專(zhuān)利名稱(chēng)：Sm－Al－Co系Sm基三元塊體非晶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一系列具有強(qiáng)非晶形成能力的Sm-Al-Co塊體非晶合金，屬于新材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)金屬合金是一類(lèi)具有短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)特征的金屬或合金，它們具有很高的綜合力學(xué)性能和獨(dú)特的物理化學(xué)性能。然而由于金屬或合金非晶形成能力(即形成非晶態(tài)合金的能力)的影響，制備該類(lèi)材料需要較高的冷卻速率，一般的臨界冷卻速率在105K/s。以冷速?gòu)母叩降蜑樾?，常用的急冷技術(shù)有熔體霧化、薄膜沉積技術(shù)以及銅輥急冷甩帶機(jī)技術(shù)，材料形態(tài)常為低維材料如粉末、薄帶等，其應(yīng)用范圍因此受到很大限制。
從二十世紀(jì)九十年代初以來(lái)，以日本和美國(guó)為首，發(fā)現(xiàn)了一系列具有強(qiáng)非晶形成能力的合金成分，其中以Zr基最為易于制得，其臨界冷卻速率僅在1K/s量級(jí)，可以用銅模鑄造和水淬等方法制備成三維塊體材料，被稱(chēng)為塊體非晶合金。塊體非晶合金不僅具有較傳統(tǒng)低維非晶合金更優(yōu)異的機(jī)械和物理化學(xué)性能，同時(shí)，由于突破了尺寸束縛，它們有用作結(jié)構(gòu)材料和功能材料的可能。此外，由于這類(lèi)材料在其過(guò)冷液相區(qū)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)精密快速成型，這種良好的工藝性能進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。目前，美國(guó)已將Zr基塊體非晶合金用于高爾夫球具、醫(yī)療器械、穿甲彈頭、衛(wèi)星部件等多種領(lǐng)域，韓國(guó)的三星公司正在開(kāi)發(fā)Zr基非晶合金的手機(jī)和MP3外殼。
稀土金屬基塊體非晶合金是最近發(fā)展很快的一類(lèi)非晶合金。由于稀土元素常具有特殊的磁性、光學(xué)等特殊物理化學(xué)性質(zhì)，國(guó)外非常重視發(fā)展這些具有優(yōu)良物理化學(xué)性能的稀土金屬基塊體非晶合金。日本開(kāi)發(fā)了最早的La系稀土塊體非晶合金，以及具有很好的磁學(xué)性能的Nd基、Pr基稀土塊體非晶合金；中科院物理所則相繼發(fā)展了具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Ce基、Pr基、Er基等多種稀土基塊體非晶合金。同這些稀土基塊體非晶相比，稀土Sm基塊體非晶雖然也有市場(chǎng)前景但是發(fā)展緩慢。一方面，由于Sm-Co系合金是目前應(yīng)用最多的第二代稀土永磁材料，市場(chǎng)規(guī)模巨大，所以人們一直都在研究新型Sm基功能磁性材料。另一方面，由于對(duì)Sm基合金的非晶形成能力認(rèn)識(shí)還不清楚，所以開(kāi)發(fā)Sm基塊體非晶合金進(jìn)展緩慢，目前已知的能夠制備出大尺寸的Sm基塊體非晶合金的體系很少，都是四元以上的合金體系。因此，目前已知的第一種Sm基塊體非晶是五元的合金，成分為Sm60Fe10Al10Co15Cu5(參考文獻(xiàn)G.J.Fan，W.Loser，S.Roth and J.Eckert，Acta Materialia，48(2000)3823)，已成為Sm基塊體非晶合金的典型成分。它采用壓鑄的方法獲得了直徑3mm的塊體非晶合金。這種合金是在Sm-Fe-Al合金基礎(chǔ)上采用Cu和Co去部分替代Al和Fe獲得的，而Sm-Fe-Al合金本身并不能形成塊體非晶合金。這種五元合金的缺點(diǎn)是①組元多成分優(yōu)化復(fù)雜，導(dǎo)致很難在此成分基礎(chǔ)上通過(guò)成分優(yōu)化來(lái)提高合金的性能，組元多同時(shí)還提高了合金成本；②為了確定塊體非晶合金的成分需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，這必然存在一定的主觀性和隨意性；③由于Sm這種稀土金屬本身在熔煉時(shí)易氧化燒損和揮發(fā)，使得合金成分容易偏離非晶成分，成分控制困難，這些都使得發(fā)展Sm基塊體非晶合金變得相當(dāng)困難。
從現(xiàn)有的研究看，塊體非晶合金都是多組元合金，成分是影響合金非晶形成能力的關(guān)鍵因素，成分的選擇和控制至關(guān)重要。在特定的非晶形成體系中，具有最強(qiáng)非晶形成能力的合金具有確定的成分，如果偏離該成分，合金的非晶形成能力將大為降低。
針對(duì)Sm基塊體非晶合金的現(xiàn)狀，本發(fā)明采用“塊體非晶合金形成的電子濃度判據(jù)”設(shè)計(jì)合金，利用真空電弧熔煉和銅模吸鑄的方法，并采取措施控制Sm氧化燒損和揮發(fā)，發(fā)展出新型的Sm基三元塊體非晶合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要克服已有技術(shù)存在的①多組元體系中成分選擇和優(yōu)化復(fù)雜的困難；②依靠實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄ふ覊K體非晶合金成分，難以避免主觀性和隨意性；③Sm組元在熔煉過(guò)程中，易揮發(fā)難以控制的不足，提供以電子濃度判據(jù)開(kāi)發(fā)新的Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金，確定其塊體非晶合金的形成范圍和最佳非晶成分，特提出本發(fā)明的技術(shù)解決方案。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的思路是，利用塊體非晶合金形成的電子濃度判據(jù)確定出Sm-Al-Co合金系的非晶成分；然后根據(jù)設(shè)計(jì)成分的配比來(lái)配制合金原料，配料時(shí)需多加入一些Sm來(lái)補(bǔ)償它在熔煉時(shí)的揮發(fā)；用非自耗電弧熔煉法，在氬氣氣氛保護(hù)下熔煉合金錠，以防止Sm的氧化；在熔煉時(shí)，還要進(jìn)行成分檢查，即利用天平測(cè)量合金錠的揮發(fā)失重，補(bǔ)足失重的Sm，以監(jiān)控合金成分；最后利用銅模負(fù)壓吸鑄法制備出塊體非晶合金棒，并確認(rèn)非晶合金成分范圍和最佳成分。
本發(fā)明所提出的Sm-Al-Co系Sm基塊體非晶合金，包括成分設(shè)計(jì)、熔煉制備，其特征在于a)Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金，包括Sm、Al和Co元素，其成分范圍為Smx(Al50-yCo50+y)100-x，式中，x的取值范圍為50at.％≤x≤58at.％，y的取值范圍是-10at.％≤y≤+7at.％，at.％表示原子百分比；b)Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金，其最佳非晶形成成分為Sm50Al25Co25；c)制備Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金的方法，包括成分配比稱(chēng)量、熔煉、成分檢查和吸鑄，熔煉應(yīng)分步進(jìn)行，其步驟是第一步，備料按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，稱(chēng)取各組元量值，待用；其中，Sm要多加入2％的量，用來(lái)補(bǔ)償合金熔煉時(shí)的揮發(fā)；而Sm、Al和Co元素的金屬原料其純度應(yīng)為99％以上；第二步，Sm-Al-Co合金錠的熔煉將上述三種原料混合放在非自耗電弧爐的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.06～0.08MPa，熔煉電流密度范圍為120～140A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉至少3次，得到成分均勻的Sm-Al-Co合金錠；第三步，Sm-Al-Co合金錠成分檢查用分析天平稱(chēng)量Sm-Al-Co合金錠的質(zhì)量，將這個(gè)實(shí)際質(zhì)量與備料時(shí)原料的質(zhì)量進(jìn)行比較，兩者的差值為合金中Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量；如果Sm揮發(fā)的量小于2％內(nèi)，那么該合金錠可以進(jìn)行下一步工序；如果Sm揮發(fā)的量大于2％，那么需要補(bǔ)充已揮發(fā)的Sm元素的量值，并再按第二步的方法熔煉多次以保證合金錠成分均勻；第四步，Sm-Al-Co塊體非晶合金制備將Sm-Al-Co合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.06～0.08MPa，熔煉電流密度范圍為120～140A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到塊體非晶合金。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于在熔煉中，要補(bǔ)充已揮發(fā)的Sm元素的量值時(shí)，由以下兩個(gè)步驟方法確定首先，計(jì)算平均每次熔煉合金錠時(shí)Sm的揮發(fā)質(zhì)量，每次Sm的揮發(fā)質(zhì)量＝Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量÷熔煉次數(shù)；然后，再補(bǔ)充Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量，其補(bǔ)充的量值＝Sm元素已經(jīng)揮發(fā)的質(zhì)量-預(yù)先多加入的Sm元素的質(zhì)量+再熔煉多次合金錠時(shí)Sm的揮發(fā)質(zhì)量，其中，再次熔煉合金錠是為了使合金錠和新加入的Sm熔合，并使成分均勻。
本發(fā)明的方案是根據(jù)“塊體非晶合金形成的電子濃度判據(jù)”，結(jié)合Sm-Al-Co合金系的相圖特征，確定出該合金系中電子濃度值為1.5的特征等電子濃度線(xiàn)，同時(shí)確定出該等電子濃度線(xiàn)上的合金成分，然后在這些成分基礎(chǔ)上，固定兩個(gè)元素配比不變，改變另一元素配比，從而對(duì)等電子濃度線(xiàn)附近的非晶成分范圍進(jìn)行確定和優(yōu)化。這種成分設(shè)計(jì)構(gòu)思避免了現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)，即成分選取的隨意性。然后采用非自耗電弧熔煉爐和銅模負(fù)壓吸鑄設(shè)備，通過(guò)本發(fā)明思路中提出的成分控制的方法制備Sm-Al-Co塊體非晶合金。用X射線(xiàn)衍射儀、差示掃描量熱儀(TA Q100)分析測(cè)定合金的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)參數(shù)，確定出能用吸鑄法形成3mm直徑非晶棒材的Sm-Al-Co系Sm基塊體非晶合金其成分范圍為Smx(Al50-yCo50+y)100-x，x的取值范圍為50at.％≤x≤58at.％，y的取值范圍是-10at.％≤y≤+7at.％。同時(shí)還確定出這些合金中具有最大非晶形成能力的成分。
X射線(xiàn)衍射結(jié)果表明，當(dāng)Sm-Al-Co系合金棒的成分位于本發(fā)明提出的塊體非晶合金的形成成分范圍之外時(shí)，合金的X射線(xiàn)衍射譜中將出現(xiàn)大量的明銳衍射峰，表明合金中生成了大量的晶體相；而當(dāng)合金棒的成分位于本發(fā)明提出的形成塊體非晶合金的成分范圍內(nèi)時(shí)，其X射線(xiàn)衍射譜都呈現(xiàn)出典型的非晶態(tài)衍射特征，表明它們是塊體非晶合金。最終，實(shí)驗(yàn)確定在本發(fā)明提出的Sm-Al-Co系Sm基塊體非晶合金的成分范圍內(nèi)，都可通過(guò)銅模吸鑄法獲得直徑3mm的非晶棒。其中，典型成分Sm50Al25Co25、Sm58Al21Co21、Sm54Al19.8Co26.2、Sm54Al27.6Co18.4、Sm52Al26.2Co21.8合金的非晶品質(zhì)由熱分析DSC實(shí)驗(yàn)表征，測(cè)得的有關(guān)非晶穩(wěn)定性和形成能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同列在表1中。
玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg和晶化溫度Tx是表征非晶合金熱穩(wěn)定性的特征參數(shù)，其值增加表明非晶抗晶化能力加強(qiáng)，非晶的熱穩(wěn)定性在增加；兩者的差值ΔTx(ΔTx＝Tg-Tx)表征了非晶合金過(guò)冷液相區(qū)的寬度，這個(gè)區(qū)間越寬則非晶的熱穩(wěn)定性也越好。Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金的Tg和Tx值比較高，表明它們均具有較高的熱穩(wěn)定性，而Sm50Al25Co25塊體非晶合金具有最大的Tg和Tx值，表明具有最佳熱穩(wěn)定性，同時(shí)該合金還具有最大的ΔTx，表明其在Tg溫度以上也具有最強(qiáng)的抵抗晶化的能力。它比已知的Sm60Fe10Al10Co15Cu5塊體非晶合金具有更高的Tg和Tx，即具有更好的熱穩(wěn)定性。
約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Trg＝Tg/Tl是表征非晶形成能力的主要參數(shù)。表1中5個(gè)塊體非晶合金的約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度都較大，均大于0.6，即大于能有效抑制合金形核的Trg臨界值，表明這些非晶合金具有很強(qiáng)的非晶形成能力。Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金的Trg很高，表明它們具有很強(qiáng)的非晶形成能力。類(lèi)似地，從另一表征非晶形成能力的參數(shù)γ(γ＝Tx/(Tg+Tl)值來(lái)看，也表明它們具有很強(qiáng)的非晶形成能力。其中，Sm50Al25Co25塊體非晶合金具有最大的Trg和γ值，是最大非晶形成能力的合金。其Trg和γ也比已知的Sm60Fe10Al10Co15Cu5更大的，具有更大的非晶形成能力。
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析，可得出如下結(jié)果利用非自耗電弧熔煉和銅模負(fù)壓吸鑄制備方法，以及本發(fā)明提出的控制合金成分的方法，本發(fā)明提出的Sm-Al-Co系Sm基合金中可形成塊體非晶合金，在下列成分范圍內(nèi)Smx(Al50-yCo50+y)100-x(x＝50～58at.％，y＝-10～+7at.％)都可形成直徑為3mm的非晶合金棒；其中本體系中最大非晶形成能力的成分為Sm50Al25Co25。
需要說(shuō)明的是，整個(gè)熔煉和吸鑄過(guò)程必須在抽到高背底真空(10-2Pa)后充入氬氣保護(hù)下進(jìn)行，以避免氧化，也防止因氧化而使實(shí)驗(yàn)合金成分偏離設(shè)計(jì)成分；熔化本發(fā)明所涉及的合金所用電流密度范圍為120～140A/cm2，因?yàn)檫^(guò)大的電流密度將導(dǎo)致Sm元素大量燒損揮發(fā)，過(guò)小的電流密度則要較長(zhǎng)的時(shí)間去熔化合金中熔點(diǎn)較高的Co，使得Sm元素大量燒損揮發(fā)，所以對(duì)于Co含量高而Sm含量低的合金用大電流密度，反之則用小電流密度；熔煉時(shí)必須對(duì)合金揮發(fā)進(jìn)行檢查和補(bǔ)償，保證實(shí)驗(yàn)合金成分接近設(shè)計(jì)成分。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是①克服了已有技術(shù)中Sm基塊體非晶組元多優(yōu)化復(fù)雜，成分選取帶有隨意性和主觀性的不足，發(fā)展了新的Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金體系，并確定出該體系中塊體非晶合金成分范圍；②由于合金組元簡(jiǎn)單并且確定出了最佳的塊體非晶合金成分，有利于在此成分基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展四元以上的Sm基塊體非晶合金；③由于熔煉中采取了對(duì)揮發(fā)量檢查和補(bǔ)充的方法，所以減少了成分偏差。
附表說(shuō)明表1是Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金的典型成分和特征溫度測(cè)量結(jié)果表中第一列給出了典型合金的成分，第一行中Tg表示玻璃化溫度，Tx晶化溫度，過(guò)冷液相區(qū)ΔTx，Tl液相點(diǎn)溫度，Tg/Tl約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度，參數(shù)γ(γ＝Tx/(Tg+Tl))。結(jié)果表明，該體系塊體非晶合金都有高的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)的非晶形成能力。其中，具有最佳熱穩(wěn)定性和非晶形成能力的非晶合金是Sm50Al25Co25。
對(duì)于表中給出的塊體非晶合金的典型成分，它們與本發(fā)明中給出的成分范圍Smx(Al50-yCo50+y)100-x(x＝50～58at.％，y＝-10～+7at.％)的關(guān)系如下以表中給出的5個(gè)典型成分為例進(jìn)行說(shuō)明。1)當(dāng)x＝50at.％，y＝0at.％時(shí)，代入成分式中，得到Sm的含量為50at.％，Al的含量為(50-0)*(100-50)/100＝25at.％，Co的的含量為(50+0)*(100-50)/100＝25at.％，該合金成分為Sm50Al25Co25；2)當(dāng)x＝58at.％，y＝0at.％時(shí)，代入成分通式中，得到Sm的含量為58at.％，Al的含量為(50-0)*(100-58)/100＝21at.％，Co的的含量為(50+0)*(100-58)/100＝21at.％，該合金成分為Sm58Al21Co21；3)當(dāng)x＝54at.％，y＝7at.％時(shí)，代入成分通式中，得到Sm的含量為54at.％，Al的含量為(50-7)*(100-54)/100＝19.8at.％，Co的的含量為(50+7)*(100-54)/100＝26.2at.％，該合金成分為Sm54Al19.8Co26.2；4)當(dāng)x＝54at.％，y＝-10at.％時(shí)，代入成分通式中，得到Sm的含量為54at.％，Al的含量為(50+10)*(100-54)/100＝27.6at.％，Co的的含量為(50-10)*(100-54)/100＝18.4at.％，該合金成分為Sm54Al27.6Co18.4；5)當(dāng)x＝52at.％，y＝-4.5at.％時(shí)，代入成分通式中，得到Sm的含量為52at.％，Al的含量為(50+4.5)*(100-52)/100＝26.2at.％，Co的的含量為(50-4.5)*(100-52)/100＝21.8at.％，該合金成分為Sm52Al26.2Co21.8。


圖1是Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金成分圖結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金成分的選取和確定。首先要在三元成分圖內(nèi)建立等電子濃度線(xiàn)。一般地，易于形成塊體非晶的合金成分就分布在等電子濃度線(xiàn)上，并被變電子濃度線(xiàn)判據(jù)制約。由于已知Sm金屬的電子濃度值為1.5，并且已知Al-Co亞組元體系中有典型的電子相Al50Co50，其電子濃度值也為1.5，那么在Sm-Al-Co三元成分圖中連接Sm和Al50Co50，構(gòu)建出等電子濃度線(xiàn)，其成分可以表示為Smx(Al50Co50)100-x(式中x＝0～100at.％)，即圖1中的細(xì)實(shí)線(xiàn)。其次，要在三元成分圖內(nèi)建立變電子濃度線(xiàn)，變電子濃度線(xiàn)表明了三元塊體非晶合金與其亞組元合金的成分關(guān)聯(lián)。分別采用共晶點(diǎn)Sm64Co36與Sm75Al25來(lái)構(gòu)建變電子濃度線(xiàn)，用它們來(lái)連接第三組元Al和Co就得到兩條變電子濃度線(xiàn)，即圖1中的虛線(xiàn)與點(diǎn)劃線(xiàn)。這樣，等電子濃度線(xiàn)和兩條變電子濃度線(xiàn)相交可以得到兩個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)成分為Sm47Al26.5Co26.5和Sm60Al20Co20；在交點(diǎn)范圍內(nèi)并且沿著等電子濃度線(xiàn)設(shè)計(jì)了合金，其成分可以表示為Smx(Al50Co50)100-x(式中x＝47～60at.％)。再次，在這些成分基礎(chǔ)上，固定兩個(gè)元素配比不變，改變另一元素配比，研究等電子濃度線(xiàn)附近的可能的非晶成分范圍。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定出Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金實(shí)際的成分范圍和最佳成分，Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金成分范圍為Smx(Al50-yCo50+y)100-x(x＝50～58at.％，y＝-10～+7at.％)，即圖1中標(biāo)記的矩形范圍內(nèi)。圖1中還給出了五個(gè)典型成分Sm50Al25Co25、Sm58Al21Co21、Sm54Al19.8Co26.2、Sm54Al27.6Co18.4、Sm52Al26.2Co21.8，即圖中分別標(biāo)記1、2、3、4和5的三角形點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附表，詳細(xì)說(shuō)明Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金的實(shí)施方式，現(xiàn)以成分Sm50Al25Co25、Sm58Al21Co21、Sm54Al19.8Co26.2、Sm54Al27.6Co18.4、Sm52Al26.1Co21.8為例，說(shuō)明Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金的制備過(guò)程。并結(jié)合附表，說(shuō)明該體系塊體非晶的熱力學(xué)特點(diǎn)。
實(shí)施例一，Sm50Al25Co25塊體非晶合金制備及其性能測(cè)試第一步，成分配比的稱(chēng)量按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，按比例稱(chēng)量純度為99.9％的純金屬Sm、Al、Co原料，待用；稱(chēng)量中已預(yù)先多加入2％的Sm用來(lái)補(bǔ)償合金熔煉時(shí)的揮發(fā)；第二步，Sm50Al25Co25三元合金錠的熔煉將Al、Co與稀土金屬Sm的混合料，放在非自耗電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.06MPa，熔煉電流密度范圍為140A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的三元合金錠；第三步，Sm50Al25Co25三元合金錠成分檢查用天平測(cè)量合金錠的質(zhì)量，天平的精度為萬(wàn)分之一克；比較這個(gè)合金錠質(zhì)量與第一步配料時(shí)原料的質(zhì)量，兩者的差值為合金中Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量；合金錠質(zhì)量減少了0.03克，換算后即Sm揮發(fā)的量為1.5％，揮發(fā)的量小于2％，該合金錠可進(jìn)行下一步吸鑄工序(由于第一步配料時(shí)預(yù)先加入了2％Sm用于補(bǔ)償熔煉時(shí)的揮發(fā)，所以合金錠中實(shí)際的Sm含量約為50.5％)；第四步，Sm50Al25Co25塊體非晶合金制備將Sm50Al25Co25合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.06MPa，熔煉所用電流密度為140A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的塊體非晶合金；第五步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試用X射線(xiàn)衍射儀(Cu Kα輻射，其波長(zhǎng)λ＝0.15406nm)分析Sm50Al25Co25合金棒的相結(jié)構(gòu)，其X射線(xiàn)衍射譜的呈現(xiàn)出典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的衍射特征，表明它是非晶合金，其中不含有晶體相；用差示掃描量熱儀測(cè)定了該合金的熱力學(xué)參數(shù)，得到其玻璃化溫度Tg為579K，晶化溫度Tx為640K，說(shuō)明Sm50Al25Co25塊體非晶合金具有較高的熱穩(wěn)定性；同時(shí)，其約化玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg/Tl(0.648)和參數(shù)γ(0.435)表明該合金的具有很強(qiáng)的非晶形成能力；與該體系內(nèi)其它非晶合金(樣品均用同樣條件下制得)相比，Sm50Al25Co25非晶合金具有相對(duì)高的Tg、Tx、Tg/Tl和γ值，它是Sm-Al-Co系中最佳的非晶形成成分。
實(shí)施例二，Sm58Al21Co21塊體非晶合金制備及其性能測(cè)試第一步，成分配比的稱(chēng)量按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，按比例稱(chēng)量純度為99.9％的純金屬Sm、Al、Co原料，待用；稱(chēng)量中已預(yù)先多加入2％的Sm用來(lái)補(bǔ)償它的揮發(fā)；第二步，Sm58Al21Co21三元合金錠的熔煉合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第二步的方法進(jìn)行；抽真空為10-2Pa，充入氬氣氣壓為0.08MPa，熔煉所用電流密度為120A/cm2，反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的三元合金錠；第三步，Sm58Al21Co21三元合金錠成分檢查合金錠揮發(fā)質(zhì)量的檢查方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行，具體略；合金錠的質(zhì)量少了0.068克，即Sm揮發(fā)了3.4％，揮發(fā)量大于2％，需要加入Sm來(lái)控制合金成分；那么由于合金錠熔煉進(jìn)行了3次，平均而言每次熔煉時(shí)Sm揮發(fā)0.0227克，所以補(bǔ)充的Sm的質(zhì)量＝0.068克-0.04克+0.0227×2＝0.0734克；第四步，Sm58Al21Co21三元合金錠的熔煉將合金錠與補(bǔ)充的Sm混合，用實(shí)施例一中的第二步的方法再熔煉2次，得到成分均勻的三元合金錠，具體略；采用的參數(shù)為抽真空10-2Pa，充入氬氣氣壓0.08MPa，熔煉所用電流密度120A/cm2；第五步，Sm58Al21Co21塊體非晶合金制備將Sm58Al21Co21合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.07MPa，熔煉所用電流密度為120A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的塊體非晶合金；第六步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試用X射線(xiàn)衍射儀(Cu Kα輻射，其波長(zhǎng)λ＝0.15406nm)分析Sm58Al21Co21合金棒的相結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明Sm52Al24Co24合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其中不含任何晶體相；用差示掃描量熱儀測(cè)定了該合金的熱力學(xué)參數(shù)，其，Tg與Tx值分別為554K和585K；它的Tg/Tl和γ值分別為0.6193和0.404；結(jié)果表明，在Sm-Al-Co系非晶合金中，它是具有高的熱穩(wěn)性和高非晶形成能力的合金之一。
實(shí)施例三，Sm54Al19.8Co26.2塊體非晶合金制備第一步，成分配比的稱(chēng)量按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，按比例稱(chēng)量純度為99.9％的純金屬Sm、Al、Co原料，待用；稱(chēng)量中已預(yù)先多加入2％的Sm用來(lái)補(bǔ)償它的揮發(fā)；第二步，Sm54Al19.8Co26.2三元合金錠的熔煉合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第二步的方法進(jìn)行；抽真空為10-2Pa，充入氬氣氣壓為0.07MPa，熔煉所用電流密度為130A/cm2，反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的三元合金錠；第三步，Sm54Al19.8Co26.2三元合金錠成分檢查合金錠揮發(fā)質(zhì)量的檢查方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行，具體略；合金錠的質(zhì)量少了0.0522克，即Sm揮發(fā)了2.6％，揮發(fā)量大于2％，需要加入Sm來(lái)控制合金成分；那么由于合金錠熔煉進(jìn)行了3次，平均而言每次熔煉時(shí)Sm揮發(fā)0.0174克，所以補(bǔ)充的Sm的質(zhì)量＝0.0522克-0.04克+0.0174×2＝0.047克；第四步，Sm54Al19.8Co26.2三元合金錠的熔煉將合金錠與補(bǔ)充的Sm混合，用實(shí)施例一中的第二步的方法再熔煉2次，得到成分均勻的三元合金錠，具體略；采用的參數(shù)為抽真空10-2Pa，充入氬氣氣壓0.08MPa，熔煉所用電流密度130A/cm2；第五步，Sm54Al19.8Co26.2塊體非晶合金制備將Sm54Al19.8Co26.2合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.08MPa，熔煉所用電流密度為130A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的塊體非晶合金；第六步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試用X射線(xiàn)衍射儀(Cu Kα輻射，其波長(zhǎng)λ＝0.15406nm)分析Sm54Al19.8Co26.2合金棒的相結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明Sm54Al19.8Co26.2合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其中不含任何晶體相；用差示掃描量熱儀測(cè)定了該合金的熱力學(xué)參數(shù)，其Tg與Tx值分別為535K和555K；它的Tg/Tl和γ值分別為0.607和0.392；結(jié)果表明，在Sm-Al-Co系非晶合金中，它是具有高的熱穩(wěn)性和高非晶形成能力的合金之一。
實(shí)施例四，Sm54Al27.6Co18.4塊體非晶合金制備第一步，成分配比的稱(chēng)量按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，按比例稱(chēng)量純度為99.9％的純金屬Sm、Al、Co原料，待用；稱(chēng)量中已預(yù)先多加入2％的Sm用來(lái)補(bǔ)償它的揮發(fā)；第二步，Sm54Al27.6Co18.4三元合金錠的熔煉合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第二步的方法進(jìn)行；抽真空為10-2Pa，充入氬氣氣壓為0.08MPa，熔煉所用電流密度為130A/cm2，反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的三元合金錠；第三步，Sm54Al27.6Co18.4三元合金錠成分檢查合金錠揮發(fā)質(zhì)量的檢查方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行，具體略；合金錠的質(zhì)量少了0.039克，即Sm揮發(fā)了1.95％，揮發(fā)的量小于2％，該合金錠可進(jìn)行下一步吸鑄工序；第四步，Sm54Al27.6Co18.4塊體非晶合金制備將Sm54Al27.6Co18.4合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.07MPa，熔煉所用電流密度為130A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的塊體非晶合金。
第五步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試用X射線(xiàn)衍射儀(Cu Kα輻射，其波長(zhǎng)λ＝0.15406nm)分析Sm54Al27.6Co18.4合金棒的相結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明Sm54Al27.6Co18.4合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其中不含任何晶體相；用差示掃描量熱儀測(cè)定了該合金的熱力學(xué)參數(shù)，其Tg與Tx值分別為571K和610K；它的Tg/Tl和γ值分別為0.618和0.408；結(jié)果表明，在Sm-Al-Co系非晶合金中，它是具有高的熱穩(wěn)性和高非晶形成能力的合金之一。
實(shí)施例五，Sm52Al26.2Co21.8塊體非晶合金制備第一步，成分配比的稱(chēng)量按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，按比例稱(chēng)量純度為99.9％的純金屬Sm、Al、Co原料，待用；稱(chēng)量中已預(yù)先多加入2％的Sm用來(lái)補(bǔ)償它的揮發(fā)；第二步，Sm52Al26.2Co21.8三元合金錠的熔煉合金錠的熔煉方法采用實(shí)施例一中的第二步的方法進(jìn)行；抽真空為10-2Pa，充入氬氣氣壓為0.06MPa，熔煉所用電流密度為130A/cm2，反復(fù)熔煉3次，得到成分均勻的三元合金錠；第三步，Sm52Al26.2Co21.8三元合金錠成分檢查合金錠揮發(fā)質(zhì)量的檢查方法采用實(shí)施例一中的第三步的方法進(jìn)行，具體略；合金錠的質(zhì)量少了0.038克，即Sm揮發(fā)了1.9％，揮發(fā)的量小于2％，該合金錠可進(jìn)行下一步吸鑄工序；第四步，Sm52Al26.2Co21.8塊體非晶合金制備將Sm52Al26.2Co21.8合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.08MPa，熔煉所用電流密度為130A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到直徑為3mm的塊體非晶合金。
第五步，結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試用X射線(xiàn)衍射儀(Cu Kα輻射，其波長(zhǎng)λ＝0.15406nm)分析Sm52Al26.1Co21.8合金棒的相結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明Sm52Al26.2Co21.8合金棒為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其中不含任何晶體相；用差示掃描量熱儀測(cè)定了該合金的熱力學(xué)參數(shù)，其Tg與Tx值分別為574K和636K；它的Tg/Tl和γ值分別為0.641和0.433；結(jié)果表明，在Sm-Al-Co系非晶合金中，它是具有高的熱穩(wěn)性和高非晶形成能力的合金之一。
表1Sm-Al-Co系Sm基塊體非晶合金的典型成分和特征溫度測(cè)量結(jié)果。

權(quán)利要求
1.Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金，包括成分設(shè)計(jì)、熔煉制備，其特征在于a)Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金，包括Sm、Al和Co元素，其成分范圍為Smx(Al50-yCo50+y)100-x，式中，x的取值范圍為50at.％≤x≤58at.％，y的取值范圍是-10at.％≤y≤+7at.％，at.％表示原子百分比；b)本體系中最佳非晶形成成分為Sm50Al25Co25；c)制備本體系合金的方法，包括成分配比稱(chēng)量、熔煉、成分檢查和吸鑄，熔煉應(yīng)分步進(jìn)行，其步驟是第一步，備料按照設(shè)計(jì)成分中的原子百分比，轉(zhuǎn)換成重量百分比wt.％，稱(chēng)取各組元量值，待用；其中，Sm要多加入2％的量，用來(lái)補(bǔ)償合金熔煉時(shí)的揮發(fā)；而Sm、Al和Co元素的金屬原料其純度應(yīng)為99％以上；第二步，Sm-Al-Co合金錠的熔煉將三種原料混合放在非自耗電弧爐的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行熔煉，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.06～0.08MPa，熔煉電流密度范圍為120～140A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉(zhuǎn)，重新置于水冷銅坩堝內(nèi)，進(jìn)行第二次熔煉，如此反復(fù)熔煉至少3次，得到成分均勻的Sm-Al-Co合金錠；第三步，Sm-Al-Co合金錠成分檢查用分析天平稱(chēng)量Sm-Al-Co合金錠的質(zhì)量，將這個(gè)實(shí)際質(zhì)量與備料時(shí)原料的質(zhì)量進(jìn)行比較，兩者的差值為合金中Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量；如果Sm揮發(fā)的量小于2％內(nèi)，那么該合金錠可以進(jìn)行下一步工序；如果Sm揮發(fā)的量大于2％，那么需要補(bǔ)充已揮發(fā)的Sm元素的量值，并再熔煉多次保證合金錠成分均勻；第四步，Sm-Al-Co塊體非晶合金制備將Sm-Al-Co合金錠，置于連有負(fù)壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內(nèi)，在氬氣保護(hù)下用非自耗電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10-2Pa，然后充入氬氣至氣壓為0.06～0.08MPa，熔煉電流密度范圍為120～140A/cm2，熔化后，再持續(xù)熔煉10秒鐘，斷電，同時(shí)開(kāi)啟負(fù)壓吸鑄裝置，氣壓差為0.04±0.005MPa，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到塊體非晶合金。
2.根據(jù)權(quán)力要求1中所述的Sm-Al-Co系Sm基三元塊體非晶合金，其特征在于在熔煉中，要補(bǔ)充已揮發(fā)的Sm元素的量值時(shí)，由以下兩個(gè)步驟確定首先，計(jì)算平均每次熔煉合金錠時(shí)Sm的揮發(fā)質(zhì)量，每次Sm的揮發(fā)質(zhì)量＝Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量÷熔煉次數(shù)；然后，再補(bǔ)充Sm元素的揮發(fā)質(zhì)量，其補(bǔ)充的量值＝Sm元素已經(jīng)揮發(fā)的質(zhì)量-預(yù)先多加入的Sm元素的質(zhì)量+再熔煉多次合金錠時(shí)Sm的揮發(fā)質(zhì)量。
全文摘要
新材料領(lǐng)域中的Sm－Al－Co系Sm基三元塊體非晶合金，特征其成分范圍為Sm
文檔編號(hào)C22C1/02GK1869274SQ20061004707
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月26日
發(fā)明者董闖, 吳江, 王清, 羌建兵, 王英敏 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)