CN101183583A - 一种制备高频用含氧软磁薄带的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于，包括如下步骤：A.采用中频感应加热法制备FexMyBmOn母合金，其中M选自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一种，55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30；B.将母合金切割成块状，封装入套有石英玻璃管的氧化锆坩埚内，进行真空处理；C.使用中频感应加热石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入氩气，采用单辊熔体旋冷的方法喷制FexMyBmOn薄带；D.对薄带进行去应力退火处理。采用本发明中的工艺方法，在获得高频性能优良的铁基软磁薄带的同时，大大简化工艺，降低成本，有利于批量化生产和应用的推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备高频用含氧软磁薄带的方法。
背景技术
作为信息功能材料的磁性材料，是一种用途广泛的基础功能材料，而软磁材料则是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。软磁材料的性能常因应用而异，但通常希望材料的磁导率μ要高、矫顽力Hc和损耗Pc要低。软磁材料主要有以金属软磁材料(硅钢片、坡莫合金等)和铁氧体软磁材料(如MnZn系、NiZn系和MgZn系等)为代表的晶体材料，非晶态软磁合金(主要分为Fe基和Co基两种)以及近年来发展起来的纳米晶软磁合金(如Finemet)、纳米粒状组织软磁合金、纳米结构软磁薄膜和纳米线等等。金属软磁材料的饱和磁感应强度Bs远高于铁氧体材料，非晶、纳米晶材料的Bs虽与金属软磁材料相差不大，但它的矫顽力Hc要小得多。与晶态材料相比，非晶态材料通常具有高强度、高耐腐蚀性和高电阻率的特性，Fe基非晶态合金通常具有较高的Bs，FeNi基非晶态合金通常具有较高的μ值，而Co基非晶态合金通常具有低的饱和磁致伸缩系数λs。纳米晶合金的综合性能最好，且不存在非晶态合金老化的问题，所以很快得到了广泛的应用。
随着21世纪信息技术和电子产品数字化的发展，现代电子工业的生产已经全面进入自动化阶段，信息技术将朝着小型化和轻型化方向发展，从而促进了元件的集成化和微型化，电感、线圈趋向小型化、片式化。电感器是片式化较为迅速的电子元件之一，当电感器微型化时，通常采用表面贴装技术，相应的也就要求，磁芯软磁材料设计成低高度和薄膜化的磁性元件。同时，电感的微型化还要求磁芯材料在高频条件(MHz～GHz)下仍保持稳定的软磁性能，因此要求磁芯材料具有如下的物理性能，以获得优越的器件性能：①高磁导率μ来获得大电感量；②高饱和磁感应强度Bs以保证高饱和电流；③低的矫顽力Hc，Hc值越低，其损耗越小；④高电阻率ρ以降低涡流损耗。传统的铁氧体材料虽然有很高的磁导率，但是高频下性能下降，损耗大，因而不能适应高频下微型元器件的要求，新型的非晶、纳米晶薄膜材料具有饱和磁感应强度高、磁导率高，矫顽力低等优良的综合性能，在KHz范围内能很好的满足电子元件的使用要求，但在MHz频率范围下，磁导率和电阻率等性能仍不能达到要求，因此还有待于新的高频软磁材料的研究。
近年来，对软磁材料高频化的要求有的已高达数百MHz乃至1GHz的频带域，可满足这种要求的一种材料便是新开发成功的由铁磁金属与绝缘体微粒在纳米级混合而成的高电阻软磁薄膜，称之为金属-非金属纳米颗粒薄膜，这种金属-非金属纳米颗粒结构薄膜的电阻率很高(～1000μΩ·cm)，作为超高频用电感器的磁芯，弥补了铁氧体材料的缺点，还可望用于磁记录密度超过10Gbit/in2的超高密度磁记录用磁头，以及超高频电源变压器和滤波器用薄膜磁芯。由金属颗粒嵌镶在氧化物绝缘介质中所组成的Fe-(Co)-M-O(M＝Hf，Zr，Ti，V，Nb，Y，Cr，W，B，Al，Ce，Nd，Dy，等)金属-氧化物纳米颗粒薄膜的使用频率可到MHz，在100MHz下其品质因数仍高达15。新近开发成功的由金属-非金属组成的(Fe，Co)-(B，Si，Hf，Zr，Al，Mg)-(F，O，N)系纳米结构颗粒薄膜等一系列软磁材料，作为超高频用电感器的铁芯，可用于数百MHz乃至1GHz的频带域。目前这种材料的主要制备方法是溅射法，电解电镀法等，但这些制备工艺比较复杂，过程不易控制，且耗能大，不利于大规模生产的实现。因此如果能实现制备这种材料的更简单的工艺，将大大推动这种高频用软磁材料的发展，以及相关微型电子元器件的发展和应用。
发明内容
本发明根据现有技术中的不足，提供一种工艺简单，制备过程容易控制，且耗能小，利于生产应用的制备高频用含氧软磁薄带的方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、采用中频感应加热法制备FexMyBmOn母合金，其中M选自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一种，55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30；
B、将母合金切割成块状，封装入套有石英玻璃管的氧化锆坩埚内，进行真空处理；
C、使用中频感应加热石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入氩气，采用单辊熔体旋冷的方法喷制FexMyBmOn薄带；
D、对薄带进行去应力退火处理。
其中：所述的步骤A中，以纯铁、四氧化三铁粉、M的块材、硼铁为原料，按预制合金组分配制母合金原料。
其中：步骤A中，采用中频感应加热，加热功率为5～20kW。
其中：步骤B中，使用线切割机将母合金切成大小约1cm3的小块，并用抛光机和丙酮液对表面进行抛光清洁处理。
其中：步骤B中，石英玻璃管的内部套有氧化锆坩埚。
其中：步骤B中，石英管底部嵌入氮化硼喷嘴。
其中：步骤B中，石英玻璃管内的真空度为10-3～10-4Pa。
其中：步骤C中，采用中频感应加热设备熔融石英管内的母合金，加热功率为5～20kW。
其中：步骤C中，加热过程中采用的保护气氛为氩气。
其中：步骤C中，喷带过程中采用的氩气压强为10～20kPa。
其中：步骤C中，冷却方式为高速旋转的水冷铜辊，辊速为20～30转/秒。
其中：步骤D中，采用真空退火炉对薄带进行退火处理，退火温度为250～350℃，保温时间为0.5～1小时，然后随炉冷却至100～150℃后空冷至室温。
上述的方法中，预制的母合金经过适当温度退火后，Fe以bcc结构的纳米晶微晶形态存在，是铁磁相，M和B，O存在于非晶相中，M的作用是细化晶粒，并夺取合金中的氧形成氧化物，B的作用是增大非晶形成能力，O与M形成氧化物，提高薄带的电阻率，降低涡流损耗，从而增强薄带的高频软磁性能。步骤A中采用的母合金原料为纯铁、Fe3O4粉、M的块体材料和硼铁合金，熔炼方式为中频感应加热，利用电磁感应加热的集肤效应使材料表面迅速加热达到高温，同时中频感应加热的振荡效应能在加热的同时搅拌熔体便于获得成分均匀的母合金。
上述的步骤B中，将母合金切成小块是为了增大合金表面积，利于快速加热熔化。采用的石英玻璃管的下端套入一氧化锆坩埚，其目的是避免熔炼过程中温度过高使玻璃管破裂。石英玻璃管上端有一带有导管的活塞，通过导管可以对石英玻璃管进行抽真空处理和加保护气氛处理。在对母合金进行加热前对石英管进行抽真空处理，防止杂质混入合金中，真空度约为10-3～10-4Pa。
上述的步骤C中，利用中频感应加热方式，通过调节感应线圈中的电流电压来控制加热功率，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到20 kW左右，直至合金完全熔化。合金完全熔化后要持续加热3～5分钟，使熔体在感应电流的作用下充分搅拌均匀，然后向石英玻璃管中通入氩气，当气压达到10～20kPa时，熔体在气体压力作用下克服表面张力经石英管下端的喷嘴喷射到下方高速旋转的水冷铜辊表面，熔体与铜辊表面接触的瞬间迅速凝固并在铜辊转动的离心力作用下以薄带的形式向前抛射出来，从而获得FexMyBmOn薄带，M选自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一种；55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30。
上述的步骤D中，由于薄带的形成是通过高温状态下合金材料急速冷却实现的，冷却过程中通过居里点时，由饱和磁致伸缩产生的晶格畸变以及杂质元素所引起的基体晶格畸变会导致材料内部产生内应力，因而需要通过后续的退火处理来消除内应力，退火温度在晶化温度以下。本发明中根据材料成分的热力学性能，将退火工艺定为250～350℃下保温0.5～1小时，随炉冷却至100～150℃后空冷至室温。
本发明的关键在于上述步骤C中使用简单的中频感应加热单辊旋转快速冷却的方法。合金成分中因为加入了氧以提高铁基软磁材料的高频性能，而最终的微观结构中仍然要保持bcc-铁相结构，因此必须通过M这种夺氧能力强的元素来夺取合金中的氧形成氧化物，而形成的氧化物如果不经过充分搅拌将容易悬浮在熔体表面成为渣体，因此在采用感应加热的过程中应适当的延长加热时间，使熔体充分搅拌均匀，以保证最终获得的薄带中含有足够含量的氧化物相。
本发明的有益效果：目前制备含氧的铁基高频软磁微尺寸材料的方法大多是溅射法、电镀法等，工艺复杂，制备过程不易控制，且耗能大，不利于生产应用，采用本发明中的工艺方法，在获得高频性能优良的铁基软磁薄带的同时，大大简化工艺，降低成本，有利于批量化生产和应用的推广。
附图说明
图1实施例1制备的Fe60Nb10B5O25薄带的XRD衍射图谱；
图2实施例2制备的Fe60Zr10B5O25薄带的XRD衍射图谱。
具体实施方式
实施例1
以纯铁、四氧化三铁、纯铌、硼铁(Fe82.73B17.67)为原料，按质量分数分别为21.3％，30.5％，19.6％，28.6％配制成分熔炼Fe60Nb10B5O25的母合金，然后将母合金切割成大小约1cm×1cm×1cm的立方小块，用抛光机进行表面抛光处理后用丙酮溶液进行表面清洁处理，然后封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至1×10-4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，合金完全熔化后继续加热3分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英管内通入氩气，氩气压强为15kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快速喷射到辊速为20转/秒的高速旋转的铜辊上，快速凝固得到宽1cm厚度约为30μm的薄带。对薄带进行真空热处理，在300℃下保温一小时后，随炉冷却至125℃然后空冷至室温，获得含有纳米尺寸的bcc铁(α-Fe)相、少量Fe3B和含Nb2O5的非晶相的混合结构。
实施例2
以纯铁、四氧化三铁、纯锆、硼铁(Fe82.73B17.67)为原料，按质量分数分别为21.4％，30.6％，19.3％，28.7％配制成分熔炼Fe60Zr10B5O25的母合金，然后将其切割成大小约1cm×1cm×1cm的立方小块，用抛光机进行表面抛光处理后用丙酮溶液进行表面清洁处理，然后封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至5×10-4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到20kW，合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英管内通入氩气，氩气压强为15kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快速喷射到辊速为25转/秒的高速旋转的铜辊上，快速凝固得到宽1cm厚度约为22μm的薄带。对薄带进行真空热处理，在350℃下保温半小时后，随炉冷却至150℃然后空冷至室温，获得含有纳米尺寸的bcc铁(α-Fe)相、少量Fe3B和含ZrO2的非晶相的混合结构。
实施例3
以纯铁、四氧化三铁、纯钛、硼铁(Fe82.73B17.67)为原料，按质量分数分别为9.34％，26.74％，19.9％，44.02％配制成分熔炼Fe55Ti18B7O20的母合金，然后将其切割成大小约1cm×1cm×1cm的立方小块，用抛光机进行表面抛光处理后用丙酮溶液进行表面清洁处理，然后封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至1×10-4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到20kW，合金完全熔化后继续加热4分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英管内通入氩气，氩气压强为10kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快速喷射到辊速为25转/秒的高速旋转的铜辊上，快速凝固得到宽1cm厚度约为25μm的薄带。对薄带进行真空热处理，在350℃下保温半小时后，随炉冷却至150℃然后空冷至室温，获得含有纳米尺寸的bcc铁(α-Fe)相、少量Fe3B和含TiO2的非晶相的混合结构。
实施例4
以纯铁、四氧化三铁、纯钒、硼铁(Fe82.73B17.67)为原料，按质量分数分别为12.8％，12.4％，16.4％，58.4％配制成分熔炼Fe65V15B10O10的母合金，然后将其切割成大小约1cm×1cm×1cm的立方小块，用抛光机进行表面抛光处理后用丙酮溶液进行表面清洁处理，然后封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至5×10-4Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到15kW，合金完全熔化后继续加热4分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英管内通入氩气，氩气压强为20kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快速喷射到辊速为30转/秒的高速旋转的铜辊上，快速凝固得到宽1cm厚度约为25μm的薄带。对薄带进行真空热处理，在250℃下保温一小时后，随炉冷却至100℃然后空冷至室温，获得含有纳米尺寸的bcc铁(α-Fe)相、少量Fe3B和含V2O5的非晶相的混合结构。
实施例5
以纯铁、四氧化三铁、纯铬、硼铁(Fe82.73B17.67)为原料，按质量分数分别为12.3％，42.1％，12.6％，33.0％配制成分熔炼Fe55Cr10B5O30的母合金，然后将其切割成大小约1cm×1cm×1cm的立方小块，用抛光机进行表面抛光处理后用丙酮溶液进行表面清洁处理，然后封装在带有氧化锆坩埚和喷嘴的石英玻璃管内，抽真空至1×10-3Pa。用中频感应加热设备对石英管进行加热，初始加热功率为5kW，待合金发红后逐步增加到20kW，合金完全熔化后继续加热5分钟，使合金充分搅拌均匀，然后向石英管内通入氩气，氩气压强为20kPa，在氩气压力作用下熔体从石英管下端的喷嘴中快速喷射到辊速为20转/秒的高速旋转的铜辊上，快速凝固得到宽1cm厚度约为28μm的薄带。对薄带进行真空热处理，在300℃下保温一小时后，随炉冷却至125℃然后空冷至室温，获得含有纳米尺寸的bcc铁(α-Fe)相、少量Fe3B和含Cr2O3的非晶相的混合结构。
上述实施例中，Zr、Nb、Ti、V、Cr五种成份可以互换，同样可以实现本发明的目的。
上述实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他实质等同手段，均在本发明权利要求范围内。
Claims (12)
1.一种制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、采用中频感应加热法制备FexMyBmOn母合金，其中M选自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一种，55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30；
B、将母合金切割成块状，封装入套有石英玻璃管的氧化锆坩埚内，进行真空处理；
C、使用中频感应加热石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入氩气，采用单辊熔体旋冷的方法喷制FexMyBmOn薄带；
D、对薄带进行去应力退火处理。
2.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：所述的步骤A中，以纯铁、四氧化三铁粉、M的块材、硼铁为原料，按预制合金组分配制母合金原料。
3.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤A中，采用中频感应加热，加热功率为5～20kW。
4.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤B中，使用线切割机将母合金切成大小约1cm3的小块，并用抛光机和丙酮液对表面进行抛光清洁处理。
5.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤B中，石英玻璃管的内部套有氧化锆坩埚。
6.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤B中，石英管底部嵌入氮化硼喷嘴。
7.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤B中，石英玻璃管内的真空度为10-3～10-4Pa。
8.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤C中，采用中频感应加热设备熔融石英管内的母合金，加热功率为5～20kW。
9.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤C中，加热过程中采用的保护气氛为氩气。
10.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤C中，喷带过程中采用的氩气压强为10～20kPa。
11.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤C中，冷却方式为高速旋转的水冷铜辊，辊速为20～30转/秒。
12.根据权利要求1所述的制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于：步骤D中，采用真空退火炉对薄带进行退火处理，退火温度为250～350℃，保温时间为0.5～1小时，然后随炉冷却至100～150℃后空冷至室温。
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