一种耐磨耐蚀的非晶合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种耐磨损耐腐蚀的非晶合金及其制备方法，具体来说涉及一种耐磨 损耐腐蚀的Zr基非晶合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属材料制品在使用过程中将受到不同形式的直接或间接的损坏，其中最常见的 损坏形式为磨损和腐蚀。磨损是指金属构件和其他部件相互作用，由于机械摩擦而引起的 逐渐损坏，如机车的车轮与钢轨间的磨损。腐蚀是指金属材料在环境介质的作用下，逐渐损 坏或变质，金属材料的锈蚀是最常见的腐蚀现象之一。金属材料遍布国民经济的各个领域， 从日常生活到国防工业，但凡使用金属材料之处，都不可避免的存在金属磨损和腐蚀的问 题，不仅造成经济损失，有些甚至造成了灾难性的事故。现代工业中，针对金属磨损和腐蚀 的问题展开了大量的研究，如何获得耐磨耐蚀的金属材料成为目前材料研究的重点方向之 〇
[0003] 在工业应用中，许多机械设备、电子设备往往在非常恶劣的环境条件下工作，如高 温、湿热、盐雾、与海水接触、接触酸碱等等，这些设备不仅要求有良好的耐环境介质腐蚀能 力，还要求能够耐受工作中的腐蚀磨损、冲刷磨损等因设备与运动的流体接触而导致的特 殊腐蚀。目前国内广泛使用的合金材料多为铁系，通过调整合金中的Cr含量达到耐蚀的性 能，如不锈钢、膨胀合金、高温合金等等，由于Fe基材料易锈蚀特性和常用添加元素Cr、Ni 的不环保性，这些常用耐蚀合金的使用往往在特殊机械中达不到要求，而且价格昂贵。
[0004] 非晶合金是近些年来发展迅速的一种新材料，因其与生倶来的高硬度、高强度、良 好的耐磨耐蚀性能使其在军工、航空航天及石化等领域广泛应用，如在军工领域，Zr-w非晶 合金制成的穿甲弹头可达到非常高的密度和强度，且有自锐效应，同时具有高绝热剪切敏 感性，环境相容性好。
[0005] 申请号为201310082019. 0的名为《一种耐磨耐蚀铁基非晶堆焊焊条及其制备方 法》的中国专利，提供一种配方为Fe41C〇7Cr 15M〇14C15B6Y2 (原子百分数)的铁基非晶焊条，可由 此获得具有优良耐磨耐蚀性能的非晶/纳米晶复合堆焊层。
[0006] 申请号为201210426268. 2的名为《一种高耐蚀性铁基软磁非晶合金及其制备方 法》的中国专利，分子式为FefrbNiJVIoACfBgSih，a-h表不对应原子的摩尔百分含量。与现 有的铁基软磁非晶合金相比，该非晶合金同时具有高耐蚀性、高非晶形成能力以及优异磁 性能，能够作为电磁器件材料在恶劣的环境中，如湿热盐雾、氨气或各种酸、海水、污水等腐 蚀介质中使用。
[0007] Fe基非晶材料尽管性能优异，但是具有软磁性能，而且对于腐蚀磨损、冲刷磨损等 因设备与运动的流体接触而导致的特殊腐蚀无显著改善。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种既耐磨损又耐腐蚀的非晶合金材料，而且该非晶合金材料对腐 蚀磨损、冲刷磨损等因设备与运动的流体接触而导致的特殊腐蚀有显著改善，同时该非晶 合金材料成形性能好，制备工艺简单，适合工业化生产。
[0009] 本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现： 1、原料配方 所述非晶合金的组成为ZraHfbAleNi dMleM2f，其中a、b、c、d、e、f为所述非晶合金中对应 的原子摩尔百分含量，分别为 30<a<55,5〇3< 15,5<c< 15,8<cK20,5<e< 10， 5彡f彡15 ;M1为Si、Cr、Pt、Pd、Au、Ag元素中的一种或多种混合物，M2为Cu、Zn、Mn、Fe 元素中的一种或多种混合物。
[0010] 进一步地，上述非晶合金原子摩尔百分含量可优选为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] 再进一步优选，原子摩尔百分含量分别为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基块体非晶合金具有较高的玻璃形成能力、耐蚀性和成型能力，添加同族的Hf 原子在合金中对Zr原子有一定的取代作用，使得合金中不同金属原子之间的作用力增强， 宏观表现为冷却后合金结构较为致密成型性能良好。Al、Ni的添加一方面增强该非晶合金 的形成能力，同时A1和Ni元素对环境介质的腐蚀有较好的抵御作用，适量添加有益于耐蚀 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蚀性能较好的非晶合 金。
[0013] 在合金中加入平衡电位较高的合金元素可使合金的平衡电位升高，增加了合金整 体的热力学稳定性，即金属间形成的固溶体结构使原子的电子壳层结构发生变化，合金的 能量发生变化，自由能降低。在可添加的元素中，发明人通过大量实验发现，根据上述原理 添加Si、Cr、Pt、Pd、Au、Ag元素中的一种或多种混合物能够大幅度提高合金的稳定性，以及 增强合金的硬度和耐腐蚀性能。同时，由于合金元素在固溶体中的固溶度往往是有限的，所 以添加该类合金元素的比例不宜高，经实验发现该类添加的合金原子摩尔百分含量在占总 合金的5-10%即可达到良好的效果，进一步可优选为5-8%。
[0014] 在合金中同时可添加增加腐蚀体系电阻的合金元素来提升耐腐蚀的性能，发明人 通过大量实验发现，根据上述原理添加Cu、Zn、Mn、Fe元素中的一种或多种混合物可促使在 合金表面生成具有保护作用的腐蚀产物从而降低腐蚀电流，这些微量的腐蚀产物不溶于腐 蚀介质、电阻高、致密的附着于合金表面将合金与腐蚀介质隔绝，极为有效的阻止腐蚀过程 的进行。而且Cu、Zn、Mn、Fe元素都能够与基体金属形成固溶体满足合金对成型性能和力 学性能的要求，提升非晶合金整体的硬度。添加该类合金元素的比例在5%时即可对非晶合 金整体性能产生效果，添加的原子摩尔百分含量最高可达15%，优选添加范围为8-15%，进 一步优选为8-12%。
[0015] 再进一步改善，上述非晶合金中还可以添加原子摩尔百分含量为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，熔炼后会在合金基体表层生成 一层非晶态的氧化物，对合金起到良好的保护作用，P元素的添加能够促进这种非晶态氧化 层的形成。P元素的添加含量不宜过高，原子摩尔百分含量为0. 1-2%即可达到好的效果。
[0016] 2、制备方法 步骤一，将纯度大于99. 9%的原料按照上述非晶合金组成进行配比，原料纯度决定了 原料中杂质的数量。杂质过多不仅会吸收较多的氧元素，不利于非晶合金的成形和后续加 工，而且杂质还会在金属熔液中形成结晶核影响非晶结构的产生。
[0017] 步骤二，将混合好的原料在真空条件或氩气气氛中通过电弧熔炼或其他常规 熔炼方式将原料熔炼，可反复熔炼2-3次，其中真空度为10 LlO 3Pa，氩气气氛压力为 0. 01-0. 05MPa，冷却后得到非晶合金铸锭。多次熔炼的目的在于进一步提升非晶合金的纯 净度、减少晶界杂质的偏析、使晶界变细，宏观效果上不仅可以增加非晶产品的硬度，而且 能够提升非晶合金产品的抗腐蚀和磨损的能力。工艺中的真空度和氩气气氛的压力条件都 非常低，在实际生产中极易达到。
[0018] 进一步地，熔炼后冷却速度为102_103K/s为宜。
[0019] 步骤三