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科研前瞻 | 工程结构材料大变革—非晶钢

2021-05-14 1080 次 返回

工程结构材料大变革─非晶钢

1960P.Duwez等人采用熔融急冷法制备出非晶合金薄带后,非晶态合金正式入驻材料领域。由于非晶合金中不存在传统晶体合金中固有的位错、晶界等缺陷,因而其强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能都远高于传统的晶体合金。这些优异的性能吸引了众多公司和单位的兴趣,众多新体系和优良的性能不断被发现,尤其是近二十年,大块非晶合金的制备、开发和研究取得突破性的发展。目前非晶合金的制备工艺逐渐成熟,图1为盘星新金属公司通过铜模铸造的方式成功制备的非晶系列产品。

         

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图1 盘星新金属制备的非晶系列产品

在众多的非晶体系中,Fe基非晶合金因其较高的强度、高耐蚀性、优良的软磁性能以及较强的价格优势从众多非晶合金中脱颖而出,被广泛的应用于变压器中。“非晶钢”合金概念最早由S.Joseph Poon等人在2003年提出,研究结果发现直径12mm的Fe基非晶合金的磁性转变温度远低于室温,也就是说在室温下此晶态合金呈现出无磁性特性,因此提出“Amorphous nonferromagnetic steel alloys”无磁性非晶钢合金概念。在这一研究成果中,诞生了第一个最大成型尺寸为12mm的Fe48Cr15Mo14Er2C15B6非晶钢成分。无独有偶,2004年Z.P.Lu等人提出了“Structural amorphous steel”结构非晶钢概念,因此,一般把室温下是非磁性,针对结构工程应用的Fe基块体非晶合金成为无磁非晶钢,简称非晶钢。尽管传统的晶体结构钢已被工业广泛使用,非晶钢在某些关键的结构和功能应用中仍具有取代这些晶体钢的巨大潜力。与传统的晶体材料与其他大块非晶合金体系(例如Zr基和Pd基的大块金属玻璃)相比非晶钢具有以下的优点:

①更高的强度和硬度;

②更好的磁性能;

③更高的耐磨性和耐腐蚀性能;

④更低的材料成本;

⑤更高的热稳定性(玻璃化转变温度接近或超过900 K)

图2对比了在0.5M H2SO4、0.1M Na2SO4、0.6M NaCl和1M NaOH中的非晶态(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8 B5.9)98.5Y1.5合金和商业用钢X210Cr12样品的耐腐蚀性能,从图中可以看出非晶钢耐腐蚀性能要远高于传统的商业用钢。在非晶合金中Vit1合金因其具有较高的非晶成型能力而被广泛的应用。表1对比分析了非晶钢与Vit合金及其复合材料、高氮钢、T5合金之间的机械性能,从表中可以看出非晶钢的强度要远高于其他几种材料,杨氏模量与疲劳极限也都高于其他几种材料,这表明非晶钢相比于Vit1合金与高氮钢等更不容易变形,且在相同的条件下可以服役更长的时间。

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图2 非晶钢与商业用钢的耐腐蚀性比较

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表1 非晶钢与Vit1合金、高氮钢、T5合金之间的性能比较

目前报道的非晶钢主要包括Fe-Mo-(B,C)系、Fe-Zr-B系、Fe-Cr-Co-Mo-C-B系和Fe-Mn-Cr-Mo-(Y, Ln)-C-B系,其中含Er、Y、Dy元素的非晶钢成型能力较好,临界直径达到12mm。而添加较轻的Ln系元素,例如La、Ce、Nb、Sm和Eu元素并不能明显提高玻璃形成能力,甚至有不利的一面。

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表2 含Y的Fe-Cr-Co-Mo-C-B系无磁非晶钢

在国内,中科院物理所率先开展了无磁非晶钢的研究。2005年2月骆重阳、潘明祥等人在Fe48Cr15Mo14Er2C15B6的基础上增加 Fe的含量, 相对减少 Cr,Mo,B和Er的比例,合成制备了Fe56Mn5Cr7Mol2Er2C12B6非晶钢,tmax=8mm,Tg=793K,Tx=832K,ΔT=39K,Trg=0.566;此成分的非晶钢既提高了Fe的含量,又保持了较大的非晶形成能力和热稳定性,同时减少了Cr,Mo,B这类较贵金属和类金属的用量,降低了制备成本,从而更好地将非晶钢推向实际工程应用。

非晶钢成分设计思路:

①抑制磁性效果,Mn和少量的Cr是常用来抑制铁磁性的添加元素;②降低Tl获得高Trg,添加非金属元素、Mn和难熔金属Zr、Nb、Mo来降低Tl,但添加Cr会提高Tl;③提高Tg,难熔金属的加入提高了弹性模量,增强了非晶结构的稳定性,从而提高了Tg;④拟定合金成分,考虑三种不同尺寸原子,即Fe(Mn)原子,非金属小原子和难熔金属大原子之间的配比,而最佳的大原子含量(质量分数)估计在10%左右这样的原子尺寸分布能更加强化非晶结构,因为在构成骨架的原子中,难熔大原子具有高的配位数,而非金属小原子占据其中间隙位置,这种结构能更有效的与主要组成Fe原子产生交互作用。

虽上述合金成分有较高的玻璃形成能力,但必须使用高纯元素在较高的真空度下制备,大大增加生产成本和加工的复杂性。针对这一问题,北京科技大学新金属材料国家重点实验室吕昭平团队与韩国国立庆北大学合作,采用工业生铁、工业铁合金和商业梯度纯元素,使用电弧熔炼和铜模吸铸法成功制备出临界尺寸7mm工业级Fe69.9C7.1Si3.3B5.5P8.7Al2.0Mo2.5Co1.0非晶钢,该合金表现出很强的玻璃形成能力和热稳定性,具有较低的液相线。图3和图4分别为其XRD图和热力学曲线图。

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图3直径为7mm的Fe69.9C7.1Si3.3B5.5P8.7Al2.0Mo2.5Co1.0非晶钢XRD图

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图4 Fe69.9C7.1Si3.3B5.5P8.7Al2.0Mo2.5Co1.0非晶钢的热力学曲线图

虽然无磁非晶钢的开发及研究存在成分敏感、氧化物杂质等影响严重、合成条件苛刻和Fe含量低等问题,但丝毫不影响其巨大且喜人的应用前景。大块无磁非晶钢可以用作未来海军舰船的表面防护,其无磁、强抗海水腐蚀能力、高强度的特点使得无磁非晶钢船体在反探测、服役寿命、抗打击能力方面,具有传统的晶态钢材无法比拟的优势。大块无磁非晶钢还有希望用作穿甲炮弹的弹芯,它的高强度高硬度、极其优异的抗冲击和耐蚀性能,使之有可能成为最有前途的贫铀穿甲弹的替代材料。同时大块无磁非晶钢在机械结构材料、工具材料、耐腐蚀材料、生物医学材料、运动器材材料方面都存在广阔的潜在应用前景。目前已有多家公司或单位对非晶钢进行了深入的研究,例如常州的盘星新金属有限公司具有从非晶钢成分的研发到非晶钢的制备与检测直至最后的生产的成熟路线,已成功利用工业级原材料制备多种成分和尺寸的非晶钢。因此,非晶钢将作为一种结构材料广泛的应用于各个领域。

复刻系列

各位老师是METAL LAB在科研道路上的指明灯,我们致敬所有推进非晶材料发展的各位老师,因此推出非晶钢复刻系列,愿各位老师的科研工作更进一步,硕果累累。

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基础数据:

1.棒体直径:φ3mm

2.成分:Fe Cr Mo Er C B

3.最大长度50mm

 

制备工艺:

1.熔炼Fe-Cr预熔,Fe-Mo预熔,Fe-B预熔,预熔完成后合熔,合熔完成后将剩余的C和Er放置在坩埚底部,合熔后的铸锭放在其上,然后继续熔炼成铸锭

2.吸铸熔炼均匀后,将其放置在吸铸腔进行吸铸

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