專利名稱：高性能鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料中軟磁合金的技術(shù)領(lǐng)域，具體地講是涉及一種具有優(yōu)異軟磁性能寬退火溫度區(qū)間的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
1988年Yoshizawa研制出了 FINEMET鐵基納米晶軟磁合金，從此掀開了軟磁合金的發(fā)展史上新的一頁。學(xué)術(shù)和工業(yè)界對這種具有優(yōu)異軟磁性能的新型合金展開了廣泛而深入的研究，鐵基納米晶軟磁合金優(yōu)異的軟磁性能歸因于非晶基體及基體上均勻分布納米晶粒這種特殊的雙相復(fù)合結(jié)構(gòu)，納米晶粒通過晶粒間的非晶基體交換耦合作用有效地降低了 合金的磁晶各向異性能，與旋淬態(tài)的非晶帶材相比較，經(jīng)過退火處理后，部分晶化的鐵基非晶/納米晶帶材軟磁性能有了極大的改善。自從鐵基納米晶軟磁合金問世以來，數(shù)十種合金體系已被開發(fā)出來，其中一些已經(jīng)得到了很好的工業(yè)應(yīng)用，展示出了傳統(tǒng)軟磁合金無法比擬的綜合軟磁性能，尤其表現(xiàn)在基于鐵基納米晶軟磁合金的器件損耗的降低和系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的提高。但是鐵基納米晶軟磁合金由于其生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)的軟磁合金(如軟磁鐵氧體、硅鋼片等)高，非晶前驅(qū)體的連續(xù)生產(chǎn)穩(wěn)定性不高，與此同時一些合金體系窄的退火溫度區(qū)間使非晶帶材在實際的批量生產(chǎn)過程中受退火設(shè)備的影響較大，次品率較高，而目前大的退火爐很難保證溫度場的均一性，爐腔內(nèi)數(shù)十度的溫度差往往是不可回避的事實，許多中小型企業(yè)由于其生產(chǎn)設(shè)備較落后，技術(shù)資源不足，生產(chǎn)出的納米晶軟磁帶材質(zhì)量穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重制約了具有鐵基軟磁納米晶合金推廣應(yīng)用。然而，目前多數(shù)納米晶軟磁合金都含有硼元素，硼元素在實際的生產(chǎn)過程中是以硼鐵的形式加入的，較之鐵碳合金硼鐵價格要貴得多，如果能用在元素周期表中與硼近鄰元素碳代替硼，將大大降低鐵基非晶帶材的生產(chǎn)成本。從理論上講，碳比硼更有利于提高體系的非晶形成能力，因為根據(jù)日本材料科學(xué)家井上非晶制備三原則，具有較強(qiáng)非晶形成能力的體系必須具備以下三個特征1.含有三種或三種以上的元素；2.組成元素間的原子半徑差值要大；3.各組元之間要有負(fù)的混合焓。根據(jù)該非晶形成經(jīng)驗判據(jù)，首先B的原子半徑為O. 095 nm,而C的原子半徑為O. 086 nm,僅從原子尺寸上看，C代替B可使組成元素的半徑差值更大，大的原子尺寸差可使原子排列堆積更加密集，阻止原子的擴(kuò)散重排，進(jìn)而阻止液體金屬冷卻過程中的成核結(jié)晶。再次,從電負(fù)性的角度來看，B和Fe的混合焓為-26kJ/mol，而C和Fe的混合焓為-50kJ/mol，由此可見C具有比B更強(qiáng)的與鐵結(jié)合力，這種較強(qiáng)的結(jié)合力更有利于形成穩(wěn)定的化學(xué)短程結(jié)構(gòu)，使合金體系在由液態(tài)冷卻的過程中更容易形成非晶。但是目前的主流鐵基軟磁帶材如(1K107)其退火溫度較高(535° C)，保溫時間較長(lh)，如果用C代替B，則會在退火時生成NbC和Fe3C,相反彌散分布的NbC和Fe3C相的析出將會釘扎磁疇從而惡化了其軟磁性能。因此要想成功開發(fā)出含碳的鐵基納米晶軟磁帶材，首先必須保證所研制的非晶體系具有退火時保溫溫度低、退火時間短這樣的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本較低的具有優(yōu)異軟磁性能的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于該鐵基納米晶軟磁合金化學(xué)成分表示為FeaPbCeSidAleCrfCug,其中a、b、C、d、e、f為所對應(yīng)組分的原子百分?jǐn)?shù)，變化范圍b=4 10, c=5 9, d=0 6, e=0. 5 I, f=0. 3 O. 5, g=0_2, a= (100-b-c-d-e-f-g)。優(yōu)選方案所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于b=6 8, c=5 7, d=3飛，e=0. 5 I, f=0. 3 O. 5, g=0. 5 I. 5, a= (100-b-c-d-e-f-g)。所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于包括以下過程步驟一、按照合金成分進(jìn)行配料并熔煉成成分均勻的母合金；步驟二、將母合金加熱到熔融狀態(tài)，通過噴嘴噴射到銅輥上進(jìn)行快速冷卻制備非晶薄帶;步驟三、將快淬得到的非晶薄帶在真空退火爐中退火，保溫溫度區(qū)間30(T40(TC，時間2 5min。本發(fā)明成分體系之所以能在較低的退火溫度和較短的保溫時間下得到均勻分布的納米晶粒在于本成分體系同時加入了 P和Cu，由熱力學(xué)可知Fe和Cu的混合焓Λ H是正的(13kJ/mol)，Ρ和Cu的混合焓Λ H是負(fù)的(-9kJ/mol)，這意味著Fe和Cu之間存在著斥力，P和Cu之間存在著引力。那么在旋淬的過程中會在非晶基體上均勻分布著富含P和Cu的微區(qū)，這些微區(qū)的周圍Fe含量較高成為退火時形成納米晶α -Fe的潛在核心，通過快速升溫短時間保溫的退火工藝可以使該非晶合金在較短和相對較低的溫度下晶化出均勻分布的納米晶粒。Si的加入在提高合金非晶形成能力的同時，還可有效地擴(kuò)寬退火溫度區(qū)間，C的加入增加了合金的非晶形成能力，Al的加入除了提高非晶形成能力外，還可以在退火后在表面形成Al2O3保護(hù)層，降低了退火時的對真空度和保護(hù)氣氛的要求。Cr的加入可以在提高鐵基納米晶軟磁合金帶材的電極電位，提高其在使用過程中的抗腐蝕能力。且本體系制得的非晶帶材具有較好的非晶形成能力，優(yōu)異的退火工藝性能，較寬的退火溫度區(qū)間可以保證該非晶合金帶材批量生產(chǎn)中退火時性能的穩(wěn)定性本發(fā)明鐵基納米晶軟磁合金不含有貴重的Nb、W、Zr、B等元素，原料成本相對低廉，少量Al和Cr的加入提高了非晶帶材在制備和熱處理過程中的抗氧化能力及使用過程中的抗腐蝕性能。本合金體系具有較強(qiáng)的非晶形成能力，在退火過程中較寬的退火溫度區(qū)間可以大大降低退火后產(chǎn)品的次品率。同時本發(fā)明的實施例在熱處理過程中均采用隨爐升溫和隨爐降溫的熱處理工藝，沒有采用一般預(yù)研試驗保溫后快速冷卻的工藝，本退火工藝更接近生產(chǎn)實踐。最終結(jié)果表明在合適的退火工藝條件下，本合金成分體系的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs最高可達(dá)到I. 76Τ，矯頑力Hc最低可以達(dá)到O. 7 A/m，可獲得具有優(yōu)異軟磁性能的鐵基納米晶帶材。因此，本發(fā)明合金更適合規(guī)模生產(chǎn)，可取代現(xiàn)有的硅鋼片和鐵基非晶、納米晶軟磁合金應(yīng)用于電力電子變壓器、互感器等領(lǐng)域。


附圖I為本發(fā)明在最優(yōu)成分區(qū)間制備的實施例1、2、3，即Fe8tlP7C5Si6Al1Cra5Cuc^Fe78.5P6C7Si6Al0.5Cr0.5CuL5, Fe8a7P8C6Si3Al1Cra3Cu1納米晶軟磁合金及作為對比例的工業(yè)上廣泛應(yīng)用的FINEMET合金(Fe73.5Si13. ^9Nb3Cu1)的磁滯回線。縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B⑴，橫坐標(biāo)為磁場強(qiáng)度H(kA/m)。為了清楚地得出各個實施的例的矯頑力H。，附圖I的插圖給出了各實施例在坐標(biāo)原點(diǎn)附近的磁滯回線放大圖；附圖2為各實施例與對比例的軟磁性能對照表；
具體實施例方式下面通過幾組實施例和一組對比例(FINEMT合金)的制備及性能檢測來對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不僅僅限于這些實施例。在本發(fā)明鐵基納米晶軟磁合金的成分范圍內(nèi)，我們制備了多組實施例，其中具有代表性的3組實施例及對比例成分配比見附圖2。實施例及對比例的制備工藝以及性能檢測方法如下(I)按圖 2 的成分配比稱取純度大于 99. 9% 的 Fe、P_Fe、C_Fe、B_Fe、Si-Fe、Cr-Fe、Cu、Al、Nb 原料；(2)將配制好的原料放入電弧爐中，抽真空至5X 10_3Pa以下，先將吸氧Ti塊融化耗盡殘留腔內(nèi)的氧氣，然后反復(fù)將各個試樣熔煉4飛遍，并在熔煉的過程中施加電磁攪拌，保證組分分布均勻，然后將熔煉好的母合金破碎，用蒸餾水、酒精清洗干凈，然后放入石英玻璃管中。(3)采用旋淬設(shè)備制備非晶薄帶將裝有母合金的石英玻璃管固定在輥輪上方，抽真空至6 X KT3Pa以下，充入氬氣，將母合金感應(yīng)加熱到高溫熔融狀態(tài)，通過噴嘴在氬氣所產(chǎn)生的壓力作用下噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上進(jìn)行快速冷卻制備非晶薄帶，輥輪表面線速度為40m/s。 (4)退火晶化法制備納米晶軟磁合金將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護(hù)下進(jìn)行晶化退火。實施例Fei^5P4C9Si4Al1Cra5的退火條件為400°C，保溫時間3min ;實施例Fe8I2P8C6Si2Ala5Cra3Cu1的退火條件為350°C，保溫時間2min ;實施例Fe78.5P10C9Al0.5Cr0.5CuL5 的退火溫度 300°C，保溫時間 2min ;實施例 Fe8a5P6C5Si6Al1Cra5Cu1的退火溫度340°C，保溫時間3min ;實施例Fe83P6C7Si1Ala7Cra3Cu2的退火溫度310°C，保溫時間5min ;實施例Fe80P7C5Si6Al1Cr0.5Cu0.5的退火溫度380°C，保溫時間3min ;實施例Fe78.5P6C7Si6Al0.5Cr0.5CuL5 的退火溫度 300°C，保溫時間 5min ;實施例 Fe8a7P8C6Si3Al1Cra3Cu1的退火溫度350°C，保溫時間2min ;對比例Fe73.5Si13.^Nb3Cu1的退火條件為535°C，保溫時間 60min。(5)保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫。(6)采用軟磁直流測量設(shè)備測試納米晶軟磁合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和矯頑力
H。，最大測量場8000A/m，采用阻抗分析儀測量納米晶軟磁合金的磁導(dǎo)率(測量頻率1kHz，測量磁場O. 4A/m)，采用交流B-H回線儀測量納米晶磁環(huán)退火后的損耗(測量頻率50Hz，最大測量磁感應(yīng)強(qiáng)度1T)。各實施例及對比例退火后的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、H。、μ—W見圖2。從圖2可以看出本發(fā)明鐵基納米晶軟磁合金與目前典型的FINEMET(Fe7I5Si115B9Nb3Cu1)軟磁合金相比,不含有貴重的Nb、W、Zr、B等元素,用相對比較廉價的P和C來代替昂貴的B，因此本發(fā)明合金成分有著相對低廉的成本優(yōu)勢。本發(fā)明鐵基納米晶軟磁合金的Bs最高達(dá)I. 76 T，H。最低達(dá)0.7 A/m，最優(yōu)實施例的磁導(dǎo)率μ e和損耗W與對比例相當(dāng)，盡管最優(yōu)實施例的磁導(dǎo)率明顯低于對比例，但是其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs明顯高于對比例，而且成本低廉，退火能耗低，特別在目前全社會在提倡構(gòu)建資源能源節(jié)約型環(huán)境友好型社會的今天，該合金體系具有廣闊的應(yīng)用前景。 由此可見，本發(fā)明鐵基納米晶軟磁合金具有成本相對較低、軟磁性能優(yōu)、退火工藝性能好的優(yōu)點(diǎn)，更適合規(guī)模生產(chǎn)，在電力電子變壓器、互感器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于該鐵基納米晶軟磁合金化學(xué)成分表示為FeaPbCeSidAleCrfCug,其中a、b、C、d、e、f為所對應(yīng)組分的原子百分?jǐn)?shù)，變化范圍b=4 10, c=5 9, d=0 6, e=0. 5 I, f=0. 3 O. 5, g=0_2, a= (100-b-c-d-e-f-g)。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于b=6 8,0=5^7, d=3 6,e=0. 5 I, f=0. 3 O. 5, g=0. 5 I. 5, a= (100-b-c-d-e-f-g)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于該鐵基納米晶軟磁合金化學(xué)成分為=Fe8h5P4C9Si4Al1Cra5 ；或Feia2P8C6Si2Ala5Cra3Cu1 ；或 Fe78 5PltlC9Alci 5Crci 5Cu15 ;或 Fe8tl 5P6C5Si6Al1Crtl 5Cu1 ;或 Fe83P6C7Si1Al0 7Cr0 3Cu2 ;或Fe80P7C5Si6Al1Cr0^Cu0.5 ;或 Fe78 5P6C7Si6Alci 5Crtl 5Cu15 ;或 Fe80. ^8C6Si3Al1Cr0.3Cu10
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于包括以下過程 步驟一、按照合金成分進(jìn)行配料并熔煉成成分均勻的母合金； 步驟二、將母合金加熱到熔融狀態(tài)，通過噴嘴噴射到銅輥上進(jìn)行快速冷卻制備非晶薄帶; 步驟三、將快淬得到的非晶薄帶在真空退火爐中退火，保溫溫度區(qū)間30(T40(TC，時間2 5min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高性能鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法，屬于功能材料中軟磁合金的制備領(lǐng)域。其特征在于該納米晶軟磁合金的化學(xué)成分可表示為FeaPbCcSidAleCrfCug，其中a、b、c、d、e、f為所對應(yīng)組分的原子百分?jǐn)?shù)，變化范圍b=4~10，c=5~9，d=0~6，e=0.5~1，f=0.3~0.5，g=0-2，a=(100-b-c-d-e-f-g)。按照本發(fā)明的成分配比要求并利用旋淬法制備的軟磁非晶薄帶具有良好的非晶形成能力和退火工藝性能，特別在較寬的退火溫度區(qū)間內(nèi)都能保持較低的矯頑力，本發(fā)明制得的納米晶軟磁合金因其相對廉價的成本和優(yōu)異的軟磁性能優(yōu)勢具有巨大的潛在應(yīng)用前景。
文檔編號H01F1/147GK102945719SQ20121037586
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者王寅崗, 陳夫剛 申請人:南京航空航天大學(xué)