CN101206943B - 一种具有高饱和磁感应强度及良好韧性的铁基非晶软磁合金 - Google Patents

一种具有高饱和磁感应强度及良好韧性的铁基非晶软磁合金 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非晶态合金，具体为一种具有高饱和磁感应强度及良好韧性的铁基非晶软磁合金。该合金的具体化学成分按原子比为：FeaBbCcSidAle，其中77＜a＜83，7＜b＜13，3＜c＜6，4＜d＜7，1＜e＜4，且a+b+c+d+e＝100。特别在成分为Fe80B10C5Si4Al1或者Fe80B10C5Si3.5Al1.5时，合金成分为最优。本合金原料采用廉价工业纯铁、纯硅、纯碳、纯铝及工业硼铁，合金具有高的饱和磁感应强度及出色的软磁性能，同时具有良好的韧性。同时该材料还具有合金成分设计简单，薄带表面光洁度高，适用范围广泛等优点。

Description

一种具有高饱和磁感应强度及良好韧性的铁基非晶软磁合金
技术领域
本发明涉及一种非晶态合金，具体为一种具有高饱和磁感应强度及良好韧性的铁基非晶软磁合金。
背景技术
与相应的晶体合金比较，非晶合金通常具有优异的性能，如高强度、高硬度、高弹性等。非晶合金的优良性能是由其独特的原子结构决定的，即短程有序，长程无序。
铁基非晶薄带有着优异的软磁性能，较低的矫顽力，成本较Co基、Fe-Ni基非晶合金低，是取代硅钢片用于电力变压器的理想材料。1967年P.Du-wez率先开发出Fe-P-C系非晶软磁合金，掀起了一个研发热潮。上世纪八十和九十年代，先后出现了Fe81Si3.5B13.5C2，Fe-M-Si-Cu-B(M＝Nb，Cr，V，Mo，Zr，W)，Fe-M-B(M＝Zr，Hf，Nb，Si)，Fe-Al-Ga-P-C-B-Si等一系列非晶软磁合金。但是这些合金所含的Nb、W等元素价格昂贵，熔融合金粘度大，流动性差，同时，Fe基非晶软磁合金饱和磁感应强度相对硅钢还较低，合金不具有良好的韧性。因此，开发出原料价格低廉、韧性好、具有高饱和磁感应强度的铁基非晶软磁合金有着重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种铁基非晶态软磁合金，该合金不但饱和磁感应强度高、熔融合金流动性好、韧性好，而且价格低廉。
该合金成分的表达式为(原子个数％)：FeaBbCcSidAle，其中a的原子百分比含量为77～83，b的原子百分比含量为7～13，c的原子百分比含量为3～6，d的原子百分比含量为4～7，e的原子百分比含量为1～4，且a+b+c+d+e＝100。优选Fe80B10C5Si4Al1或者Fe80B10C5Si3.5Al1.5。
本发明的另一个目的在于提供一种制备该铁基非晶态软磁合金的方法，该方法由以下制备步骤完成：
步骤一、称取原料：
按所需原子个数计算出与之相应的原料，并称量；其中硼元素是通过工业硼铁(成分如表1示)添加，其他各元素纯度均为工业级；
表1所用工业硼铁所含元素及质量百分比
    元素     Fe   B     Al     Si   P  S     C
    质量％     81.64   17.49     0.035     0.77   0.02  0.002     0.04
步骤二、熔炼制Fe-B-C-Si-Al母合金
将步骤一称得的所需原料放入真空冶炼炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，充入0.05MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃；熔炼时间5-10min，随炉冷却后取出Fe-B-C-Si-Al母合金；
步骤三、制Fe-B-C-Si-Al非晶合金薄带
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，充入氩气保护气体，氩气压力为0.05MPa；调节电流2-10A、感应温度900-1100℃；熔炼时间2-5min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池，然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe-B-C-Si-Al非晶合金薄带。
除非另有所指，本文所用的以下简称的含义分别为：
VSM：振动样品磁强计(vibrating sample magnetometer)；
Tmax：非晶态合金薄带临界厚度；
Tx：结晶温度；
Tc：居里温度；
Bs：饱和磁感应强度；
Hc：矫顽力。
将制得的Fe-B-C-Si-Al非晶合金薄带截取15-25毫克，测试其饱和磁感应强度，材料的饱和磁感应强度采用VSM设备测试。该铁基非晶合金系具有高的饱和磁化强度1.38-1.76T。
表2示出了所制备的部分非晶态合金薄带的热力学性质及其磁性能。本发明的铁基非晶态合金薄带的临界厚度Tmax＞55μm，居里温度Tc＞640K，晶化温度Tx＞745K，所述合金具有良好的韧性，能够实现180度弯折而不断裂，同时原料价格低廉，熔融合金的流动性好，易于生产，可广泛应用于电力变压器、互感器等领域。
表2所制备的部分非晶态合金薄带的热力学性质及磁性能
  合金   Tmax/μm   Tc/K   Tx/K   Bs/T   Hc/Am-1
  Fe80B10C5Si4.5Al0.5   64   662   778   1.64   25
  Fe80B10C5Si4Al1   72   650   766   1.76   25
  Fe80B10C5Si3.5Al1.5   63   645   757   1.72   26
  Fe80B10C5Si3Al2   55   640   745   1.60   23
  Fe77B13C3Si4Al3   68   666   781   1.38
  Fe83B7C6Si3Al1   56   657   774   1.45
  Fe79B10C5Si4Al1   79   660   778   1.42
  Fe78B10C5Si3.5Al1.5   82   663   780   1.42
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明不仅限于这些实施例。
实施例1：
制备Fe80B10C5Si4Al1非晶合金薄带
步骤一：按Fe80B10C5Si4Al1化学成分配比进行配料。
按照Fe80B10C5Si4Al1的化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁16.597克，纯度为99.9％的碳0.252克，纯度为99.9％的硅0.471克，纯度为99.9％的铝0.113克和成分如表1所示的工业硼铁2.590克。
步骤二：制Fe80B10C5Si4Al1母合金
将步骤一的配料放入真空冶炼炉中；
调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流20A，熔炼温度1200℃；
熔炼时间5min后随炉冷却后取出；
步骤三：制Fe80B10C5Si4Al1非晶合金薄带
将步骤二制得的Fe80B10C5Si4Al1母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流温度2-10A，感应温度850℃；
熔炼时间2min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池，然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe80B10C5Si4Al1非晶合金薄带。该Fe80B10C5Si4Al1合金具有72μm的临界厚度；将制得的Fe80B10C5Si4Al1非晶合金薄带截取20毫克，测试其磁性能，饱和磁感应强度为1.76T，其它性能如表2所示。
实施例2：
制备Fe80B10C5Si3.5Al1.5非晶合金薄带
步骤一：按Fe80B10C5Si3.5Al1.5化学成分配比进行配料。
按照Fe80B10C5Si3.5Al1.5的化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁16.599克，纯度为99.9％的碳0.252克，纯度为99.9％的硅0.412克，纯度为99.9％的铝0.170克和成分如表1所示的工业硼铁2.590克。
步骤二：制Fe80B10C5Si3.5Al1.5母合金
将步骤一的配料放入真空冶炼炉中；
调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流20A，熔炼温度1200℃；
熔炼时间5min后随炉冷却后取出；
步骤三：制Fe80B10C5Si3.5Al1.5非晶合金薄带
将步骤二制得的Fe80B10C5Si3.5Al1.5母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流温度2-10A，感应温度850℃；
熔炼时间2min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池，然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe80B10C5Si3.5Al1.5非晶合金薄带。该Fe80B10C5Si3.5Al1.5合金具有63μm的临界厚度；将制得的Fe80B10C5Si3.5Al1.5非晶合金薄带截取20毫克，测试其磁性能，饱和磁感应强度为1.72T，其它性能如表2所示。
实施例3：
制备Fe80B10C5Si4.5Al0.5非晶合金薄带
步骤一：按Fe80B10C5Si4.5Al0.5化学成分配比进行配料。
按照Fe80B10C5Si4.5Al0.5的化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁16.595克，纯度为99.9％的碳0.251克，纯度为99.9％的硅0.529克，纯度为99.9％的铝0.056克和成分如表1所示的工业硼铁2.590克。
步骤二：制Fe80B10C5Si4.5Al0.5母合金
将步骤一的配料放入真空冶炼炉中；
调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流20A，熔炼温度1200℃；
熔炼时间5min后随炉冷却后取出；
步骤三：制Fe80B10C5Si4.5Al0.5非晶合金薄带
将步骤二制得的Fe80B10C5Si4.5Al0.5母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流温度2-10A，感应温度850℃；
熔炼时间2min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池，然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe80B10C5Si4.5Al0.5非晶合金薄带。该Fe80B10C5Si4.5Al0.5合金具有64μm的临界厚度；将制得的Fe80B10C5Si4.5Al0.5非晶合金薄带截取20毫克，测试其磁性能，饱和磁感应强度为1.64T，其它性能如表2所示。
实施例4：
制备Fe77B13C3Si4Al3非晶合金薄带
步骤一：按Fe77B13C3Si4Al3化学成分配比进行配料。
按照Fe77B13C3Si4Al3的化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁14.974克，纯度为99.9％的碳0.154克，纯度为99.9％的硅0.481克，纯度为99.9％的铝0.347克和成分如表1所示的工业硼铁3.442克。
步骤二：制Fe77B13C3Si4Al3母合金
将步骤一的配料放入真空冶炼炉中；
调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流20A，熔炼温度1200℃；
熔炼时间5min后随炉冷却后取出；
步骤三：制Fe77B13C3Si4Al3非晶合金薄带
将步骤二制得的Fe77B13C3Si4Al3母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流温度2-10A，感应温度850℃；
熔炼时间2min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe77B13C3Si4Al3非晶合金薄带。该Fe77B13C3Si4Al3合金具有68μm的临界厚度；将制得的Fe77B13C3Si4Al3非晶合金薄带截取20毫克，测试其磁性能，饱和磁感应强度为1.38T，其它性能如表2所示。
实施例5：
制备Fe83B7C6Si3Al1非晶合金薄带
步骤一：按Fe83B7C6Si3Al1化学成分配比进行配料。
按照Fe83B7C6Si3Al1的化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁17.500克，纯度为99.9％的碳0.294克，纯度为99.9％的硅0.344克，纯度为99.9％的铝0.110克和成分如表1所示的工业硼铁1.767克。
步骤二：制Fe83B7C6Si3Al1母合金
将步骤一的配料放入真空冶炼炉中；
调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流20A，熔炼温度1200℃；
熔炼时间5min后随炉冷却后取出；
步骤三：制Fe83B7C6Si3Al1非晶合金薄带
将步骤二制得的Fe83B7C6Si3Al1母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体；
调节电流温度2-10A，感应温度850℃；
熔炼时间2min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe83B7C6Si3Al1非晶合金薄带。该Fe83B7C6Si3Al1合金具有56μm的临界厚度；将制得的Fe83B7C6Si3Al1非晶合金薄带截取20毫克，测试其磁性能，饱和磁感应强度为1.45T，其它性能如表2所示。

Claims (3)

1.一种具有高饱和磁感应强度及良好韧性的铁基非晶态软磁合金，其特征在于合金成分按照原子个数百分比计，其表达式为：FeaBbCcSidAle，其中a为77～83，b为7～13，c为3～6，d为4～7，e为1～4，且a+b+c+d+e＝100。
2.如权利要求1所述的铁基非晶态软磁合金，其特征在于所述的铁基非晶态软磁合金为Fe80B10C5Si4Al1。
3.如权利要求1所述的铁基非晶态软磁合金的制备方法，其特征在于由以下制备步骤完成：
步骤一、称取原料：按所需原子个数计算出与之相应的原料，并称量；
步骤二、熔炼制Fe-B-C-Si-Al母合金：将步骤一称得的所需原料放入真空冶炼炉中，调节抽真空度至5×10-3Pa，充入0.05MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼时间5-10min，随炉冷却后取出Fe-B-C-Si-Al母合金；
步骤三、制Fe-B-C-Si-Al非晶合金薄带：将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节真空度至5×10-3Pa，充入氩气保护气体，氩气压力为0.05MPa、调节电流2-10A、感应温度900-1100℃；熔炼时间2-5min后喷射至一个高速旋转的铜辊上，形成具有稳定形状的熔池，然后依靠铜辊的快速热传导急冷凝固即制得Fe-B-C-Si-Al非晶合金薄带。
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