專利名稱：鐵基非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非晶態(tài)軟磁材料領域，尤其涉及一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法。
背景技術：
目前的鐵基非晶態(tài)材料主要作為軟磁材料使用。鐵基非晶態(tài)軟磁材料以其高飽和磁感強度，低鐵損、高磁導率優(yōu)異的磁性能被廣泛應用于電力電子和電子信息領域，主要應用包括中頻電源變壓器鐵芯、開關電源平滑濾波輸出電感、差模輸入電感的環(huán)形無切口鐵芯，空調、汽車音響的噪音抑制、汽車導航系統(tǒng)扼流圈的環(huán)形無切口鐵芯，空調、等離子電視中PFC功率因數(shù)校正的環(huán)形切口鐵芯，開關電源、不間斷電源等輸出電感及變壓器的高頻矩形切割鐵芯，高功率密度的變速電動機、發(fā)電機的定子及轉子等。
與晶態(tài)材料相比，非晶態(tài)軟磁材料的缺點是熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下會發(fā)生晶化，使軟磁性能發(fā)生惡化。因此在長期使用條件下，非晶態(tài)軟磁材料的工作溫度一般不宜超過100°C -150°C，這一點就限制了非晶態(tài)軟磁材料的應用范圍。因此研制具有高的熱穩(wěn)定性且好的軟磁性能的非晶態(tài)材料具有重要的研究和應用前景。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法，旨在解決傳統(tǒng)鐵基非晶態(tài)軟磁材料熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下會發(fā)生晶化，軟磁性能發(fā)生惡化的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提出了一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料，所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料的化學分子式為TexSiyBzCraMb,式中的x、y、ζ、a和b為原子百分數(shù)，其中 74彡χ彡80，1.5彡y彡4，12彡ζ彡18，2彡a彡6，2彡b彡7 ;M為W、Nb、Mo、Ta或Hf中的一種或一種以上的組合。
本發(fā)明實施例還提出了一種上訴鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，所述制備方法包括按照預定配比將原料混合，通過熔煉將所述混合后的原料制成母合金錠；利用單輥熔體旋淬法，將所述母合金錠制備成鐵基非晶合金帶材；將所述鐵基非晶合金帶材卷成環(huán)狀鐵芯，放入退火爐里進行退火處理，得到所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料。
本發(fā)明實施例提出的鐵基非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法，通過在!^eSiB系非晶合金中添加具有高熔點的元素M替代部分!^e來提高鐵基非晶態(tài)軟磁材料的晶化溫度，有效提高了鐵基非晶態(tài)軟磁材料的高溫穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法的流程圖2為原子百分比!^e78Si4B12Cr2W4的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的DSC曲線；
圖3為原子百分比!^e78Si2B12Cr3W5的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的DSC曲線；
圖4為原子百分比!^e76Si2.5B13Cr4W4.5的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的DSC曲線；
圖5為原子百分比!^e75Si2.5B13Cr4Nb5.5的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的DSC曲線。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
為了克服傳統(tǒng)非晶態(tài)軟磁材料熱穩(wěn)定性較差的缺點，本發(fā)明實施例提出的一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料，通過在FeSiB系非晶合金中添加具有高熔點的元素M替代部分狗來提高鐵基非晶態(tài)軟磁材料的晶化溫度，高熔點的元素M為Mo、W、Nb、Ta或Hf中的任意一種或任意多種。
需要說明的是，本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料中加入的M元素會使合金熔液在快速凝固過程中，M元素以單質或化合物形式從非晶合金帶材表面析出，致使非晶合金帶材表面不光滑，因此本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料中M元素的原子百分比含量控制在2 7之間。
為了克服M元素的加入導致非晶合金帶材表面質量變差這一缺點，本發(fā)明通過向合金中加入Cr元素的辦法，提高相同溫度下熔融合金的粘度，避免M元素在快速凝固過程中從非晶合金帶材表面析出，有效地提高非晶合金帶材的表面質量。本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料中Cr元素原子百分比控制在2 6之間。
需要說明的是，本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料中通過調整Si和B元素的含量和比例可以提高非晶合金帶材的形成能力。非晶形成能力不但使得帶材成功率提高，而且還是保證非晶合金材料熱穩(wěn)定性的又一指標。
B是非晶態(tài)化最強元素之一，B元素太少時，非晶形成能力很差；B元素太多時，F(xiàn)e 元素就會相應地降低，這樣就會使非晶合金帶材的飽和磁感強度變小，惡化帶材的軟磁性能。本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料中B元素的含量原子百分比控制在12 18之間。
Si元素是使非晶合金帶材保持較高居里溫度所必須的元素，但含量太多時會增加非晶合金帶材的鐵芯損耗，所以本發(fā)明實施例優(yōu)選的Si元素原子百分比在1. 5 4之間。
本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料，其化學分子式為FexSiyBzCraMb，式中的X， 又，乙，&，13為原子百分數(shù)，其中74彡1彡80，1.5彡7彡4，12彡2彡18，2彡3彡6，2彡13彡7， 且x+y+z+a+b = 100。M為W，Nb，Mo，Ta，Hf中的一種或多種的任意組合。本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料，通過添加具有高熔點的M元素替代部分!^e元素，使得鐵基非晶態(tài)軟磁材料具有高飽和磁感強度、低鐵損的同時，還具有高溫穩(wěn)定性，不但可以用于現(xiàn)有鐵基非晶態(tài)軟磁材料所涉及的領域，還可以應用于更惡劣的工作環(huán)境中，為鐵基非晶態(tài)軟磁材料進一步推廣提供了更大的平臺。
本發(fā)明實施例還提供了一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，圖1為本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法的流程圖，如圖1所示，本發(fā)明實施例的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法的具體步驟如下
101，按照預定配比將原料混合，通過熔煉將混合后的原料制成母合金錠；
本步驟中，按照原子百分比Fe (74 80)，Si (1. 5 4)，B (12 18)，CH2 6)， MQ 7)的配比將原料混合。其中原料可以為純金屬Fe、硼鐵或鎢鐵、單質Si、單質Cr、 單質B。M可以是W、Mo、Nb、Ta、Hf中的任意一種或任意多種的組合，可以采用單質W、單質 Mo、單質Nb、單質Ta、單質Hf為原料。將配比好的原料置于電弧爐中，將電弧爐抽真空后通入高純氬氣，此處通入氬氣的純度為99. 99%，通入高純氬氣的作用是保護合金熔液不被氧化。采用電磁攪拌通過電弧熔煉將原料制成母合金錠。熔煉過程中，母合金錠要反復熔煉3 次以上，使得母合金錠中各種元素混合均勻，從而保證后續(xù)生產(chǎn)的非晶合金帶材性能穩(wěn)定。
102，利用單輥熔體旋淬法，將母合金錠制備成鐵基非晶合金帶材；
本步驟中，將步驟101中得到的母合金錠放入真空感應爐內進行二次熔煉，當合金熔液的溫度達到1350°C時，將真空感應爐內抽真空后通入高純氬氣，此處通入氬氣的純度為99. 99%。將合金熔液通過噴嘴噴至旋轉的水冷銅輥上，通過急速冷卻制備成100%非晶組織的鐵基非晶合金帶材。本發(fā)明實施例中，水冷銅輥旋轉的速度根據(jù)實際需要來設定， 優(yōu)選的，水冷銅輥旋轉的速度為35m/s。本發(fā)明實施例中，合金熔液噴到水冷銅輥上的壓力根據(jù)實際需要來設定，優(yōu)選的，合金熔液噴到水冷銅輥上的壓力為1. 2MP。本發(fā)明實施例中， 噴嘴到水冷銅輥的間距根據(jù)實際需要來設定，優(yōu)選的，噴嘴到水冷銅輥的間距為0. 3mm。
將得到的鐵基非晶合金帶材利用差示掃描量熱法進行分析材料的熱穩(wěn)定性。將鐵基非晶合金帶材放入DSC儀器裝置中，慢慢將DSC儀器裝置升溫，升溫速度約在20K/min，將溫度升至1000°C，然后再以同樣的速度將溫度降下來，從而得到鐵基非晶合金帶材的DSC 曲線。
103，將鐵基非晶合金帶材卷成環(huán)狀鐵芯，放入退火爐里進行退火處理，得到鐵基非晶態(tài)軟磁材料。
本步驟中，將鐵基非晶合金帶材卷成環(huán)狀鐵芯，放入退火爐中，在退火爐中充入純度為99. 9%的氬氣，然后將鐵基非晶合金材料進行退火處理，時間約3個小時，可以得到軟磁性能優(yōu)良的鐵基非晶態(tài)軟磁材料。
本發(fā)明實施例提出的鐵基非晶態(tài)軟磁材料通過在!^eSiB系非晶合金中添加具有高熔點的元素M替代部分!^e來提高鐵基非晶態(tài)軟磁材料的晶化溫度，有效提高了鐵基非晶態(tài)軟磁材料的高溫穩(wěn)定性，其晶化溫度可以高達600°C以上；其飽和磁感應強度可以達到 BlO為1.45 1.56T，并且該材料時效前后相比其BlO波動在0.03T以內。需要說明的是， 本發(fā)明中時效前后指的是材料在常溫下為時效前，材料在200°C條件下經(jīng)200小時后為時效后；本發(fā)明中的BlO代表測量條件在磁場強度為ΙΟΑ/m情況下的磁感應強度。
具體配比一
將原料按照原子百分比!^e78Si4B12Cr2W4進行配比，將原料置于電弧爐中，抽真空后通入純度為99. 99%的氬氣，采用電磁攪拌通過電弧熔煉制成母合金錠。將母合金錠反復熔煉3次，使得母合金錠中各種元素混合均勻。然后放入真空感應爐內進行二次熔煉，當合金熔液的溫度達到1350°C時，充入純度為99. 9%的氬氣，將合金熔液通過噴嘴噴至旋轉的水冷銅輥上，通過急速冷卻制備成100%非晶組織的鐵基非晶合金帶材。制備鐵基非晶合金帶材的主要工藝參數(shù)為合金熔液溫度為1350°C ；合金熔液噴到水冷卻銅輥上的壓力為 1. 2MPa ；噴嘴到水冷銅輥的間距為0. 3mm ；水冷卻銅輥旋轉的線速度為35m/s ；制備的鐵基非晶合金帶材厚度為25 士 Ιμπι，鐵基非晶合金帶材寬度為10 士 0. 1mm。將鐵基非晶合金帶材放入DSC儀器裝置中，利用差示掃描量熱法進行分析材料的熱穩(wěn)定性，得到其DSC曲線。 然后將鐵基非晶合金帶材卷成環(huán)狀鐵芯，放入退火爐里進行退火處理，得到軟磁性能優(yōu)良的鐵基非晶態(tài)軟磁材料。經(jīng)過退火處理后的鐵基非晶態(tài)軟磁材料在200°C條件下經(jīng)200小時，對比其時效前后的軟磁性能。
圖2為原子百分比!^e78Si4B12Cr2W4的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的DSC曲線，從DSC曲線可知，原子百分比!^e78Si4B12Cr2W4的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的晶化溫度為613. 3°C。
表1為原子百分比!^e78Si4B12Cr2W4的鐵基非晶態(tài)軟磁材料時效前后的軟磁性能對比。從表1可以看出!^e78Si4B12Cr2W4的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的飽和磁感應強度可以達到BlO 為1. 55T，并且該材料時效前后的BlO波動為0. OlT0
表1為!^e78Si4B12Cr2W4鐵基非晶態(tài)軟磁材料時效前后軟磁性能變化。
權利要求
1.一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料，其特征在于，所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料的化學分子式為=FiixSiyBzCraMb，式中的X、y、ζ、a禾Π b為原子百分數(shù)，其中74彡χ彡80，1. 5彡y彡4， 12彡ζ彡18，2彡a彡6，2彡b彡7 ；M為W、Nb、Mo、Ta或Hf中的一種或一種以上的組合。
2.如權利要求1所述的鐵基非晶態(tài)軟磁材料，其特征在于，所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料的飽和磁感應強度為1. 45 1. 56T。
3.—種如權利要求1所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括按照預定配比將原料混合，通過熔煉將所述混合后的原料制成母合金錠；利用單輥熔體旋淬法，將所述母合金錠制備成鐵基非晶合金帶材；將所述鐵基非晶合金帶材卷成環(huán)狀鐵芯，放入退火爐里進行退火處理，得到所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料。
4.如權利要求3所述的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于，所述按照預定配比將原料混合具體包括將狗、Si、B、Cr和M按照原子百分數(shù)!^exSiyBzCraMb其中 74彡χ彡80，1.5彡y彡4，12彡ζ彡18，2彡a彡6，2彡b彡7的配比混合，所述M具體為 W、Nb、Mo、Ta或Hf中的一種或一種以上的組合。
5.如權利要求4所述的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于，其特征在于，所述原料為純金屬狗、硼鐵、鎢鐵、單質Si、單質Cr、單質B、單質W、單質Mo、單質Nb、單質Ta、 單質Hf。
6.如權利要求3所述的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于，所述通過熔煉將所述混合后的原料制成母合金錠具體為，在充滿氬氣的電弧爐中將所述混合后的原料制成母合金錠。
7.如權利要求3所述的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于，所述將所述母合金錠制備成鐵基非晶合金帶材之后還包括利用差示掃描量熱法測試分析所述鐵基非晶合金帶材的熱穩(wěn)定性。
8.如權利要求3所述的鐵基非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于，所述放入退火爐里進行退火處理具體為，在充滿氬氣的退火爐里進行退火處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵基非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法，所述鐵基非晶態(tài)軟磁材料的化學分子式為FexSiyBzCraMb，式中的x、y、z、a和b為原子百分數(shù)，其中74≤x≤80，1.5≤y≤4，12≤z≤18，2≤a≤6，2≤b≤7；M為W、Nb、Mo、Ta或Hf中的一種或一種以上的組合。本發(fā)明實施例提出的鐵基非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法，通過在FeSiB系非晶合金中添加具有高熔點的元素M替代部分Fe來提高鐵基非晶態(tài)軟磁材料的晶化溫度，有效提高了鐵基非晶態(tài)軟磁材料的高溫穩(wěn)定性。
文檔編號B22D11/06GK102509603SQ201110460079
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權日2011年12月31日
發(fā)明者姜桂君, 尹麗娟, 龐靖, 李曉雨 申請人:青島云路新能源科技有限公司