CN101650999A - 一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铁基非晶或纳米晶软磁合金，目的是性能好、成本低；本发明合金成分可表述为Fe_aSi_bB_cCu_dNb_eM_f，M为Al、Ni或P；a、b、c、d、e、f为原子百分比，变化范围为：65≤a≤85，5≤b≤20，5≤c≤25，0≤d≤5，0≤e≤5，0.1≤f≤10；a+b+c+d+e+f＝100；其制备方法是将纯铁、铜等原料置于真空电弧炉熔炼得到合金铸锭；破碎，放入石英试管，用单辊甩带法制备出非晶合金薄带；放入管式退火炉，温度调至510℃～580℃，在Ar气保护下等温退火，出炉冷却；通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶合金或纳米晶粒均匀分布非晶基体上的纳米晶合金。

Description

一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁基非晶或纳米晶软磁合金材料及其制备方法。

背景技术

1988年日本日立金属的Yoshizawa等人发现了一种新型的铁基软磁合金“FINEMET”，其典型成分为Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃(Journal of Applied Physics(应用物理学报)1988，64：6044-6046)。这种软磁合金最大的特点是具有与钴基非晶合金相当的低损耗、高磁导率和接近于零的磁致伸缩系数，同时它的饱和磁感应强度B_s超过了同类性能的其他软磁材料，达到1.2T左右。该软磁合金是在传统的Fe-Si-B非晶合金的基础上添加少量的Cu和Nb，通过退火处理而得，大量尺度在10～15nm的Fe-Si晶粒均匀地分布于残余非晶基体之中，得到了所谓的“纳米晶”结构。目前的研究结果表明，该软磁合金的晶化退火过程中，Cu具有促进晶粒形核的作用，而Nb则富集在晶粒的周围并强烈抑制晶粒长大，从而使晶粒的尺寸非常细小。Cu和Nb起到了提高形核率和降低长大速度的作用，这是形成纳米晶的重要条件，因此它们的作用十分关键。但是由于Nb的价格昂贵，而且Nb加入后明显降低了Fe-Si-B合金的饱和磁感应强度B_s，其他难熔过渡金属，如V、Mo、W、Ta等替代Nb，虽然可以达到细化晶粒的目的，但是软磁性能却没有明显改善。

发明内容

本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种综合磁性能优良、原材料成本大幅降低的铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法。

本发明铁基非(纳米)晶合金成分(原子百分比)可表示为Fe_aSi_bB_cCu_dNb_eM_f，M为Al、Ni或P；a、b、c、d、e、f的变化范围为：65≤a≤85，5≤b≤20，5≤c≤25，0≤d≤5，0≤e≤5，0.1≤f≤10，并且a+b+c+d+e+f＝100。

通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶合金或纳米晶粒均匀分布非晶基体上的纳米晶合金。通过改变各种元素的含量及热处理工艺，控制非(纳米)晶合金的微观结构，有效地改善和优化了合金的综合软磁性能，同时大幅降低合金的原材料成本。

合金中的元素B、Cu和Nb部分由Al、Ni、P元素中的任一种或多种替代，且总的替代量不超过10at％。

更优选择65≤a≤75，5≤b≤15，5≤c≤10，0.5≤d≤3.0，0.5≤e≤3，0.1≤f≤5。合金经过最优化退火处理后，其饱和磁感应强度为1.30T或以上，矫顽力为3.0A/m或以下。

本发明铁基非(纳米)晶合金是通过成分设计和一定的热处理工艺而得到。退火在Ar气保护的环境下进行，温度范围为510℃～580℃，不同成分合金的最优退火温度略有不同。

本发明制备方法是首先通过熔体快淬法制备出非晶合金薄带，再由这些非晶合金退火晶化获得纳米结构合金。具体的制备方法如下：

第一步，将纯度不低于99.9％(质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁等原材料按照合金成分要求配料。将配好的原材料置于非自耗真空电弧熔炼炉内熔炼，熔炼气氛为略大于一个大气压的氩气保护，熔炼电流250～350A，为保证合金成分的均匀性，每个铸锭反复熔炼4次，每次熔炼时间为60s。非自耗真空电弧熔采用WS-4型。

第二步，将熔炼得到的合金铸锭破碎，放入石英试管内，使用单辊甩带法制备出宽度在2～4mm，厚度约30μm的非晶合金薄带。

第三步，将非晶合金薄带放入管式退火炉内，将温度调至510℃～580℃，在Ar气保护下等温退火约一小时，然后在Ar气保护下出炉冷却。

非晶合金中各元素的原子百分比为：铁65～75at％，硅5～15at％，硼5～10at％，铜0.5～3.0at％，铌0.5～3.0at％，铝、镍、磷等0.1～10.0at％。成分的微小变化会导致非晶合金的最佳退火温度在510℃到580℃之间变化，镍含量增加，最佳退火降低，铝含量增加，最佳退火温度提高。

按照上述方法制备得到的Fe_aSi_bB_cCu_dNb_eM_f(M＝Al、Ni、P等)非(纳米)晶合金具有良好的综合软磁性能，其饱和磁感应强度B_s为1.30或以上，矫顽力H_c为3.0A/m或以下。在本发明中，材料的饱和磁感应强度采用美国Lakeshore Model 74035振动样品磁强计(VSM)测试，矫顽力采用日本理研BHS-40型直流B-H回线测量仪测得。

本发明适用于变压器、互感器、发电机、磁传感器等。本发明以非(纳米)晶合金的软磁性能机理及合金玻璃形成能力原理为指导，在Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃合金的基础上做适当成分调整，在不降低甚至提高材料磁性能的前提下，采用其他合金元素部分替代该合金中的贵金属，大大降低了合金的原材料成本；通过改变各种合金元素的含量及热处理工艺来控制这种新型铁基软磁合金的微观结构，从而优化其性能，高饱和磁感应强度、低矫顽力较低。

具体实施方式

实施例1：

(1)将纯度不低于99.9％(质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁等原材料按Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb_3-xM_x(x＝0.5～1.5)成分配料约60g；

(2)将清洗干净的原材料放入WS-4型非自耗真空电弧熔炼炉内，经电弧炉熔炼制备出成分均匀的母合金铸锭；

(3)将铸锭敲碎，放入石英试管中，采用单辊甩带法制备出宽约3mm，厚约30μm的非晶合金薄带；

(4)采用SK2-4-10型管式退火炉，在Ar气的保护下，非晶薄带在530℃～560℃等温退火一个小时，随后在Ar气保护下出炉冷却。

按上述方法制备得到的Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb_3-xM_x(x＝0.5～1.5)非(纳米)晶合金的饱和磁感应强度B_s＝1.35T或以上，矫顽力H_c＝1.3A/m或以下。

实施例2：

(1)将纯度不低于99.9％(质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁原材料按Fe_73.5Si_13.5Cu₁B_9-xNb_3-yM_x+y(x＝0.5～1.5，y＝0.5～1.5)成分配料约60g；

(2)将清洗干净的原材料放入WS-4型非自耗真空电弧熔炼炉内，经电弧熔炼制备出成分均匀的母合金铸锭；

(3)将铸锭破碎，放入石英试管中，采用单辊甩带法制备出宽3mm，厚约30μm的非晶合金薄带；

(4)采用SK2-4-10型管式退火炉，在Ar气的保护下，将非晶薄带在520℃～550℃等温退火一个小时，然后在Ar气保护下出炉冷却。

按上述方法制备得到的Fe_73.5Si_13.5Cu₁B_9-xNb_3-yM_x+y(x＝0.5～1.5，y＝0.5～1.5)非(纳米)晶合金的饱和磁感应强度B_s＝1.49T或以上，矫顽力H_c＝3.0A/m或以下。

Claims (4)

1.一种铁基非晶或纳米晶软磁合金，其特征是该合金的成分可以表述为Fe_aSi_bB_cCu_dNb_eM_f，M为Al、Ni或P，a、b、c、d、e、f为原子百分比，变化范围为：65≤a≤85，5≤b≤20，5≤c≤25，0≤d≤5，0≤e≤5，0.1≤f≤10，并且a+b+c+d+e+f＝100。

2.如权力要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金，其特征是合金中的元素B、Cu和Nb部分由Al、Ni、P元素中的任一种或多种替代，且总的替代量不超过10at％。

3.如权利要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金的制备方法，其特征是：

第一步，将纯度按照质量百分比计不低于99.9％的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁等原材料按照合金成分要求配料；置于非自耗真空电弧熔炼炉内熔炼，熔炼气氛为氩气保护；熔炼电流250A～350A；每个铸锭反复熔炼4次，每次熔炼时间为60s，以保证合金成分的均匀性；

第二步，将熔炼得到的合金铸锭破碎，放入石英试管内，使用单辊甩带法制备出厚度约为30μm的非晶合金薄带；

第三步，将非晶合金薄带放入管式退火炉内，将温度调至510℃～580℃，在Ar气保护下等温退火约一小时，然后在Ar气保护下出炉冷却。

4.如权力要求1、2、3所述的铁基非晶或纳米晶合金的制备方法，其特征是通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶合金或纳米晶粒均匀分布非晶基体上的纳米晶合金。