CN101552071B - 一种铁基非晶软磁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铁基非晶软磁合金，该合金的具体化学成分按原子比为：FeaPbBcCdSie，且a+b+c+d+e＝100，其中b的原子百分比含量为8～11，c的原子百分比含量为0～3，d的百分比含量为6～10，e的百分比含量为0～3，a为余量。本发明合金材料不含有贵重金属元素，具有优异的软磁性，良好的非晶形成能力以及很高的工程应用价值，可广泛应用于结构材料和磁性材料等领域，而且合金的制备方法简单，生产成本非常低廉。
Description
技术领域
本发明设计一种主要应用于结构材料和软磁材料的具有高软磁性能，良好的形成能力以及原材料价格低廉的新型铁基非晶软磁合金材料。
背景技术
通过快速凝固制备得到的非晶合金因不具备长程原子有序结构而导致了独特的力学性能、磁学性能、耐蚀性能和电性能，因此，非晶合金材料的研究成为材料研究的一个重要领域。铁基非晶因其优良的磁学性能，低廉的成本而被广泛地用于各种变压器、电磁换能器件等领域。
自1967年P.Duwez发现第一个Fe-P-C三元非晶成分以来，Fe-B-Si，Fe-P-B等一系列非晶成分体系相继得到开发和应用，由于受到成分设计和工艺条件的限制，初期的研究和产品只局限于二维尺寸的条带。由于受到形成能力的影响，极大地限制了非晶态合金的推广和应用。1995年，Inoue等开发出Fe-Al-Ga-P-C-B-Si铁基块体非晶合金以后，Fe-Co-Ni-Zr-B、Fe-Mo-P-C-B、Fe-Si-B-Nb和Fe-Ni-P-B等系列的块体非晶合金也相继出现。虽然，大量块体非晶体系的发现满足了以往非晶形成能力不足而限制应用的缺点，但是，在提高形成能力的同时，Ga、Co、Ni、Zr、Mo和Nb等较贵元素的加入以及较低的饱和磁化强度又同样影响了铁基非晶的应用。因此，开发一种成本低廉、并具有高饱和磁感应强度的块体非晶合金材料是铁基非晶发展的必然趋势。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种铁基非晶软磁合金，
本发明的技术解决方案：一种铁基非晶软磁合金，其成分按原子比为：FeaPbBcCdSie，且a+b+c+d+e＝100，其中b的原子百分比含量为8～11，c的原子百分比含量为0～3，d的百分比含量为6～10，e的百分比含量为0～3，a为余量。
所述的铁基非晶合金的原子百分比和化学成分为：Fe79P11B0C10Si0或Fe80P9B2C8Si1或者Fe80P8B3C9Si0。
所述的合金具有1.45-1.70T的高饱和磁感应强度；能够制得临界直径为1～2mm的非晶合金棒和非晶合金棒材。
本发明的制备铁基非晶合金的方法，步骤如下：
步骤一、称取原料，按上述的合金目标成分所需原子个数计算出与之相关应的原料，并称量待用，其中B是通过FeB添加，P是通过FeP添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二、熔炼制备FeaPbBcCdSie母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得FeaPbBcCdSie母合金。
步骤三、制备非晶合金
将制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼时间0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得FeaPbBcCdSie非晶合金。
FeaPbBcCdSie非晶合金能够制得临界直径为1～2mm的非晶合金棒和厚度大于0.05mm的非晶合金薄带；FeaPbBcCdSie非晶合金具有良好的软磁性，其饱和磁感应强度Bs为1.45-1.70T，矫顽力Hci小于5.5A/m。在本发明中，材料的饱和磁感应强度采用振动样品磁强计VSM(Vibrating Sample Magnetometer)设备测试，矫顽力采用磁滞回线仪(B-Hloop tracer)测量。合金具有420-460℃较低的玻璃转变温度和295-320℃的居里转变温度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明合金除去了Fe-(Al，Ga)-(P，C，B，Si，Ge)-(Nb，Mo，Cr)类非晶合金中的Ga、Nb、Mo等价格高昂的元素，同时提高铁的含量而且不降低合金的形成能力，从而得到了一种高饱和磁感应强度，高形成能力和工程应用价值很高的铁基非晶合金。
(2)本发明是一种具有高饱和磁感应强度的FeaPbBcCdSie的铁基非晶合金材料，具有优异的非晶形成能力，在合金组成成分的区域内可得到厚度大于0.05mm的非晶薄带，可制得临界直径为1～2mm的非晶合金棒材；具有420-460℃较低的玻璃转变温度和295-320℃的居里转变温度；此外，该非晶合金还具有良好的软磁性能，其饱和磁感应强度为1.45-1.70T，矫顽力Hci小于5.5A/m；再次，由于该合金中不含有贵重的元素，原材料价格低廉，大大提高了合金的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的实施例表1中序号为2的非晶棒材(直径为1.5mm)的DSC曲线，实验过程升温速率为0.33℃/s；
图2为本发明实施例表1中序号为2、5和7的棒材(直径分别为1.5mm、1.8mm和2.0mm)的X射线衍射图谱。
图3和图4为本发明的实施例表1中序号为7的非晶合金的B-H曲线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
制备Fe79P11C10非晶合金
步骤一：按Fe79P11C10化学成分配比进行配料
按Fe79P11C10计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe79P11C10母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe79P11C10母合金。
步骤三：制Fe79P11C10非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe79P11C10非晶合金。
该Fe79P11C10合金具有1.0mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.46T，矫顽力Hci为5.03A/m，其他性能如表1所示。
实施例2：
制备Fe80P11C9非晶合金
步骤一：按Fe80P11C9化学成分配比进行配料
按Fe80P11C9计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P11C9母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P11C9母合金。
步骤三：制Fe80P11C9非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P11C9非晶合金。
该Fe80P11C9合金具有1.5mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.48T，矫顽力Hci为3.63A/m，其他性能如表1所示。
实施例3：
制备Fe81P11C8非晶合金
步骤一：按Fe81P11C8化学成分配比进行配料
按Fe81P11C8计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe81P11C8母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe81P11C8母合金。
步骤三：制Fe81P11C8非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe81P11C8非晶合金。
该Fe81P11C8合金具有1.0mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.53T，矫顽力Hci为4.17A/m，其他性能如表1所示。
实施例4：
制备Fe80P10B1C9非晶合金
步骤一：按Fe80P10B1C9化学成分配比进行配料
按Fe80P10B1C9计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，B是通过FeB添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P10B1C9母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P10B1C9母合金。
步骤三：制Fe80P10B1C9非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P10B1C9非晶合金。
该Fe80P10B1C9合金具有1.5mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.50T，矫顽力Hci为3.94A/m，其他性能如表1所示。
实施例5：
制备Fe80P9B2C9非晶合金
步骤一：按Fe80P9B2C9化学成分配比进行配料
按Fe80P9B2C9计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，B是通过FeB添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P9B2C9母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P9B2C9母合金。
步骤三：制Fe80P9B2C9非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P9B2C9非晶合金。
该Fe80P9B2C9合金具有1.8mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.54T，矫顽力Hci为4.43A/m，其他性能如表1所示。
实施例6：
制备Fe80P8B3C9非晶合金
步骤一：按Fe80P8B3C9化学成分配比进行配料
按Fe80P8B3C9计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，B是通过FeB添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P8B3C9母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P8B3C9母合金。
步骤三：制Fe80P8B3C9非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P8B3C9非晶合金。
该Fe80P8B3C9合金具有1.5mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.59T，矫顽力Hci为2.93A/m，其他性能如表1所示。
实施例7：
制备Fe80P9B2C8Si1非晶合金
步骤一：按Fe80P9B2C8Si1化学成分配比进行配料
按Fe80P9B2C8Si1计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，B是通过FeB添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P9B2C8Si1母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P9B2C8Si1母合金。
步骤三：制Fe80P9B2C8Si1非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P9B2C8Si1非晶合金。
该Fe80P9B2C8Si1合金具有2.0mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.68T，矫顽力Hci为5.24A/m，其他性能如表1所示。
实施例8：
制备Fe80P9B2C7Si2非晶合金
步骤一：按Fe80P9B2C7Si2化学成分配比进行配料
按Fe80P9B2C7Si2计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，B是通过FeB添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P9B2C7Si2母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P9B2C7Si2母合金。
步骤三：制Fe80P9B2C7Si2非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P9B2C7Si2非晶合金。
该Fe80P9B2C7Si2合金具有1.8mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.53T，矫顽力Hci为5.17A/m，其他性能如表1所示。
实施例9：
制备Fe80P9B2C6Si3非晶合金
步骤一：按Fe80P9B2C6Si3化学成分配比进行配料
按Fe80P9B2C6Si3计算出与之相对应的原料质量并称量，其中P是通过FeP添加，B是通过FeB添加，其他各元素纯度均为工业级；
步骤二：熔炼制备Fe80P9B2C6Si3母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得Fe80P9B2C6Si3母合金。
步骤三：制Fe80P9B2C6Si3非晶合金：
将步骤二制得的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流2-10A、感应温度1000-1300℃、熔炼0.5-3min后喷射至铜模中并随铜模快速冷却即制得Fe80P9B2C6Si3非晶合金。
该Fe80P9B2C6Si3合金具有1.5mm的临界形成能力，其饱和磁感应强度为1.52T，矫顽力Hci为5.32A/m，其他性能如表1所示。
本发明的铸态材料的非晶结构可以采用X射线仪(XRD)进行确定。非晶合金的XRD图谱展示出弥散的衍射峰，区别于晶体合金XRD图谱的尖锐的衍射峰。
非晶合金的热力学性能采用DSC进行分析。本发明提供的大块非晶合金的热力学性能如表1所示，这些非晶合金的Tg都在420℃以上，存在较大的过冷液相区间△T，表明这些非晶合金具有高的热稳定性，因此具有高的抗晶化的能力。
表1 本发明实施例试样性能对比
图1是实施例表1中序号为2的非晶棒材(直径为1.5mm)的DSC曲线，实验过程升温速率为0.33℃/s。由图1所示：Tc(居里温度)值为301℃，Tg(玻璃转变温度)值为426℃，Tx(开始晶化温度)值为450℃，△T＝Tx-Tg(过冷液相区间)值为24℃，说明非晶合金具有良好的形成能力。
图2为实施例表1中序号为2、5和7的棒材(直径分别为1.5mm、1.8mm和2.0mm)的X射线衍射图谱。如图2所示：实施例2、5和7的X射线衍射图谱中只出现宽化的馒头峰，并未出现尖锐的晶化峰，说明合金棒材为均匀的非晶结构。
图3和图4为实施例表1中序号为7的非晶合金的B-H曲线。如图3、4所示：实施例7的Bs(饱和磁感应强度)为1.68T，Hc(矫顽力)为5.24A·m-1，说明非晶合金是一种理想的软磁材料。
Claims (6)
1.一种铁基非晶软磁合金，其特征在于：所述合金的成分按原子比为：FeaPbBcCdSie，且a+b+c+d+e＝100，其中b的原子百分比含量为8～11，c的原子百分比含量为0～3，d的百分比含量为6～10，e的百分比含量为0～3，a为余量。
2.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于：所述的铁基非晶合金的原子百分比和化学成分为：Fe79P11B0C10Si0或Fe80P9B2C8Si1或者Fe80P8B3C9Si0。
3.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于：所述的合金具有1.45-1.70T的饱和磁感应强度，矫顽力Hci小于5.5A/m。
4.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于：所述的合金具有420-460℃的玻璃转变温度和295-320℃的居里转变温度。
5.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于：所述的合金能够制得临界直径为1～2mm的非晶合金棒和厚度大于0.05mm的非晶合金薄带。
6.一种制备铁基非晶合金的方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、称取原料，按权利要求1所述的合金目标成分所需原子个数计算出与之相应的原料，并称量待用；
步骤二、熔炼制备FeaPbBcCdSie母合金
将步骤一称得的目标成分原料放入真空高频感应冶炼炉中，抽真空度至1-5×10-3Pa，充入压力为0.02-0.09MPa氩气保护气体；调节电流15-25A、熔炼温度1000-1600℃、熔炼5-10min后随炉冷却取出即制得FeaPbBcCdSie母合金；
步骤三、制备FeaPbBcCdSie非晶合金
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