CN102002659A

CN102002659A - 一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法

Info

Publication number: CN102002659A
Application number: CN 201010551376
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 赵玉涛; 黄康; 邵阳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-04-06

Abstract

一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：在非晶合金的T_g温度以下，通过弹簧压紧装置并结合其上的压紧块，将非晶合金条带压紧在功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带以10~30mm/s的速度做与超声装置变幅杆顶端平面平行的连续运动，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，超声频率为10~30kHz，作用功率为500W~2000W，功率超声装置变幅杆顶端、非晶合金条带和压紧块均放置在液体冷却介质中，必要时非晶合金条带可以重复进行上述过程，直到获得需要的晶体尺寸和含量。该方法操作简便、处理温度低、处理后的试样组织均匀性好，材料的性能稳定。

Description

一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法

技术领域

本发明涉及非晶合金的晶化方法，具体而言为涉及一种采用超声处理实现非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法。

背景技术

非晶合金又称金属玻璃，具有短程有序、长程无序的亚稳态结构特征，固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，这种状态在一定温度范围内保持相对稳定。

与晶态合金相比，非晶合金具备许多优异性能，如高硬度、高强度、高电阻、耐蚀及耐磨等。块体非晶合金材料的迅速发展，为材料科研工作者和工业界研究开发高性能的功能材料和结构材料提供了十分重要的机会和巨大的开拓空间，但是作为一类新型材料，非晶合金的研究和应用仍处于探索阶段，在基础理论、制备工艺和实际应用中还有许多问题亟待解决，主要体现在：1）还没有一套完整的理论或成熟的物理模型用来指导块体非晶的研制，目前对于合金***组元的选择还只能凭经验规律，但由于还没有充分理解非晶合金形成的本质，这些规律还不具备普适性；2）目前制备的块体非晶尺寸还不够大，只有Zr基、Pd基等少数几种合金体系可达较大尺寸，这在很大程度上限制了这种新型结构材料的广泛应用，因而需要我们改进目前块体非晶制备所需的苛刻工艺条件；3）提高块体非晶的热稳定性；块体非晶属亚稳态材料，在热力学上是不稳定的，必须设法提高块体非晶的热稳定性，以拓宽其应用范围；4）总体来说块体非晶的塑性都还有待提高，特别是非晶合金的拉伸塑性几乎为零，提高非晶合金的塑性将为非晶合金开辟更广阔的应用空间，目前非晶合金增塑的方法主要有通过添加延性第二相粒子和通过非晶相的部分晶化来获得纳米晶相弥散分布的非晶复合材料两类方法，都是通过引入机械约束剪切带扩展的物质来改善塑性，已经成为非晶合金材料发展的重要方向之一。

在块体非晶合金纳米晶化方面，目前实现的方法主要包括高能球磨、热致晶化、电致晶化等多种方法；在这些方法中，通过不同形式向大块金属玻璃体系引入能量是实现纳密晶化的前提，Tetsu Ichitsubo等人的研究表明，在Pd₄₀Ni₄₀P₂₀纳米晶金属玻璃的制备过程中，引入超声波可以改善纳米晶的结构，但超声波主要用于该合金的凝固阶段，不涉及晶化阶段，纳米材料具有强烈的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、体积效应和表面效应，在宏观上则表现出优异的机械、物理和化学性能，将超声波作用引入块体非晶合金纳米晶化过程能起到事半功倍的效果；在块体非晶合金纳米晶化过程中引入功率超声，可以有效降低晶化温度，并简化工艺，是实现块体非晶合金纳米晶化的一条重要途径，相关方法已经申请国家发明专利（一种利用功率超声实现大块金属玻璃纳米晶化的方法，申请号200810243715.4），该专利方法提出，“通过夹紧装置将大块金属玻璃（即非晶合金）夹持在变幅杆的端部并置于超声条件下”，显然只适宜对尺寸相对较小的非晶合金进行超声纳米晶化处理。

在目前实际应用的非晶合金中，非晶变压器用Fe基非晶合金是一类重要的块体非晶合金，主要由78~81%铁、13. 5%硼、3. 5~8%硅，并加入少量镍、钴、碳和磷等金属元素合成的特殊软磁材料，非晶合金变压器可以大幅度降低空载损耗；与硅钢变压器相比，空载损耗下降70~80%，空载电流下降80%，非晶合金变压器以其节能、环保、防火、寿命长、维护简便、安全可靠的特性，获得了越来越广泛的应用；然而，目前使用的非晶变压器的主要问题是噪声和热稳定性。非晶合金材料对机械应力非常敏感，无论是拉应力还是弯曲应力都会影响其磁性能，非晶合金材料的损耗与合金带表面受力有关，损耗会随受力的增大而迅速上升，一般情况下，非晶合金铁心受力后，变压器的空载损耗会增加60%左右；非晶合金材料韧性差容易折断，非晶合金材料很脆，非晶片极易脱落，变压器在铁心装配、绕组套装过程中受到压力、撞击及弯折后，一方面会使空载损耗增加，另一方面非晶片极易出现脱落和掉渣等现象，因此要求变压器在装配搬运过程中要轻拿轻放，避免出现受压现象，特别是在绕组套装过程中应精心操作，避免重复套装出现非晶片脱落掉渣，因此要求在操作过程中用干净布料或绝缘纸遮盖在绕组及绝缘的上端，以防非晶片脱落掉入线匝内，据统计，由于绕组重复套装，变压器空载损耗会增加3~5%。

目前批量生产的变压器用非晶合金采用单辊快淬法（也称熔体旋转法）生产，产出的是厚度为0.02~0.04mm的连续条带，该方法已经实现了工业化生产。Fe-Si-B 系列非晶合金是性能优异的软磁合金材料，添加 Cu 和 Nb 后的 Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉非晶合金薄带在等温退火晶化过程中，其晶粒尺寸长大趋势较小，在最佳等温退火工艺条件下(退火温度 823 K，退火时间 1 h)，可获得晶粒尺寸约为10nm 的α-Fe(Si)相，这种 Fe 基纳米晶材料具有极其优异的软磁性能，吸引了材料学界对其开展广泛深入的研究，并已实现工业应用。然而，该材料的工业应用不足之处在于，等温退火晶化的同时使其力学性能变差，且长时间退火易导致较明显的氧化和较大的能源消耗；为此，有研究者将脉冲电流应用于非晶合金的晶化，制备出了纳米晶和纳米晶/非晶复合相材料，但难以实现连续生产，另外，也有研究指出，晶化退处理后Fe-Si-B非晶合金的初始磁导率和饱和磁化强度都随温度的升高而增加，并且当温度达823 K时到达最大，当温度进一步升高时呈降低的趋势，而矫顽力随退火温度的升高先降低，当温度达823 K时最低，而后随温度的升高开始升高。合金这种磁性的变化趋势主要取决于非晶基体上析出了单一的bcc结构的α-Fe( Si)固溶体的数量多少，以及这种纳米晶与基体之间的匹配。

因此，迫切需要提出一种能有效实现非晶合金条带纳米晶化的方法，本发明提出利用功率超声对非晶合金条带连续进行纳米晶化处理。

发明内容

本发明提出一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：在非晶合金的T_g温度以下，让功率超声装置变幅杆顶端与连续移动的非晶合金条带紧密接触，非晶合金条带一边运动变幅杆一边施加超声作用，通过控制接触压力既保证非晶合金条带能够有效获得功率超声作用，又让非晶合金条带能顺利地移动，同时调整变幅杆与非晶合金条带的接触面积，既保证在非晶合金条带运动的情况下非晶合金条带受到超声作用的时间足够长，又保证变幅杆顶端有足够高的超声功率密度，从而实现非晶合金条带的纳米晶化。

具体而言为：在非晶合金的T_g温度以下，通过弹簧压紧装置并结合其上的压紧块，将非晶合金条带压紧在功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带以10~30mm/s的速度做与超声装置变幅杆顶端平面平行的连续运动，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，超声频率为10~30kHz，作用功率为500W~2000W，功率超声装置变幅杆顶端、非晶合金条带和压紧块均放置在液体冷却介质中，必要时非晶合金条带重复进行上述过程，直到获得需要的晶体尺寸和含量。

所述的弹簧压紧装置，是通过底部压紧弹簧将压紧块作用在非晶合金条带试样上，并使非晶合金条带试样与超声变幅杆端部平面紧密结合，其压应力为500Pa~2000Pa。

所述的压紧块，其与非晶条带接触的端部为平面，具有与条带宽度一致的宽度，其与条带移动方向平行的方向上的尺寸大于等于功率超声装置变幅杆与条带移动方向平行的方向上的尺寸，为20~60mm。

所述的功率超声装置变幅杆，其端部为平面，具有与条带宽度一致的宽度，其与条带移动方向平行的方向上的尺寸为20~50mm。

所述的液体冷却介质，是指机油、硅油等常用的液体冷却介质，在加热到本发明所提温度范围内不出现明显的燃烧、发烟现象。

所述非晶合金条带的宽度为10～80 mm，厚度为20～30μm。

本发明具有如下优点：

1、操作简便，便于实现自动化生产；

2、处理温度低，可以有效避免非晶合金条带的氧化；

3、处理后的试样组织均匀性好，材料的性能稳定。

总之，通过上述方法可以成功非晶合金条带的连续纳米晶化。

附图说明

图1 非晶合金条带超声连续纳米晶化示意图；

1 冷却介质容器 2 压紧弹簧 3 压紧块 4 超声变幅杆 5 换能器 6 非晶合金条带 7 液体冷却介质

图2 镁基非晶合金条带连续纳米晶化后的SEM照片。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

处理的样品是镁基块体非晶合金条带（Mg₆₅Cu₂₅Y₁₀），条带宽度10mm，厚度20μm；在室温条件下，通过弹簧压紧装置并结合其上端部尺寸为20mm×10mm的压紧块，在500Pa的压力下将非晶合金条带压紧在端部尺寸为20mm×10mm的功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带以10mm/s的速度做与超声装置变幅杆顶端平面平行的连续运动，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，超声频率为10kHz，作用功率为500W，功率超声装置变幅杆顶端、非晶合金条带和压紧块均放置在机油中，非晶合金条带重复进行上述过程2次；图2为镁基非晶合金条带连续纳米晶化后的SEM照片，从图中可以看出，镁基非晶合金条带经过超声的连续处理后发生了晶化，生成的晶体平均尺寸为100nm。

实施例2

处理的样品是铁基块体非晶合金条带（Fe₇₈Cu₁Si_13.5B_7.5），条带宽度80mm，厚度30μm，在200℃，通过弹簧压紧装置并结合其上端部尺寸为30mm×80mm的压紧块，在1200Pa的压力下将非晶合金条带压紧在端部尺寸为30mm×80mm的功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带以20mm/s的速度做与超声装置变幅杆顶端平面平行的连续运动，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，超声频率为20kHz，作用功率为1500W，功率超声装置变幅杆顶端、非晶合金条带和压紧块均放置在硅油中，非晶合金条带重复进行上述过程5次，铁基非晶合金条带经过超声的连续处理后发生了晶化，生成的晶体的平均尺寸为80nm。

实施例3

处理的样品是锆基块体非晶合金条带（Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀），条带宽度50mm，厚度25μm，在250℃，通过弹簧压紧装置并结合其上端部尺寸为50mm×50mm的压紧块，在2000Pa的压力下将非晶合金条带压紧在端部尺寸为50mm×50mm的功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带以30mm/s的速度做与超声装置变幅杆顶端平面平行的连续运动，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，超声频率为30kHz，作用功率为2000W，功率超声装置变幅杆顶端、非晶合金条带和压紧块均放置在硅油中，非晶合金条带重复进行上述过程6次，锆基非晶合金条带经过超声的连续处理后发生了晶化，生成的晶体的平均尺寸为70nm。

Claims

1.一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：在非晶合金的T_g温度以下，让功率超声装置变幅杆顶端与连续移动的非晶合金条带紧密接触，非晶合金条带一边运动变幅杆一边施加超声作用，通过控制接触压力既保证非晶合金条带能够有效获得功率超声作用，又让非晶合金条带能顺利地移动，同时调整变幅杆与非晶合金条带的接触面积，既保证在非晶合金条带运动的情况下非晶合金条带受到超声作用的时间足够长，又保证变幅杆顶端有足够高的超声功率密度，从而实现非晶合金条带的纳米晶化。

2.如权利要求1所述的一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：在非晶合金的T_g温度以下，通过弹簧压紧装置并结合其上的压紧块，将非晶合金条带压紧在功率超声装置变幅杆顶端，非晶合金条带以10~30mm/s的速度做与超声装置变幅杆顶端平面平行的连续运动，非晶合金条带一边运动超声装置变幅杆一边对条带施加超声作用，超声频率为10~30kHz，作用功率为500W~2000W，功率超声装置变幅杆顶端、非晶合金条带和压紧块均放置在液体冷却介质中，必要时非晶合金条带重复进行上述过程，直到获得需要的晶体尺寸和含量。

3.如权利要求2所述的一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：所述的弹簧压紧装置，是通过底部压紧弹簧将压紧块作用在非晶合金条带试样上，并使非晶合金条带试样与超声变幅杆端部平面紧密结合，其压应力为500Pa~2000Pa。

4.如权利要求2或3所述的一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：所述的压紧块，其与非晶条带接触的端部为平面，具有与非晶条带宽度一致的宽度，其与条带移动方向平行的方向上的尺寸大于等于功率超声装置变幅杆与条带移动方向平行的方向上的尺寸，为20~60mm。

5.如权利要求1、2或3所述的一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：所述的功率超声装置变幅杆，其端部为平面，具有与非晶条带宽度一致的宽度，其与条带移动方向平行的方向上的尺寸为20~50mm。

6.如权利要求2所述的一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：所述的液体冷却介质，是指机油或硅油。

7.如权利要求1、2或3所述的一种对非晶合金条带连续进行纳米晶化的方法，其特征在于：所述非晶合金条带的宽度为10～80 mm，厚度为20～30μm。