CN101620906A

CN101620906A - 一种块体纳米晶软磁合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101620906A
Application number: CN200910052866A
Authority: CN
Inventors: 刘岩; 潘秀红; 艾飞; 金蔚青; 金飞; 高国忠; 冯楚德
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: CN101620906B

Abstract

本发明涉及一种块体纳米晶软磁合金材料及其制备方法，该块体纳米晶软磁合金材料为Fe－Co－Cu－B－X合金材料，以合金材料的总原子量计，各组成成分的原子组成百分比为：Fe：42％－45％；Co：42％－45％；Cu：0.5％－1.5％；B：6％－10％；X：3％－8％；其中X选自Nb和Sm中的一种或两种。本发明的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法为熔炼、喷射非晶薄带、热处理和粉碎、放电等离子烧结。本发明的块体纳米晶软磁合金材料具有较高的居里温度和饱和磁化强度，具有广泛的用途。

Description

一种块体纳米晶软磁合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于磁性材料技术领域，特别涉及一种块体纳米晶软磁合金材料及其制备方法。

背景技术

软磁材料由于矫顽力小，容易磁化和退磁，可被广泛用来作为磁力线的通路，即用作导磁材料，电脑、手机、平面显示技术等方面所需的各种磁放大器、滤波线圈、变频电感器、变频变压器、电抗器以及各类开关电源、逆变电源、PFC技术中的扼流圈、贮能电感等器件，均是利用了它们良好的软磁性能。目前应用中占主流的铁氧体软磁材料由于其居里温度低，在100℃以上时的饱和磁感已经很低，因此其使用温度受到限制，再者其饱和磁感强度较低(低于0.6T)，制造大功率磁芯时需要较大的体积，限制了其小型化、平面化技术的推广。

纳米晶软磁材料作为一种重要的金属功能材料，因其结构的特殊性使之具备高磁导率、高饱和磁化强度和低矫顽力等诸多优异的性能，被誉为当前综合软磁性能最为优异的新一代软磁材料。

实际应用的纳米晶软磁合金材料通常是通过非晶晶化法制备的，其形状和尺寸受到极大限制，仅能提供薄带、粉末、细丝等形状，而要获得大块的纳米晶软磁合金材料必须对非晶合金粉碎后烧结。但一般的烧结方法由于烧结温度高、烧结时间长，致使晶粒长大，造成合金软磁性能的变差，不能满足工程应用的需要，因而如何控制纳米晶颗粒的长大是制备具有优异软磁性能的大块纳米晶软磁合金材料的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种块体纳米晶软磁合金材料及其制备方法。

本发明第一方面提供了一种块体纳米晶软磁合金材料，其特征在于，该块体纳米晶软磁合金材料为Fe-Co-Cu-B-X合金材料，以合金材料的总原子量计，各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42％-45％；

Co：42％-45％；

Cu：0.5％-1.5％；

B：6％-10％；

X：3％-8％；

其中X选自Nb和Sm中的一种或两种，以合金材料的总原子量计，Nb的原子组成百分比Nb％的取值范围为0≤Nb％≤6％；Sm的原子组成百分比Sm％的取值范围为0≤Sm％≤3％，且Nb％和Sm％不同时为0。

优选的，上述块体纳米晶软磁合金材料中各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42％-45％；

Co：42％-45％；

Cu：0.5％-1.5％；

B：6％-8.5％；

X：3％-6.5％；

其中X为Nb和Sm的组合，以合金材料的总原子量计，Nb的原子组成百分比Nb％的取值范围为3％≤Nb％≤6％；Sm的原子组成百分比Sm％的取值范围为0≤Sm％≤3％。

更优选的，上述块体纳米晶软磁合金材料中各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42.5％；

Co：42.5％；

Cu：1％；

B：8％；

X：6％；

最优选的，上述块体纳米晶软磁合金材料中各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42.5％；

Co：42.5％；

Cu：1％；

B：8％；

Nb：4.5％；

Sm：1.5％。

本发明的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法包括：熔炼、喷射非晶薄带、热处理和粉碎、放电等离子烧结，具体步骤如下：

1)熔炼：所需各金属元素按原子百分比配料，将混合料经熔炼及冷却过程制得块体合金锭；

2)喷射非晶薄带：将步骤1)中制得的块体合金锭切割后用单辊甩带法制备非晶薄带；

3)热处理和粉碎：将步骤2)中制得的非晶薄带进行热处理后粉碎；

4)放电等离子烧结：将步骤3)中非晶薄带粉碎后制得的粉体装入模具中进行放电等离子烧结。

所述步骤1)中各金属元素可选自粉末或块状单质，优选纯度大于99.5％的粉末或块状单质。

优选的，所述步骤1)中，将混合料在电弧炉内在1000℃～1300℃的温度范围内熔炼并冷却。

所述步骤2)中的甩带法是指将熔融的合金熔液喷射到高速旋转的水冷金属辊的表面，使合金熔液以极快的冷却速度凝固甩成薄带的方法。

优选的，所述步骤2)中单辊甩带法制备非晶薄带在真空条件或惰性气体保护下进行。

优选的，所述步骤2)中，单辊甩带法制备非晶薄带时，辊子的转速为25～35m/s。

优选的，所述步骤2)中，非晶薄带的带宽为2mm，厚度为20～40μm。

所述步骤3)中热处理的温度为200℃～400℃，处理时间为1～2小时。

所述步骤4)中，非晶薄带粉碎后制得的粉体的粒径范围为50～100μm。

所述步骤4)中放电等离子烧结过程中，压力范围为30～70Mpa，优选为60～65Mpa；烧结温度为700～800℃，优选为720～800℃；烧结时间为5～10分钟。

本发明的块体纳米晶软磁合金材料中，通过添加Co元素来改变本发明合金材料的高温磁特性，由于添加设定量的Co会与本发明成分中的Fe相结合形成α-FeCo结构，该结构具有较高的居里温度特性。在本发明的块体纳米晶软磁合金材料中，B是形成非晶所不可缺少的元素，Cu是纳米晶形成元素，X成份中Nb的作用在于提高合金的温度稳定性，降低合金的各向异性，并和B一起做非晶稳定成分，Sm元素因为原子尺寸较大，扩散缓慢，主要作用是阻止α-Fe(Co)晶粒长大，降低材料的矫顽力，同时Sm的掺入还可提高α-Fe(Co)的晶化温度和块体的居里温度。

同时，本发明采用放电等离子烧结方法来制备该块体纳米晶软磁合金材料，由于纳米粉末具有极高的表面激活能，烧结过程中不可避免地显著提高纳米晶粒的生长速率，常规烧结由于烧结时间较长，晶粒长大趋势明显，很难获得纳米晶块体材料。放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering或简称‘SPS’)是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。在SPS烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化，它是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。这种放电直接加热法，热效率极高，烧结速度快，放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。而且，本发明的方法具有烧结速度快的特点可以有效抑制块体中的纳米晶相的长大，能够获得软磁性能优异的块体纳米晶软磁合金材料。

本发明制备的块体纳米晶软磁合金材料，纳米磁体晶粒细小(尺寸＜100nm)，具有较高的居里温度(Tc为560～660℃)，以及较高的饱和磁化强度(Ms为1.65～1.85T)，该优异的性能特点使得软磁材料具有较高的使用温度范围，且产品便于小型化和集成化。本发明制备的块体纳米晶软磁合金材料可用于电机磁芯、配电变压器、磁放大器、大功率开关电源及逆变器铁芯等。本发明的制备工艺可用于开发Fe-Co基的软磁块体合金，因而具有广阔的研究和市场应用前景。

附图说明

图1本发明实施例1中制得的块体纳米晶软磁合金材料的磁滞回线图。

图2本发明实施例2中制得的块体纳米晶软磁合金材料的磁滞回线图。

图3本发明实施例3中制得的块体纳米晶软磁合金材料的磁滞回线图。

具体实施方式

实施例1：

选用纯度大于99.5％的块状Fe，Co，Cu以及粉末状Nb、B元素，按合金成分中每种元素的原子百分配比Fe_42.5Co_42.5Nb₆Cu₁B₈配料，混合料在电弧炉内熔炼，熔炼温度1100℃，熔炼后的样品切割成小块采用单辊甩带装置制成非晶薄带，铜辊转速为25m/s，非晶薄带在200℃下保温2小时，然后粉碎成100μm粉体，在SPS烧结装置中成型和烧结，烧结温度720℃，保温时间10分钟，保持压力60MPa，最终得到尺寸为φ10×5mm的块体纳米晶软磁合金材料，其饱和磁化强度Ms为1.75T，居里温度Tc为560℃，矫顽力为1177.8A/m。本实施例制备的软磁块体合金的磁滞回线图参见图1。

实施例2：

选用纯度大于99.5％的块状Fe，Co，Cu、Sm以及粉末状Nb、B元素，按合金成分中每种元素的原子百分配比Fe_42.5Co_42.5Nb_4.5Cu₁B₈Sm_1.5配料，混合料在电弧炉内熔炼，熔炼温度1100℃，熔炼后的样品切割成小块采用单辊甩带装置制成非晶薄带，铜辊转速为25m/s，非晶薄带在350℃下保温1小时，然后粉碎成50μm粉体，在SPS烧结装置中成型和烧结，烧结温度800℃，保温时间5分钟，保持压力60MPa，最终得到尺寸为φ10×5mm的块体纳米晶软磁合金材料，其饱和磁化强度Ms为1.85T，居里温度Tc为645℃，矫顽力为715.4A/m。本实施例制备的软磁块体合金的磁滞回线图参见图2。

实施例3：

选用纯度大于99.5％的块状Fe，Co，Cu、Sm以及粉末状Nb、B元素，按合金成分中每种元素的原子百分配比Fe_42.5Co_42.5Nb₃Cu₁B₈Sm₃配料，混合料在电弧炉内熔炼，熔炼温度1100℃，熔炼后的样品切割成小块采用单辊甩带装置制成非晶薄带，铜辊转速为35m/s，非晶薄带在200℃下保温2小时，然后粉碎成100μm粉体，在SPS烧结装置中成型和烧结，烧结温度800℃，保温时间8分钟，保持压力65MPa，最终得到尺寸为φ10×5mm的块体纳米晶软磁合金材料，其饱和磁化强度Ms为1.68T，居里温度Tc为660℃，矫顽力为791.8A/m。本实施例制备的软磁块体合金的磁滞回线图参见图3。

实施例4：

选用纯度大于99.5％的块状Fe，Co，Cu以及粉末状Sm、B元素，按合金成分中每种元素的原子百分配比Fe₄₂Co₄₅Sm₃Cu_1.5B_8.5配料，混合料在电弧炉内熔炼，熔炼温度1100℃，熔炼后的样品切割成小块采用单辊甩带装置制成非晶薄带，铜辊转速为25m/s，非晶薄带在200℃下保温2小时，然后粉碎成100μm粉体，在SPS烧结装置中成型和烧结，烧结温度720℃，保温时间10分钟，保持压力60MPa，最终得到尺寸为φ10×5mm的块体纳米晶软磁合金材料，其饱和磁化强度Ms为1.72T，居里温度Tc为565℃，矫顽力为1170.7A/m。

实施例5：

选用纯度大于99.5％的块状Fe，Co，Cu以及粉末状Nb、Sm、B元素，按合金成分中每种元素的原子百分配比Fe₄₅Co₄₂Nb₄Cu_0.5B₆Sm_2.5配料，混合料在电弧炉内熔炼，熔炼温度1100℃，熔炼后的样品切割成小块采用单辊甩带装置制成非晶薄带，铜辊转速为25m/s，非晶薄带在200℃下保温2小时，然后粉碎成100μm粉体，在SPS烧结装置中成型和烧结，烧结温度800℃，保温时间10分钟，保持压力65MPa，最终得到尺寸为φ10×5mm的块体纳米晶软磁合金材料，其饱和磁化强度Ms为1.70T，居里温度Tc为655℃，矫顽力为750.8A/m。

Claims

1、一种块体纳米晶软磁合金材料，其特征在于，所述块体纳米晶软磁合金材料为Fe-Co-Cu-B-X合金材料，以合金材料的总原子量计，各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42％-45％；

Co：42％-45％；

Cu：0.5％-1.5％；

B：6％-10％；

X：3％-8％；

其中X选自Nb或Sm中的一种或两种，以合金材料的总原子量计，Nb的原子组成百分比Nb％的取值范围为0≤Nb％≤6％；Sm的原子组成百分比Sm％的取值范围为0≤Sm％≤3％，且Nb％和Sm％不同时为0。

2、如权利要求1所述的块体纳米晶软磁合金材料，其特征在于，以合金材料的总原子量计，各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42％-45％；

Co：42％-45％；

Cu：0.5％-1.5％；

B：6％-8.5％；

X：3％-6.5％；

3、如权利要求1所述的块体纳米晶软磁合金材料，其特征在于，以合金材料的总原子量计，各组成成分的原子组成百分比为：

Fe：42.5％；

Co：42.5％；

Cu：1％；

B：8％；

X：6％；

4、权利要求1-3中任一权利要求所述的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法，包括如下步骤：

5、如权利要求4所述的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，将混合料在电弧炉内在1000℃～1300℃的温度范围内熔炼。

6、如权利要求4所述的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中单辊甩带法制备非晶薄带是在真空条件下进行，且辊子的转速为25～35m/s；非晶薄带的带宽为2mm，厚度为20～40μm。

7、如权利要求4所述的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中热处理的温度为200℃～400℃，处理时间为1～2小时。

8、如权利要求4所述的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中非晶薄带粉碎后制得的粉体的粒径范围为50～100μm。

9、如权利要求4所述的块体纳米晶软磁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中放电等离子烧结过程的压力范围为30～70Mpa；烧结温度为700～800℃；烧结时间为5～10分钟。