專利名稱：一種高韌性鐵磷基非晶合金薄帶及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性功能材料領(lǐng)域，特別涉及一種韌性優(yōu)良的鐵磷基非晶態(tài)合金薄帶及其制備方法，可廣泛用于各種鐵芯材料。
背景技術(shù)：
非晶合金具有特殊的磁性能、耐腐蝕性和機械性能，因此具有重要的商業(yè)應(yīng)用價值。然而，由于非晶合金在一定條件下的脆性，即從延展性到脆性的機械特征的急劇降低，其商業(yè)化應(yīng)用受到了限制。非晶合金的上述脆性在直觀條件下的表現(xiàn)是，利用快速凝固技術(shù)制備的非晶態(tài)合金，在某些情況下可表現(xiàn)出淬態(tài)脆性，給帶材的后續(xù)加工造成困難。非晶態(tài)合金的淬態(tài)脆性有多個方面的原因。首先，非晶合金既屬于玻璃，又屬于金屬玻璃，這種特殊性決定非晶態(tài)合金天然的脆性。其次，是可以避免的制備工藝上的原因。最后，合金元素、玻璃化元素含量和存在形式等均影響帶材的玻璃形成能力和微觀結(jié)構(gòu)，從而影響脆性。因此，理想的合金設(shè)計，能夠給非晶合金的脆性改善帶來契機。誕生的最早的鐵基非晶合金Fe-P-C (1970s),由于含P的合金導(dǎo)致制得的非晶合金發(fā)脆，大大限制了其作為潛在軟磁材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。其他的含P非晶合金，例如FePB、FeCoP, FeSiP, 二元的CoP、FeP合金等也面臨著同樣的困境。人們已經(jīng)嘗試向Fe-Si-B體系中加入Sn、S來改善因工藝因素帶來的結(jié)晶化和熱穩(wěn)定問題，但所得的帶易碎，且添加劑分布不均勻。加入P和C同樣可以提高飽和磁感應(yīng)強度，但所得到的也易碎，無法進行后續(xù)加工和使用。中國專利申請CN 1065295A公開了表達式為 Fe(re~8tiPii~i3C6~8、Fe77I1Si^3B2IPr1 A^Fe8tf83SUdtl 及其組合的含 P 兀素的非晶合金，這些合金成本低廉，性能優(yōu)異，但與上述類似，面臨著合金發(fā)脆的問題。美國專利US5958153A公布了一種P含量低于0. 1%、厚度在40-90 u m的表達式為(FeSiBC) 100_XPX的合金帶材，合金中的P以近似雜質(zhì)形式摻入。美國專利”5626690公布了一種含？元素的？6518 (0合金，合金Fe含量都在80原子％及以下，且Si含量高于10原子％，其P含量低于2原子％。這其中最主要的原因，可能是含P的非晶態(tài)合金，由于P的偏聚而導(dǎo)致脆化。但是，P元素比Si元素更促進非晶形成，是非晶形成中最重要的類金屬元素之一，且P元素成本低廉，容易獲取。因此，含P的FeP基非晶合金仍然具有重要的商業(yè)開發(fā)價值。而抑制P元素的偏聚、開發(fā)設(shè)計出韌性優(yōu)良的FeP基非晶合金，成為材料研發(fā)人員的主要目標(biāo)之一。綜上所述，目前市場上缺乏韌性良好的FeP基非晶合金及其制品，因此本領(lǐng)域仍存在對兼具優(yōu)良磁性能和韌性的FeP基非晶合金的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種FeP基非晶合金及其制備 方法，其不但具有優(yōu)良的韌性，還具備良好的塑性、優(yōu)良的磁性能和良好的非晶形成能力。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案
一種高韌性鐵磷基非晶合金薄帶，其中，所述鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c_d%，b為 2-20%, c 為 0. 5-15%, d 為 0. 5-5% 所述鐵磷基非晶合金薄帶的斷裂應(yīng)變e f在0. 02以上，韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb在150°C以上，飽和磁感應(yīng)強度Bs在I. 40T以上，矯頑力He在3. OA/m以下，損耗P11/5(l在0. 3ff/kg以下。所述鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%, b為8-15%, c為2-7%, d為0. 5-3% 所述鐵磷基非晶合金的斷裂應(yīng)變e f在0. 025以上，韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb在165°C以上，飽和磁感應(yīng)強度Bs在I. 45T以上，矯頑力He在2. 7A/m以下，損耗P11/5(l在0. 28ff/kg以下。
·
Fe被50at%以下的Co和/或Ni部分替代。Fe 可以被 5at% 以下的 Zr、Hf、W、Mo、Mn、Cr、Re、鉬族元素、稀土元素、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、Cu、S、Te、Be、Pb、Mg中的至少一種元素部分替代。P可以被5at%以下的Si、N、Sn、Ge、Ga、Al、C中的至少一種元素部分替代。一種高韌性鐵磷基非晶合金薄帶的制備方法，其中，該方法包括如下步驟(I)該鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%, b為2-20%, c為0. 5-15%, d為0. 5_5%配料為母合金；(2)將所述母合金加熱到1300°C，并將它熔化并制備成熔融合金；(3)在氣氛保護下，將所述熔融合金噴射到輥速為28m/s銅輥上快速急冷，得到寬度為5±0. 1mm、厚度為28 ± Iiim的鐵磷基非晶合金薄帶。在步驟(I)中，按照鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%, b為8-15%，c為2-7%，d為0. 5-3%配料。本發(fā)明FeP基非晶合金的合金設(shè)計依據(jù)如下，其中本發(fā)明中的元素含量均為原子百分含量Fe是磁性材料的重要元素。一方面，F(xiàn)e含量在70%以下時，因磁通密度低而不實用，另一方面，F(xiàn)e含量超過85%時，增加Fe損耗，而且熱穩(wěn)定性也惡化，所以Fe含量限定在70-85%的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，F(xiàn)e含量范圍是75%至83%。P是促進非晶形成的重要元素，其含量要滿足2%20%，更加優(yōu)選的范圍是8% ^ P ^ 15%。在類金屬元素中，P是對降低合金的飽和磁感應(yīng)強度貢獻最大的一個，P含量過高，會降低合金的飽和磁感應(yīng)強度，因此，合適的P含量低于20% ;而當(dāng)P小于2%時，P元素的促進非晶形成、抑制晶化的作用無法發(fā)揮出來。B是形成非晶態(tài)的最有用元素，當(dāng)B含量小于0. 5%時，B元素含量太低，則合金的熱穩(wěn)定性太差，且不易形成非晶態(tài)合金；而當(dāng)B含量大于15%時，則會降低合金中鐵磁性元素含量而降低合金的飽和磁感應(yīng)強度。因此，本發(fā)明的B含量在0.5-15%的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，B含量在2%至7%。M元素是最重要的改善合金韌性而添加的元素，其中M為Nb，V，Ta，Ti中的至少一種。本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向Fe-P-B三元非晶中添加適量的M元素時，合金的韌性有大幅度的提升。研究認為，這很可能歸因于M元素，均與Fe、P和B具有強烈的化學(xué)相互作用，將原有的P偏聚粒子尺寸降低，從而降低了 P元素的破壞作用。從而使得本發(fā)明的FePBM非晶合金脆化的減少，適于工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。由于M元素均為非鐵磁性元素，M元素含量超過5%時，會降低飽和磁感應(yīng)強度；而M元素含量少于0. 5%時，難以發(fā)揮M元素改善合金韌性的作用。因此，本發(fā)明的M為Nb，V，Ta，Ti中的至少一種，且M含量在0. 5_5%的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，M含量在0. 5-3%的范圍內(nèi)。本發(fā)明的鐵磷基非晶合金的制備，與常規(guī)的非晶帶材制備方法相似。即將組成本發(fā)明成分的母合金加熱到1300°C，并將它熔化并制備成熔融合金。在氣氛保護下，將熔融合金噴射到輥速為28m/s銅輥上快速急冷，得到寬度為5±0. 1mm、厚度為28±1 y m的非晶薄帶。由于韌性、脆性為非晶態(tài)合金的內(nèi)稟性質(zhì)，因此韌脆轉(zhuǎn)變受帶材厚度的影響在此可以忽略。采用下列測試方法測試本發(fā)明的鐵磷非晶合金的性能，具體如下·(I)采用平板彎曲法測量淬態(tài)非晶帶材的斷裂應(yīng)變ef非晶態(tài)合金韌性的表征有多種方法，其中最簡單的是平板彎曲法，該方法將厚度為t的非晶帶材置于兩平行板之間，縮小平板間距，使帶材彎曲。如果當(dāng)板間距為d時，帶材斷裂，則帶材的韌性用斷裂應(yīng)變來表示e f=t/ (d-t)(I)當(dāng)e f = I時，帶材完全表現(xiàn)為韌性，即對折180°不斷裂。一般情況下0〈 e f彡I。(2)韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb衡量非晶態(tài)合金脆性的另一種常用方法是，確定其韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，即韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb。在本發(fā)明中，首先將不同成分的樣品在其晶化溫度Tx以下不同溫度(例如50-400°C，每個溫度間隔10°C)等溫退火60分鐘，然后在室溫下采用平板彎曲法來確定Tdb值。韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高，表明這種非晶合金的韌性越好，脆性越差。一般鐵基非晶合金的Tdb值在室溫以上。(3)軟磁性能為了測量本發(fā)明的軟磁性能，將本發(fā)明的上述非晶帶材合金卷繞成外徑為20mm、內(nèi)徑為16mm的鐵芯。在氬氣保護下，在低于晶化溫度50K的適當(dāng)溫度，等溫退火60分鐘。損耗測量采用SY8232B-H測試儀，測試條件為磁感I. 1T，頻率為50Hz，記為P11/5(l。合金的飽和磁感應(yīng)強度Bs采用靜態(tài)磁性能測量儀，以磁場為800A/m下的磁感應(yīng)強度作為合金的飽和磁感應(yīng)強度Bs。合金的矯頑力H。采用B-H磁滯回線測試儀測得。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明非晶合金材料具有優(yōu)良的韌性、良好的塑性、優(yōu)異的軟磁性能和良好的非晶形成能力，可廣泛應(yīng)用于各種鐵芯材料；另外，合金材料的制備方法簡單，生產(chǎn)成本低廉，因此具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值。
具體實施例方式實施例I在本發(fā)明的鐵磷基非晶合金FeaPbBcMd的成分范圍內(nèi)制備一組不同的四元合金樣品，其中樣品的組成如表I所示，樣品編號1-21為根據(jù)本發(fā)明所制備的實施例，樣品編號22-31為對比例，是按照與本實施例相同的方法所制備現(xiàn)有技術(shù)中的鐵磷基非晶合金。將表I中所示組成的母合金加熱到1300°C，并將其熔化并制備成熔融合金。在氣氛保護下，將熔融合金噴射到輥速為28m/s銅輥上快速急冷，得到寬度為5±0. 1mm、厚度為28 + I u m的非晶薄帶。
根據(jù)本發(fā)明所述的測試方法，采用平板法測量淬態(tài)非晶帶材的斷裂應(yīng)變ef0經(jīng)過不同溫度退火后，確定樣品的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb。將帶材合金卷繞成外徑為20mm、內(nèi)徑為16mm的鐵芯，然后在氬氣保護下，在650K下等溫退火60分鐘，測量其軟磁性能，分別測得本發(fā)明鐵磷基非晶合金的飽和磁感應(yīng)強度Bs，矯頑力H。以及損耗P11/5(l。測試所得到的結(jié)果如表I所示。由表I可以看出，根據(jù)本發(fā)明的鐵磷基非晶合金FeaPbBeMd的實施例，即樣品1_20，其飽和磁感應(yīng)強度Bs均在I. 40T以上，矯頑力H。均在3. OA/m以下，損耗P11/5(l均在0. 30W/kg及以下，斷裂應(yīng)變e f均在0. 02以上，韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb均在150°C以上。對比不添加M元素的Fe-P-B三元合金，即對比例22-31可以看出，本發(fā)明的實施例在韌性和軟磁性能上，均明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中的對比例。表I本發(fā)明實施例與對比例的鐵磷基非晶合金的組成及性能測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種高韌性鐵磷基非晶合金薄帶，其特征在于所述鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c_d%，b為 2-20%, c 為 0. 5-15%, d 為 0. 5-5%
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磷基非晶合金薄帶，其特征在于所述鐵磷基非晶合金薄帶的斷裂應(yīng)變e {在0. 02以上，韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb在150°C以上，飽和磁感應(yīng)強度Bs在I. 40T以上，矯頑力He在3. OA/m以下，損耗P11750在0. 3ff/kg以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磷基非晶合金薄帶，其特征在于所述鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%, b 為 8-15%, c 為 2-7%, d 為 0. 5-3%
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鐵磷基非晶合金薄帶，其特征在于所述鐵磷基非晶合金的斷裂應(yīng)變4在0.025以上，韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tdb在165°C以上，飽和磁感應(yīng)強度Bs在I. 45T以上，矯頑力He在2. 7A/m以下，損耗P11/5(l在0. 28ff/kg以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的鐵磷基非晶合金薄帶,其特征在于Fe被50at%以下的Co和/或Ni部分替代。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的鐵磷基非晶合金薄帶，其特征在于Fe可以被5at%以下的 Zr、Hf、W、Mo、Mn、Cr、Re、鉬族元素、稀土元素、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、Cu、S、Te、Be、Pb、Mg中的至少一種元素部分替代。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的鐵磷基非晶合金薄帶，其特征在于P可以被5at%以下的Si、N、Sn、Ge、Ga、Al、C中的至少一種元素部分替代。
8.—種如權(quán)利要求I所述的高韌性鐵磷基非晶合金薄帶的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)該鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%, b為2-20%, c為0. 5-15%, d為0. 5-5%配料為母合金； (2)將所述母合金加熱到1300°C，并將它熔化并制備成熔融合金； (3)在氣氛保護下，將所述熔融合金噴射到輥速為28m/s銅輥上快速急冷，得到寬度為5±0. 1mm、厚度為28 ± Iiim的鐵磷基非晶合金薄帶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于在步驟(I)中，按照鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBeMd,其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%, b 為 8-15%, c 為 2-7%, d 為 0. 5-3% 配料。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁性功能材料領(lǐng)域，特別涉及一種高韌性鐵磷基非晶態(tài)合金薄帶及其制備方法，所述鐵磷基非晶合金的化學(xué)式為FeaPbBcMd，其中M為Nb，V，Ta和Ti中的至少一種，按原子百分比，式中a為100-b-c-d%，b為2-20%，c為0.5-15%，d為0.5-5%。該鐵磷基非晶合金的斷裂應(yīng)變εf在0.02以上，韌脆轉(zhuǎn)變溫度TDB在150℃以上，飽和磁感應(yīng)強度Bs在1.40T以上，矯頑力Hc在3.0A/m以下，損耗P11/50在0.3W/kg以下。本發(fā)明的鐵磷基非晶合金還具有良好的塑性、優(yōu)異的軟磁性能和良好的非晶形成能力，可廣泛用于各種鐵芯材料，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值。
文檔編號B22D11/06GK102787281SQ201210298549
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者周少雄, 張淑蘭, 李德紅, 董幫少, 陳文智 申請人:安泰科技股份有限公司