[发明专利]一种高硬度铁基非晶合金及其制备方法

说明书

本发明公开一种高硬度铁基非晶合金及其制备方法，包括第一步，母体合金锭熔炼，称取设定原子百分比的金属Fe、Fe‑B中间体合金及Nb、Y、Ti金属，在惰性气体的环境下熔炼成母体合金锭；第二步，母体合金锭熔化，将母体合金锭熔化为液态；第三步，高硬度铁基非晶合金制备，将熔化为液态的母体合金锭熔体喷射到通有冷却水且高速旋转的铜辊上，在离心力作用下甩出的即为最终的高硬度铁基非晶合金。通过B的加入可以促进非晶相、纳米晶相的形成。同时B元素对合金组织还能起到固溶强化和弥散强化作用，它可以与其它元素生成化合物以硬质相弥散分布在非晶中，提高非晶的硬度和耐磨性。

技术领域

本发明属于金属材料和非晶材料制备技术领域，具体涉及一种高硬度铁基非晶合金及其制备方法。

背景技术

低渗透油气田开发中，通过水力压裂改造储层是增加油气井产量的有效技术手段。水力压裂是指利用地面高压泵注系统将携有支撑剂（石英砂或陶粒）的压裂液体系打入地层，通过压力（可达70MPA）将地层压开裂缝形成高导流油气通道的过程，支撑剂起到支撑裂缝作用。压裂施工过程中携带支撑剂的高流速液体会对相应井下工具产生严重的冲蚀磨损，导致工件寿命降低。因此，如何提高井下工具的抗冲蚀性能，是油气开采领域亟需解决的问题。与传统合金相比，非晶合金原子排列呈长程无序、短程有序，因此在微观结构中不存在晶界、位错等缺陷，导致其具有许多常规材料不可比拟的优异性能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、抗磨损等。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硬度铁基非晶合金及其制备方法，以提高工件的使用寿命，降低施工成本

本发明的目的是通过以下技术手段实现的，一种高硬度铁基非晶合金，所述铁基非晶合金化学通式为（Fe_aB_bY_c）_xNb_yTi_z，其中70≤a≤75，20≤b≤25，2≤c≤6，92≤x≤96，1≤y≤5，1≤z≤3，a+b+c＝100，x+y+z=100。

进一步的，所述铁基非晶合金热力学特征参数为：玻璃化转变温度T_g：840～900K，晶化温度T_X：900～970K，玻璃化转变激活能E_g：400-650 KJ/mol，晶化转变激活能E_x：400-850 KJ/mol，力学性能参数为：纳米压痕测得硬度大于10GPa。

高硬度铁基非晶合金的制备方法，包括以下步骤：

第一步，母体合金锭熔炼，称取设定原子百分比的金属Fe、Fe-B中间体合金及Nb、Y、Ti金属，在惰性气体的环境下熔炼成母体合金锭；

第二步，母体合金锭熔化，将母体合金锭熔化为液态；

第三步，高硬度铁基非晶合金制备，将熔化为液态的母体合金锭熔体喷射到通有冷却水且高速旋转的铜辊上，在离心力作用下甩出的即为最终的高硬度铁基非晶合金。

进一步的，所述第一步中，母体合金锭熔炼的具体方法为，将原材料在惰性气体的环境下放入电弧炉内熔炼，反复熔炼三次以上，冷却获得母体合金锭。

进一步的，所述第二步中，母体合金锭熔化的具体方法为，将母体合金锭破碎后，放入底部开有小孔的石英管中，在惰性气体的环境下通过电磁感应加热使破碎的母体合金锭液化。

进一步的，所述第三步中，高硬度铁基非晶合金制备的具体方法为，将底部开有小孔的石英管中液态的母体合金锭熔体，在气体压力下，由底部小孔喷射到通有冷却水且高速旋转的铜辊上，在离心力作用下甩出的即为最终的高硬度铁基非晶合金。

进一步的，所述第一步中，金属Fe、Fe-B中间体合金及Nb、Y、Ti金属的纯度均≥99.9%。

进一步的，所述铜棍的转速为1800-2500 r/min。