68.实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金的xrd谱图如图9所示。由xrd图谱可知，实施例2所得多组元合金由体心立方(bcc)结构基体、b2相组成。
69.实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金的扫描电镜形貌如图10所示。可知合金由bcc基体和弥散的b2相纳米析出组成，在晶界处存在连续分布的富cr和mn的σ相。
70.实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金的室温压缩曲线图如图11所示。由压缩曲线可知，实施例2所得多组元合金的屈服强度为1190mpa，抗压强度为1920mpa，压缩应变为27.4％。
71.实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金的电阻率温度曲线图如图12所示。可知在室温下实施例2所得多组元合金电阻率为123.4μω
·
cm，且在920k以下温度范围内电阻温度系数为100ppm/k。
72.实施例2提供的多组元多功能高强绿色合金的b-h磁滞回线图如图13所示。可知该实施例所得多组元合金的饱和磁化强度为0.83t，矫顽力为273a/m。
73.实施例3
74.本实施例3在实施例1的基础上，按照回收合金质量比304不锈钢:2024铝合金＝87.5:12.5进行配料，其他步骤与实施例1相同，即得实施例3的多组元多功能高强绿色合金。
75.经测试，实施例3的多组元多功能高强绿色合金的组分为：
76.fe:51.72at％、cr:13.48at％、ni:5.36at％、al:24.98at％、mn:0.68at％、mg:1.43at％、cu:0.61at％、si:1.66at％。
77.实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金的xrd谱图如图14所示。由xrd图谱可知，实施例3所得多组元合金由体心立方(bcc)结构基体、b2相组成。
78.实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金的扫描电镜形貌如图15所示。可知合金基体为bcc结构，在晶界处有连续分布的富cr和mn的σ相。
79.实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金的室温压缩曲线如图16所示。由压缩曲线可知，实施例3所得多组元合金的屈服强度为1150mpa，抗压强度为1810mpa，压缩应变为15.3％。
80.实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金的电阻率温度曲线如图17所示。可知在室温下实施例3所得多组元合金电阻率为162.5μω
·
cm，且在920k以下温度范围内电阻温度系数为-109ppm/k。
81.实施例3提供的多组元多功能高强绿色合金的b-h磁滞回线图如图18所示。可知该实施例所得多组元合金的饱和磁化强度为1.03t，矫顽力为569.74a/m。
82.对比例1
83.本对比例1在实施例1的基础上，按照回收合金质量比304不锈钢:2024铝合金＝80:20进行配料，其他步骤与实施例1相同，即得对比例1的多组元合金。
84.经测试，对比例1的多组元合金的组分为：
85.fe:47.03at％、cr:12.92at％、ni:4.81at％、al:32.66at％、mn:0.77at％、mg:0.23at％、cu:0.75at％、si:0.85at％。
86.对比例1提供的多组元合金的扫描电镜形貌如图19所示。由图可看出，对比例1所得合金出现了裂纹，这将导致合金的力学性能大大降低。
87.对比例2
88.对实施例1所得多组元合金进行热处理，具体方法为：对实施例1所得多组元合金
经过1350℃保温3h后进行油淬。热处理后的多组元合金的扫描电镜形貌如图20所示。从图可以看出，经过淬火处理的合金因承受不住过大的冷却速度而出现裂纹，这将导致合金的力学性能大大降低。
89.对比例3
90.与实施例1中相同的304不锈钢。对比例3提供的304不锈钢的b-h磁滞回线如图21所示。可以看出，304不锈钢的b-h曲线并没有呈现出铁磁材料所特有的磁滞回线特征。因此可以判断304不锈钢并不属于铁磁材料，更不属于软磁材料。
91.对比例4
92.与实施例1中相同的2024铝合金。对比例4提供的2024铝合金的b-h磁滞回线如图22所示。可以看出，2024铝合金的b-h曲线并没有呈现出铁磁材料所特有的磁滞回线特征。因此可以判断2024铝合金并不属于铁磁材料，更不属于软磁材料。
93.本发明提供的该多组元多功能高强绿色合金在组分匹配方面，具有以下特点：与一般多组元合金相比，该合金使用回收合金替代纯金属颗粒作为原料可显著降低合金制备成本；同时减少提炼纯金属对环境的污染，有利于发展绿色多组元合金。在合金性能方面，使再利用合金具备多种功能，拥有高强度的同时还将高电阻率和低矫顽力良好结合得到具备多种功能的多组元合金。
94.本发明多组元合金中含有mn、mg、cu、si数种微量元素，其综合作用简述如下：1)cu元素与ni、al元素形成b2结构的析出相，能够促进沉淀强化效应；2)mn、mg、si元素的原子半径(分别为0.179nm、0.160nm、0.117nm)与fe、ni、cr的原子半径(分别为0.124nm、0.125nm和0.125nm)相差较大，使得体心立方结构基体中存在严重晶格畸变阻碍位错运动，从而增强合金当中的固溶强化效应，提升合金强度同时提升电阻率并降低电阻率温度系数。
95.本发明提供的该多组元多功能高强绿色合金相较于一般多组元合金在经济方面不仅制备成本大幅度降低，还可促进经济绿色可持续发展；在环境方面可减少碳排放；该合金基体为体心立方结构，并且在晶粒内存在弥散分布的纳米析出相，使合金具有高强度特征；数种微量元素的存在使得合金中固溶强化效应显著，保证了较高的强度；大的晶格畸变使得该合金具备高的电阻率和低的电阻率温度系数；该合金制备工艺简单、无需繁琐的热处理，铸造状态下即可获得优异性能；其优异的高强高电阻与低矫顽力相结合使其可在高频磁场下使用，可应用于无线电、电子仪器、航天航空、遥控及自动控制设备等领域。
96.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种多组元多功能高强绿色合金，其特征在于：按合金中各元素原子百分比计，由如下组分组成：fe 40～65at％、cr 10～20at％、al 7～36at％、ni 4～9at％以及微量元素mn、mg、cu、si，微量元素原子百分比均在0.1～2.5at％；其中，所述多组元多功能高强绿色合金以回收不锈钢和回收铝合金作为原料熔炼得到，按质量百分比计，回收不锈钢78～95wt％、回收铝合金5～22wt％。2.如权利要求1所述的多组元多功能高强绿色合金，其特征在于：所述多组元多功能高强绿色合金具有如下特性：(a)室温下压缩屈服强度为800～1300mpa；(b)室温下极限抗压强度为1350～2000mpa；(c)室温下压缩应变为5～35％；(d)矫顽力为100～900a/m；(e)合金在920k以下的宽温度范围内，电阻率为100～180μω
·
cm，电阻温度系数为-300至+300ppm/k。3.如权利要求1或2所述的多组元多功能高强绿色合金，其特征在于：所述回收不锈钢选自200系或300系不锈钢，包括来自家用不锈钢门窗、不锈钢管、餐具中的回收不锈钢。4.如权利要求1或2所述的多组元多功能高强绿色合金，其特征在于：所述回收铝合金选自2系铝合金，包括来自工厂加工所剩余料、家用铝合金门窗、日用铝合金工具中的回收铝合金。5.如权利要求1～4中任一项所述的多组元多功能高强绿色合金的制备方法，其特征在于：包括，按质量比配取回收不锈钢和回收铝合金原料；使用真空电弧熔炼或真空感应熔炼制备多组元合金材料。6.如权利要求5所述的多组元多功能高强绿色合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼，在真空或惰性气体氛围下熔炼。7.如权利要求6所述的多组元多功能高强绿色合金的制备方法，其特征在于：所述在真空下熔炼，熔炼炉内真空度为1～0.0001帕。8.如权利要求6所述的多组元多功能高强绿色合金的制备方法，其特征在于：所述在惰性气体氛围下熔炼，熔炼炉内惰性气体压力为0.000001～5兆帕。9.如权利要求6～8中任一项所述的多组元多功能高强绿色合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼，熔炼温度为1623～2473k，熔炼时间为0.01～1小时。10.如权利要求9所述的多组元多功能高强绿色合金的制备方法，其特征在于：还包括，对回收不锈钢和回收铝合金进行表面氧化层和/或锈迹进行去除、清洗的步骤。

技术总结
本发明公开了一种多组元多功能高强绿色合金及其制备方法，所述多组元多功能高强绿色合金以回收不锈钢和回收铝合金作为原料熔炼得到，按质量百分比计，回收不锈钢78～95wt％、回收铝合金5～22wt％。本发明制备的多组元合金成本低廉，具有高强度特征，同时具备高电阻率、低矫顽力，且在920K以下的宽温度范围内拥有良好的电阻率稳定性；可在高频磁场下使用，可应用于无线电、电子仪器、航天航空、遥控及自动控制设备等领域。动控制设备等领域。动控制设备等领域。


技术研发人员：李志明 龚荣根 严定舜
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/16