一种非晶合金材料及其制备工艺的制作方法

1.本技术涉及金属材料领域，更具体地说，它涉及一种非晶合金材料及其制备工艺。


背景技术：

2.非晶合金材料是通过较高冷却速度使合金熔体中的原子来不及有序排列，从而将液态的无序原子结构保留到固态的金属合金，因非晶合金材料具有较高的强度和耐磨性而被广泛应用于军工、航空航天及石化等领域。铁基非晶合金为非晶合金材料中较为常见的一种，在实际实用过程中，其耐腐蚀性能较差，难以满足在潮湿、含盐和含碱等恶劣环境下使用的需求。
3.相关技术中，为了改善铁基非晶合金材料的耐腐蚀性，通常在铁基非晶合金材料原料中加入铜、镍元素，使铜、镍元素在非晶合金材料的表面形成钝化膜，但其耐腐蚀性仍旧较低。且在非晶合金材料中加入铬元素时，铬元素含量要大于12％才会使非晶合金材料表现出良好的耐腐蚀性，但大量使用铬元素会对土壤、水源会造成污染，对环境造成危害。因此，如何制造出耐腐蚀性高的非晶合金材料从而取代传统金属材料是非晶合金材料研究中的重大课题。


技术实现要素：

4.为了提高非晶合金的耐腐蚀性，本技术提供了一种非晶合金材料及其制备工艺。
5.第一方面，本技术提供一种非晶合金材料，其采用如下技术方案：一种非晶合金材料，其包括如下重量百分含量的元素：铁88-92％、铬0.08-0.1％、铜0.3-0.5％、硅4-6％、硼2-3％、碳0.05-0.1％和钛0.4-0.8％，余量为不可避免的杂质。
6.本技术非晶合金材料元素可选用铁90-92％、铬0.08-0.1％、，铜0.3-0.5％、硅4-5％、硼2-3％、碳0.05-0.1％和钛0.4-0.8％，可选用各自范围内的任一值，且能提高非晶合金材料的耐腐蚀性，且当铁91％、铬0.09％、铜0.4％、硅5.43％、硼2％、碳0.08％和钛0.6％，效果最佳。
7.通过采用上述技术方案，以铁为基础元素，具有高饱和磁感应强度、高硬度和高耐蚀性。铬元素可弥补合金在腐蚀过程中空隙及氧化缺陷引起的贫铬区中cr的不足，提高非晶合金材料的耐腐蚀性能。铜可提高非晶合金体系的混乱度，从而改变非晶合金的非晶形成能力。硅元素的加入有利于提升非晶合金的热稳定性、耐蚀性能和钝化膜的稳定性。硼可提高非晶合金材料的硬度和热稳定性。碳可有效的增强金属材料的耐腐蚀效果。钛可促进非晶合金的形成，提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
8.作为优选：所述非晶合金材料还包括如下重量百分含量的元素：锆0.4-0.8％。
9.本技术非晶合金材料元素可选用铁90-92％、铬0.08-0.1％、，铜0.3-0.5％、硅4-5％、硼2-3％、碳0.05-0.1％、锆0.4-0.8％和钛0.4-0.8％，可选用各自范围内的任一值，且能提高非晶合金材料的耐腐蚀性，且当铁90.57％、铬0.09％、铜0.4％、硅5.52％、硼2％、碳0.08％、锆0.44％和钛0.6％，效果最佳。
10.通过采用上述技术方案，加入锆元素增强了非晶合金中的原子间作用，可显著降低凝固过程中的结晶温度区间，提高合金的非晶形成能力和压缩断裂强度。且锆元素和硼元素可协同促进非晶合金的形成。
11.作为优选：所述锆与硼的重量百分比为1：(3-6)。
12.通过采用上述技术方案，调节锆与硼的重量百分配比，可进一步提高非晶合金材料的耐腐蚀性能。
13.作为优选：所述锆来源于氧化锆，且所述氧化锆通过乙二酸改性处理得到改性氧化锆。
14.通过采用上述技术方案，氧化锆经过乙二酸处理，改善其表面性质，使其具备较优的表面稳定性，形成高强度高致密性的物化性能，提高非晶合金材料的耐腐蚀性能。
15.作为优选：所述改性氧化锆通过如下操作步骤制备得到：将1-3kg草酸和19-25kg甲苯加入60-70l水中混合，加入氧化锆和硅烷偶联剂，分散均匀，在1500-1600℃焙烧3-6h，冷却，粉碎，得到改性氧化锆。
16.通过采用上述技术方案，将氧化锆粉体加入到水和含己二酸的甲苯饱和液的溶液，通过乙二酸处理氧化锆，改善其表面性质，使其具备较优的表面稳定性，再经硅烷偶联剂处理形成高强度高致密性的物化性能，提高耐腐蚀性能，明显减少裂纹的产生。
17.作为优选：所述非晶合金材料还包括如下重量百分含量的原料：铝1-2％和镍0.5-1％。
18.通过采用上述技术方案，铝与空气中的氧气反应，生成一层致密的氧化铝薄膜覆盖在非晶合金材料表面。一方面镍元素可改善铝元素与其他元素结合，提高基体之间界面的润湿性，另一方面镍元素和铝元素均可提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
19.作为优选：所述镍与铝的重量百分比为1：(2-3)。
20.通过采用上述技术方案，调节镍与铝的重量百分比，可进一步提高非晶合金材料的耐腐蚀性能。
21.第二方面，本技术提供一种非晶合金材料的制备工艺，具体通过以下技术方案得以实现：一种非晶合金材料，其包括以下操作步骤：将非晶合金材料各原料真空冶炼加热融化，匀速加至钢锭模中，冷却，得到合金铸锭，在1340-1360℃二次熔炼，注入铜辊上，冷却，得到非晶合金材料。
22.通过采用上述技术方案，将非晶合金材料各原料真空冶炼加热融化，匀速加至钢锭模中，冷却，得到合金铸锭。匀速加至钢锭模中可减少合金铸锭内部气孔，提高非晶合金材料的强度；再将合金铸锭在1340-1360℃进行二次熔炼，注入铜辊上，冷却后得到非晶合金材料。
23.作为优选：所述各元素在进行真空冶炼加热融化前进行酒精清洗。
24.通过采用上述技术方案，各元素在进行真空冶炼加热融化前进行酒精清洗，以好去除材料表面杂质，提高各元素之间的结合力，从而提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：(1)本技术通过控制非晶合金材料中的元素以及各元素的占比，使非晶合金材料的年腐蚀速率为5.1
×
10-2
mm/a，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。
26.(2)本技术通过在非晶合金材料中加入锆元素，并控制锆元素和硼元素的重量百分比，使非晶合金材料的年腐蚀速率为4.8
×
10-2
～4.9
×
10-2
mm/a，进一步提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。
27.(3)本技术的通过在改性氧化锆过程中，调节草酸的用量，非晶合金材料的年腐蚀速率为4.4
×
10-2
～4.6
×
10-2
mm/a，进一步提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。
28.(4)本技术通过在非晶合金材料中加入镍与铝元素，并调节二者含量百分配比，使非晶合金材料的年腐蚀速率为4.1
×
10-2
～4.2
×
10-2
mm/a，进一步提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。
29.(5)本技术得到的非晶合金材料的维氏硬度为635-689，冲蚀磨损单位失重量最低为3.7mg/h，饱和磁感应强度最高可达1.40t，具有较高的硬度、抗冲蚀磨损能力和磁性能。且本技术得到的非晶合金材料的年腐蚀速率最低可为4.1
×
10-2
mm/a，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。
具体实施方式
30.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细说明。
31.本技术中的如下各元素均为市售产品，均为使本技术的各元素得以公开充分，不应当理解为对元素的来源产生限制作用。具体为：铁，来源于四氧化三铁；铬，来源于碳化铬；铜，来源于氧化铜；硅，来源于二氧化硅；硼，来源于氧化硼；碳，来源于碳化锆；钛，来源于二氧化钛；硅烷偶联剂，选用kh550；铝，来源于三氧化二铝；镍，来源于三氧化二镍。
32.以下为改性氧化锆的制备例制备例1制备例1的改性氧化锆，通过如下操作步骤制备得到：将0.5kg草酸和23kg甲苯加入65l水中混合，加入1kg氧化锆和30g硅烷偶联剂，分散均匀，在1500℃焙烧5h，冷却，粉碎至粒径为0.1mm，得到改性氧化锆。
33.制备例2制备例2的改性氧化锆，通过如下操作步骤制备得到：将1kg草酸和23kg甲苯加入65l水中混合，加入1kg氧化锆和30g硅烷偶联剂，分散均匀，在1500℃焙烧5h，冷却，粉碎至粒径为0.1mm，得到改性氧化锆。
34.制备例3制备例3的改性氧化锆，通过如下操作步骤制备得到：将2kg草酸和23kg甲苯加入65l水中混合，加入1kg氧化锆和30g硅烷偶联剂，分散均匀，在1500℃焙烧5h，冷却，粉碎至粒径为0.1mm，得到改性氧化锆。
35.制备例4制备例4的改性氧化锆，通过如下操作步骤制备得到：将3kg草酸和23kg甲苯加入65l水中混合，加入1kg氧化锆和30g硅烷偶联剂，分散均匀，在1500℃焙烧5h，冷却，粉碎至粒径为0.1mm，得到改性氧化锆。
36.制备例5制备例5的改性氧化锆，通过如下操作步骤制备得到：将3.5kg草酸和23kg甲苯加入65l水中混合，加入1kg氧化锆和30g硅烷偶联剂，分
散均匀，在1500℃焙烧5h，冷却，粉碎至粒径为0.1mm，得到改性氧化锆。
37.实施例1一种非晶合金材料，其通过如下操作步骤制备得到：按照表1的掺量，将四氧化三铁、碳化铬、氧化铜、二氧化硅、氧化硼、二氧化钛混合真空冶炼加热融化，匀速加至钢锭模中，冷却，得到合金铸锭，在1350℃二次熔炼，注入铜辊上，冷却，得到非晶合金材料。
38.实施例2-3实施例2-3的非晶合金材料与实施例1的制备方法及元素种类完全相同，区别在于各元素掺量不同，具体详见表1所示。
39.表1实施例1-3的非晶合金材料的各元素占比(单位：％)元素实施例1实施例2实施例3铁919191铬0.080.090.1铜0.40.40.4硅5.545.435.52硼222碳0.080.080.08钛0.60.60.6不可避免的杂质0.30.40.3实施例4-8实施例4-8的非晶合金材料与实施例2的制备方法相同，区别在于非晶合金材料还包括锆元素，其中锆元素来源于氧化锆，具体掺量详见表2所示。
40.表2实施例4-8的非晶合金材料的各元素占比(单位：％)元素实施例4实施例5实施例6实施例7实施例8铁90.0190.2490.5790.6889.58铬0.090.090.090.090.09铜0.40.40.40.40.4硅5.525.525.525.525.52硼22223锆10.670.440.330.43碳0.080.080.080.080.08钛0.60.60.60.60.6不可避免的杂质0.30.40.30.30.3实施例9-13实施例9-13的非晶合金材料与实施例6的制备方法相同，区别在于非晶合金材料中锆元素来源于制备例1-5制备得到的改性氧化锆，其余元素种类与掺量与实施例6相同。
41.实施例14-18实施例14-18的非晶合金材料与实施例11的制备方法相同，区别在于非晶合金材料还包括铝元素和镍元素，具体掺量详见表3所示。
42.表3实施例14-18的非晶合金材料的各元素占比(单位：％)元素实施例14实施例15实施例16实施例17实施例18铁8989.589.258988.5铬0.090.090.090.090.09铜0.40.40.40.40.4硅5.525.525.525.525.52硼22222锆0.440.440.440.440.44碳0.080.080.080.080.08钛0.60.60.60.60.6铝111.251.52镍10.50.50.50.5不可避免的杂质0.30.40.30.30.3对比例1对比例1的非晶合金材料与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将非晶合金材料元素中的铬元素等量替换为铁元素，其余元素及掺量与实施例1相同。
43.对比例2对比例2的非晶合金材料与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将非晶合金材料元素中的硅元素等量替换为铁元素，其余元素及掺量与实施例1相同。
44.对比例3对比例3的非晶合金材料与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将非晶合金材料元素中的硼元素等量替换为铁元素，其余元素及掺量与实施例1相同。
45.对比例4对比例4的非晶合金材料与实施例1的制备方法完全相同，区别在于：将非晶合金材料元素中的钛元素等量替换为铁元素，其余元素及掺量与实施例1相同。
46.性能检测采用如下检测标准或方法分别对不同实施例1-18和对比例1-4得到的非晶合金材料进行性能检测，检测结果详见表4。
47.维氏硬度：按照gb/t 7997-2014《硬质合金维氏硬度测试方法》选用hv5检测非晶合金材料的维氏硬度。
48.冲蚀磨损单位失重量：选择50目的石英砂作为冲蚀粒子，在常温常压条件下以冲蚀速度10m/s向测试表面喷射，冲蚀粒子在浆料中浓度为8％，冲蚀角度为45度，最终测试冲蚀磨损单位失重量。
49.年腐蚀速率：按照jb/t 7901-1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验》，计算非晶合金材料的年腐蚀速率，其中腐蚀为质量浓度为3.5wt％的中性氯化钠溶液。
50.饱和磁感应强度：用震动样品磁强计检测非晶合金材料的饱和磁感应强度。
51.表4不同非晶合金材料的性能检测结果
由表4的检测结果表明，本技术得到的非晶合金材料的维氏硬度为635-689，冲蚀磨损单位失重量最低为3.7mg/h，饱和磁感应强度最高可达1.40t，具有较高的硬度、抗冲蚀磨损能力和磁性能。且本技术得到的非晶合金材料的年腐蚀速率最低可为4.1
×
10-2
mm/a，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。
52.实施例1-3中，实施例2非晶合金材料的年腐蚀速率为5.1
×
10-2
mm/a，均低于实施例1和实施例3，表明实施例2非晶合金材料元素中的各元素占比较为合适，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。可能与元素可弥补合金在腐蚀过程中空隙及氧化缺陷引起的贫铬区中cr的不足，提高非晶合金材料的耐腐蚀性能有关。
53.实施例4-8中，实施例5-7非晶合金材料的年腐蚀速率为4.8
×
10-2
～4.9
×
10-2
mm/a，均低于实施例4和实施例8，表明非晶合金材料元素中锆与硼元素的重量百分比为1：(3-6)较为合适，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。可能与锆元素和硼元素可协同促进非晶合金的形成，调节锆与硼的重量百分配比，可进一步提高非晶合金材料的耐腐蚀性能有关。
54.实施例9-13中，实施例10-12非晶合金材料的年腐蚀速率为4.4
×
10-2
～4.6
×
10-2
mm/a，均低于实施例9和实施例13，表明改性氧化锆时实施例10-12中草酸的用量较为合适，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。可能与调节草酸的用量，可改善草酸处理氧化锆的效果有关，从而进一步提高非晶合金材料的耐腐蚀性能有关。
55.实施例14-18中，实施例15-17非晶合金材料的年腐蚀速率为4.1
×
10-2
～4.2
×
10-2
mm/a，均低于实施例14和实施例18，表明非晶合金材料元素中镍与铝元素的重量百分比为1：(2-3)较为合适，提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。可能与一方面镍元素可改善铝元素与其他元素结合，提高基体之间界面的润湿性，另一方面镍元素和铝元素均可提高非晶合金材料的耐腐蚀性有关。
56.综上所述，当非晶合金材料包括如下重量百分含量的元素：铁88-92％、铬0.08-0.1％、铜0.3-0.5％、硅4-6％、硼2-3％、碳0.05-0.1％和钛0.4-0.8％，余量为不可避免的杂质，非晶合金材料具有较高的硬度、抗冲蚀磨损能力和磁性能并提高了非晶合金材料的耐腐蚀性。非晶合金材料还可添加锆元素，通过调节锆和硼元素的重量百分比，并控制在1：(3-6)，可进一步提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
57.其次，通过对锆元素的来源氧化锆进行改性，采用草酸进行处理，改善其表面性质，使其具备较优的表面稳定性，形成高强度高致密性的物化性能，提高非晶合金材料的耐腐蚀性能，且通过进一步控制草酸的用量改善草酸处理氧化锆的效果，从而进一步提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
58.最后，本技术通过在非晶合金材料中加入铝元素和镍元素，使铝与空气中的氧气反应，生成一层致密的氧化铝薄膜覆盖在非晶合金材料表面。镍元素改善铝元素与其他元素结合，提高基体之间界面的润湿性，从而提高非晶合金材料的耐腐蚀性。且通过调节镍与铝的重量百分比，并控制在1：(2-3)，进一步提高了提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
59.结合对比例1-4与和实施例1非晶合金材料的性能检测数据发现，在非晶合金材料中加入铬元素、硅元素、硼元素和钛元素，均可不同程度的提高非晶合金材料的耐腐蚀性。
60.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种非晶合金材料，其特征在于，其包括如下重量百分含量的元素：铁 88-92%、铬0.08-0.1%、铜 0.3-0.5%、硅4-6%、硼 2-3%、碳 0.05-0.1%和钛 0.4-0.8%，余量为不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的非晶合金材料，其特征在于，所述非晶合金材料还包括如下重量百分含量的元素：锆0.4-1%。3.根据权利要求2所述的非晶合金材料，其特征在于：所述锆与硼的重量百分比为1：（3-6）。4.根据权利要求1所述的非晶合金材料，其特征在于：所述锆来源于氧化锆，且所述氧化锆通过草酸改性处理得到改性氧化锆。5.根据权利要求1所述的非晶合金材料，其特征在于，所述改性氧化锆通过如下操作步骤制备得到：将1-3kg草酸和19-25kg甲苯加入60-70l水中混合，加入1-2kg氧化锆和20-50g硅烷偶联剂，分散均匀，在1500-1600℃焙烧4-6h，冷却，粉碎，得到改性氧化锆。6.根据权利要求2所述的非晶合金材料，其特征在于，所述非晶合金材料还包括如下重量百分含量的原料：铝1-2%和镍0.5-1%。7.根据权利要求6所述的非晶合金材料，其特征在于，所述镍与铝的重量百分比为1：（2-3）。8.一种权利要求1-7任一所述的非晶合金材料的制备工艺，其特征在于，包括以下操作步骤：将非晶合金材料各原料真空冶炼加热融化，匀速加至钢锭模中，冷却，得到合金铸锭，在1340-1360℃二次熔炼，注入铜辊上，冷却，得到非晶合金材料。9.根据权利要求8所述的非晶合金材料，其特征在于：所述各元素在进行真空冶炼加热融化前进行酒精清洗。

技术总结
本申请涉及金属材料技术领域，具体公开了一种非晶合金材料及其制备工艺，一种非晶合金材料，其包括如下重量百分含量的元素：铁88-92%、铬0.08-0.1%、铜0.3-0.5%、硅4-6%、硼2-3%、碳0.05-0.1%和钛0.4-0.8%，余量为不可避免的杂质。本申请得到的非晶合金材料的维氏硬度为635-689，冲蚀磨损单位失重量最低为3.7mg/h，饱和磁感应强度最高可达1.40T，具有较高的硬度、抗冲蚀磨损能力和磁性能。且本申请得到的非晶合金材料的年腐蚀速率最低可为4.1


技术研发人员：田林 武卫锋
受保护的技术使用者：深圳市艺感科技有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/12