CN101800109B - 一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金，其中，铁基非晶合金的组成以原子比表示为：Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw；其中，x为4～20，y为3.5～5，z为1.8～2.3，w为0～10，余量为Fe。x+y+z+w为19～23，优选为19～20.5或20.5～23，更优选为20～20.5。P用于替代部分B，w优选为1～7，x+w优选为11～20。铁基非晶合金的组成以原子比表示优选为：Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2P2或Fe79.5B11Si3.5C2P4。铁基非晶合金的高饱和磁感强度Bs为1.3-1.64T，铁损为P13/50＜0.3W/kg。居里温度变化为381～418℃。本发明的成份配比中使用廉价的P替代部分元素B，在大大降低了制造成本的同时仍具有良好的软磁性能。
Description
技术领域：
本发明涉及磁性功能材料及其制备方法，具体的涉及一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金及其制造方法。
背景技术：
对于用于磁头、变压器、扼流线圈的软磁合金，一般要求其具有的特性是高饱和磁通密度、高导磁率、低矫顽力等。以往，对于上述用途，使用Fe、Si合金、Fe、Ni合金等，而现在逐渐被Fe基或Co基非晶态合金薄带所替代。由于FeSi合金的饱和磁通密度高，但铁损大，所以在用于变压器时，存在电力损耗变大的问题。另外，对于FeNi合金而言，虽然其具有高的磁导率等优良的软磁性能，但存在饱和磁通密度低的问题，所以在大功率电力器件应用方面受到限制。
目前，非晶软磁合金所达到的最好单项性能水平为：初始磁导率14*104，最大磁导率220*104，矫顽力0.08A/m，矩形比Br/Bs＝0.995，饱和磁感强度1.9T。但是这些合金的共同特征是高成本，上述的这些合金中不是Co基非晶合金就是铁基中加入原子百分比不少于10％的Co。
而非晶材料制造成本较高导致非晶变压器的生产没有形成规模。同等规格下非晶变压器的售价为S9的1.5倍，用户大约要7-8年才能通过节省的能耗收回初期增加的投资，虽然国家出台有关非晶变压器生产和使用者税收优惠的政策，但使用者积极性仍然不高，只有在非晶变压器的售价为S9的1.3倍(非晶铁心价格降为30元/公斤左右)，用户大约要3-4年通过节省的能耗收回初期增加的投资，用户会有较强的积极性。因此，在保证非晶带材的性能不受影响的前提下，如何降低非晶带材制造成本是非晶材料是否能大量应用的关键。
此外、传统的非晶态合金的热处理工艺都是用普通的电阻丝退火热处理炉进行退火处理，其缺点是加热速度慢，铁芯受热不均匀，不利于非晶态合 金的磁性能改善。
鉴于上述缺点，迫切需要出现一种软磁性能高、成本低廉、工艺简单的铁基非晶合金。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于磁头、变压器、扼流线圈应用的低成本、磁性能优良的铁基非晶Fe-Si-B-C-P合金薄带。将合金中各成分的含量调整的更合理，在不影响饱和磁感强度的情况下尽量的降低Fe含量，增加非晶化元素Si、B、C、P元素的比例，以提高合金本身的非晶形成能力，并且使用P元素代替部分B元素。这样就会大大提高合金带材制造的成功率，从而间接降低了生产成本。本发明的目的在于提供一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金，其中，所述铁基非晶合金的组成以原子比表示为：Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw；其中，x为4～20，y为3.5～5，z为1.8～2.3，w为0～10，余量为Fe。
x+y+z+w为19～23，优选为19～20.5或20.5～23，更优选为20～20.5。
所述P用于替代部分B，w优选为1～7，x+w优选为11～20。
所述铁基非晶合金的组成以原子比表示优选为：Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2 P2或Fe79.5B11Si3.5C2 P4。
所述铁基非晶合金的高饱和磁感强度Bs为1.3-1.64T，铁损为P13/50＜0.3W/kg。
所述铁基非晶合金的居里温度变化为381～418℃。
为更好的实现本发明目的，本发明还提供了一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金的制造方法，其中，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分配比配置母合金，
步骤二、熔炼步骤一所得的母合金，
步骤三、重熔步骤二所得的合金、并制成薄带，
步骤四、对步骤三所得非晶薄带进行热处理，
步骤五、对步骤四获得产品进行性能检测。
所述软磁性能高的低成本的铁基非晶合金的制造方法，操作所述步骤一时，按照权利要求1所述的铁基非晶合金的目标成分所需的原子个数计算出与之相应的原料，并使用物理天平进行称量，配制出Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw的母合金；
操作所述步骤二时，将步骤一所得的母合金投入中频真空感应炉中熔融，熔融过程中，调节抽真空度至2～6×10-3Pa，充入压力0.03～0.08Mpa氩气保护气体，调节电流控制熔融温度在1100～1600℃，熔炼时间6～10分钟后随炉冷却取出即得的Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw母合金合金锭；
操作所述步骤三时，将步骤二所得合金锭投入中频真空感应炉进行二次熔炼，当熔融合金达到1350℃时，充入氩气，将熔融合金喷至旋转的水冷铜辊上，制成薄带；操作做成中控制喷铸压力为1～1.2MPa；辊嘴间距0.3～0.5mm；冷却辊线速度32～36m/s；制得合金薄带带材厚度为25～30微米，宽度为8～15毫米；
操作所述步骤四时，将所得合金薄带在420～450℃、在氩气保护下通过中频感应炉进行退火3～6分钟；
操作所述步骤五时，将步骤四所得铁基非晶合金薄带进行各性能指标测试，得到合格产品。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：
1、配方中使用廉价的P替代部分元素B，降低了制造成本。
2、本发明具有良好的软磁性能。热处理工艺中采用中频加热，加热速度快，受热均匀，有利于非晶态合金的磁性改善
附图说明：
图1为本发明中Bs随P置换量(at％)的变化图
图2为本发明中P的置换量为1、4、8、9、10时的X射线衍射图谱
具体实施方式：
本发明的合金成分为Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw，其中4＜x＜20，3.5＜y＜5，1.8＜z＜2.3，0＜w＜10，余量为Fe。为了提高铁基非晶合金的非晶形成能力，提高 制带成功率，我们通过降低Fe元素的含量，同时增加非晶化元素Si、B、C、P的含量来实现的。同时尽量多的使用廉价P来替代昂贵的B来实现降低合金成本的目的。使本发明得到一种低成本、高饱和磁通密度的铁基非晶合金带材。
Fe是获得高磁通密度重要元素，为了使饱和磁通密度在1.0以上，Fe元素的原子百分比最好在75以上，但是，Fe元素含量过高会增加铁芯损耗，并使合金的非晶形成能力恶化，大大降低带材的成功率。本发明Fe含量的上限为原子百分比为82，Fe优选原子百分比在78-81。
B是具有提高软磁性合金的非晶质形成的效果，防止结晶组织粗大化的效果，以及在热处理工序中，抑制化合物相生成的效果。B的加入不但保持了合金室温下的饱和磁感应强度不变，而且提高了合金的居里温度和晶化温度，这样就会使合金在较高的最终退火温度下进行退火，使合金带材得以充分地消除应力和促使合金磁有序状态的形成，改善合金带材的磁性能。当量太少时，很难使合金非晶态化，导致软磁特性降低且铁芯损耗增加。B量太大时，会降低合金中Fe和Si的百分比，导致磁通密度的降低，B优选原子百分比在4-20。
Si是对合金非晶态化的重要元素，也是保持合金的居里温度高到某种程度所必需的元素，Si太少时，合金居里温度太低而无法投入实际应用，Si量太多时，会增加合金的铁芯损耗，导致磁通密度降低。Si优选原子百分比在3.5-5。
C能有效降低合金的熔体粘度并改善与轧辊的可湿性，可以使带材表面皱褶和毛刺量大量减少，有效地提高带材的表面质量。但是太多的C会通过老化使磁特性变差。C优选原子百分比在1.8-2.3之间。
P元素的添加，薄带退火时，应力松弛效果增大，显现优异的软磁特性的最佳温度范围扩大。通过此应力松弛效果，磁畴壁移动更容易，磁滞损耗降低。本发明将P元素含量定为原子百分比在0-10之间。
本发明与已有技术相比，具有低铁，低硅，低硼、高磷的特点，是新型的Fe-B-Si-C-P非晶合金，其是具有高饱和磁感强度，低铁损的铁基非晶合金带材。
实施本发明所用的原料是工业纯铁、工业硼铁、工业磷铁、结晶硅和碳 棒。试验方法是将原料按照权利要求的成分配制后，先经真空感应熔炼炉熔炼母合金，再将母合金装入下面有缝的石英坩埚在真空感应炉中熔化，然后在一定的气压下喷吹到一个高速旋转的冷却辊上制成厚度为25μm，宽度为5-20mm的非晶带材。
本专利通过一种新型的热处理方式进行退火处理，通过比传统热处理温度稍高一些温度、短时间进行热处理，为了使铁芯在热处理过程中受热均匀，我们采用中频感应热处理方式进行热处理。中频感应的优点是加热时间快，物体受热均匀。这样的热处理方式大大提高了工业生产的效率。
下面结合附图，对本发明进行说明。
实施例1：
原材料为工业纯铁、工业硼铁、硅、碳棒。将原材料按权利要求1中所确定的原子百分比范围设计了以下成份合金：Fe75B10Si13C2、Fe76B10.5Si11.5C2、Fe77B11Si10C2、Fe78B11.7Si9.3C2、Fe79.5B15Si3.5C2、Fe79.5B13Si5.5C2、Fe80B16Si2C2、Fe80B16.5Si3C0.5、Fe81B16Si2.5C0.5、Fe81B14Si3C2、Fe82B15Si2C1。如表一所示，
| 序号 | 区分 | Fe量(原子％) | B量(原子％) | Si量(原子％) | C量(原子％) |
| 1 | 比较例 | 75 | 10 | 13 | 2 |
| 2 | 比较例 | 76 | 10.5 | 11.5 | 2 |
| 3 | 发明例 | 77 | 11 | 10 | 2 |
| 4 | 发明例 | 78 | 11.7 | 9.3 | 2 |
| 5 | 发明例 | 79.5 | 13 | 5.5 | 2 |
| 6 | 发明例 | 79.5 | 15 | 3.5 | 2 |
| 7 | 发明例 | 80 | 16 | 2 | 2 |
| 8 | 发明例 | 80 | 16.5 | 3 | 0.5 |
| 9 | 发明例 | 81 | 16 | 2.5 | 0.5 |
| 10 | 发明例 | 81 | 14 | 3 | 2 |
| 11 | 比较例 | 82 | 15 | 2 | 1 |
表一
表一中序号1、2、11为比较例，序号3-10为本发明的发明例。按上述 成份原子百分比比例配制合金，在真空感应炉内熔炼后铸成合金锭，然后放入真空感应炉内进行二次熔炼，当熔融的合金达到喷带温度1350℃时，充入纯度为99.99％的氩气，将熔融合金喷至旋转的水冷铜辊上，制成薄带。薄带制备的主要工艺参数为：熔体温度1350℃；喷铸压力1.2MPa；辊嘴间距0.3mm；冷却辊线速度35m/s；制得带材厚度为25±1μm，带材宽度10±0.1mm。将所得合金薄带在430℃、氩气保护下通过中频感应炉进行退火5分钟后，测得软磁性能归纳如表二所示。
| 序号 | 区分 | 饱和磁感强度Bs(T) | W13/50(W/Kg) | 居里温度Tc(℃) |
| 1 | 比较例 | 1.35 | 0.264 | 420 |
| 2 | 比较例 | 1.39 | 0.262 | 423 |
| 3 | 发明例 | 1.44 | 0.244 | 418 |
| 4 | 发明例 | 1.53 | 0.227 | 418 |
| 5 | 发明例 | 1.61 | 0.151 | 415 |
| 6 | 发明例 | 1.62 | 0.132 | 415 |
| 7 | 发明例 | 1.63 | 0.223 | 406 |
| 8 | 发明例 | 1.61 | 0.198 | 395 |
| 9 | 发明例 | 1.62 | 0.210 | 381 |
| 10 | 发明例 | 1.62 | 0.283 | 386 |
| 11 | 比较例 | 1.62 | 0.285 | 375 |
表二
比较例1、2、11号中看出当Fe原子百分比在76或者以下的时候，薄带的饱和磁感强度在1.4T以下，不能满足本发明高Bs的要求，当Fe原子百分比在81以上时，饱和磁感强度Bs不能得到明显的改善，相反在磁感强度在1.3T，频率为50Hz下的铁损明显提高。
3-10号为本发明例，饱和磁感强度都在1.44T以上，而铁损W13/50在0.28W/Kg以下，居里温度在380℃以上。其中软磁性能最优的一组合金成分为Fe79.5B15Si3.5C2。
实施例2：
参照Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw化学式；其中，x为4～20，y为3.5～5，z为1.8～2.3，w为0～10，余量为Fe。x+y+z+w为19～23，优选为19～20.5或20.5～23，更优选为20～20.5。元素P用于替代部分B，w优选为1～7，x+w优选为11～20。铁基非晶合金的组成以原子比表示优选为：Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2 P2或Fe79.5B11Si3.5C2 P4或Fe79.5B15-wSi3.5C2Pw。本发明铁基非晶合金的高饱和磁感强度Bs为1.3-1.64T，铁损为P13/50＜0.3W/kg。居里温度变化为381～418℃。
从实施例1中优选综合性能最好的Fe79.5B15Si3.5C2为基础，将部分的B用廉价的P代替，从而来降低合金成分的成本。非晶合金设计的通式为Fe79.5B15-wSi3.5C2Pw，其中w＝0-10，原材料为工业纯铁、工业硼铁、工业磷铁、硅、碳棒。制造方法如下：
步骤一，按化学成分配比配置母合金，
步骤二、熔炼步骤一所得的母合金，
步骤三、重熔步骤二所得的合金、并制成薄带，
步骤四、对步骤三所得非晶薄带进行热处理，
步骤五、对步骤四获得产品进行性能检测。
操作所述步骤一时，按照Fe79.5B15-wSi3.5C2Pw配制出母合金；
操作所述步骤二时，将步骤一所得的母合金投入中频真空感应炉中熔融，熔融过程中，调节抽真空度至2～6×10-3Pa，充入压力0.03～0.08Mpa氩气保护气体，调节电流控制熔融温度在1100～1600℃，熔炼时间6～10分钟后随炉冷却取出即得的Fe79.5B15-wSi3.5C2Pw母合金合金锭；
操作所述步骤三时，将步骤二所得合金锭投入中频真空感应炉进行二次熔炼，当熔融合金达到1350℃时，充入氩气，将熔融合金喷至旋转的水冷铜辊上，制成薄带；操作做成中控制喷铸压力为1～1.2MPa；辊嘴间距0.3～0.5mm；冷却辊线速度32～36m/s；制得合金薄带带材厚度为25～30微米，宽度为8～15毫米；
操作所述步骤四时，将所得合金薄带在420～450℃、在氩气保护下通过中频感应炉进行退火3～6分钟；退火处理用的是中频感应热处理炉进行退火处理，其优点是加热速度快，铁芯受热均匀。加热时间短对磁性能改善有好处，而且会大大缩短热处理时间，提高了工作效率。
操作所述步骤五时，将步骤四所得铁基非晶合金薄带进行各性能指标测试，得到合格产品。
制得的铁基非晶合金带材的化学成分如表三所示。
| 序号 | 区分 | P置换量w | B量15-w | 组织结构 | 带材质量 |
| 12 | 比较例 | 0 | 15 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 13 | 比较例 | 0.5 | 14.5 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 14 | 发明例 | 1.0 | 14 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 15 | 发明例 | 2.0 | 13 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 16 | 发明例 | 3.0 | 12 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 17 | 发明例 | 4.0 | 11 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 18 | 发明例 | 5.0 | 10 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 19 | 发明例 | 6.0 | 9 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 20 | 发明例 | 7.0 | 8 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 21 | 发明例 | 8.0 | 7 | 完全非晶态 | 光亮，平整 |
| 22 | 比较例 | 9.0 | 6 | 部分非晶态 | 粗糙，易断 |
| 23 | 比较例 | 10 | 5 | 部分非晶态 | 粗糙，易断 |
表三
从带材的质量看，只有序号22、23号比较例表面粗糙，而且极脆易断。通过XRD进一步分析发现，除比较例22、23外，XRD曲线均表现出典型的非晶漫反射峰。从这一点表明导致此带材质量恶化的主要原因是合金的组织结构不为完全非晶态。
将所得合金薄带在430℃、氩气保护下通过中频感应炉进行退火5分钟后，测得软磁性能归纳如表四所示：
| 序号 | 区分 | P置换量x | B量15-x | 饱和磁感应强Bs(T) | W13/50(W/Kg) |
| 12 | 比较例 | 0 | 15 | 1.62 | 0.132 |
| 13 | 比较例 | 0.5 | 14.5 | 1.61 | 0.203 |
| 14 | 发明例 | 1.0 | 14 | 1.61 | 0.145 |
| 15 | 发明例 | 2.0 | 13 | 1.62 | 0.122 |
| 16 | 发明例 | 3.0 | 12 | 1.62 | 0.113 |
| 17 | 发明例 | 4.0 | 11 | 1.62 | 0.105 |
| 18 | 发明例 | 5.0 | 10 | 1.62 | 0.098 |
| 19 | 发明例 | 6.0 | 9 | 1.63 | 0.089 |
| 20 | 发明例 | 7.0 | 8 | 1.64 | 0.092 |
| 21 | 发明例 | 8.0 | 7 | 1.62 | 0.101 |
| 22 | 比较例 | 9.0 | 6 | 1.52 | 0.354 |
| 23 | 比较例 | 10 | 5 | 1.34 | 0.395 |
表四
如图1～图2所示，图1为本发明中Bs随P置换量(at％)的变化图。图2为本发明中P的置换量为1、4、8、9、10时的X射线衍射图谱。从图中可以看出Bs为1.3-1.64T，铁损为P13/50＜0.3W/kg。即表示，本发明具有优异的软磁性能。
综上所述，本发明专利通过一种新型的中频感应热处理方式进行退火处理，这种退火处理比传统热处理温度稍高一些温度、且短时间内进行热处理，为了使铁芯在热处理过程中受热均匀。这样的热处理方式大大提高了工业生产的效率。并且，本发明配方中使用廉价的P替代部分元素B，降低了制造成本。并且在降低成本的同时仍使产品具有良好的软磁性能。
Claims (3)
1.一种软磁性能高的低成本的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的组成以原子比表示为：Fe79.5B12Si3.5C2·P3或Fe79.5B13Si3.5C2P2或Fe79.5B11Si3.5C2P4，所述P用于替代部分B。
2.根据权利要求1所述软磁性能高的低成本的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的高饱和磁感强度Bs为1.3-1.64T，铁损为P13/50＜0.3W/kg，所述铁基非晶合金制成的薄带带材厚度为25～30微米，宽度为8～15毫米。
3.根据权利要求1所述软磁性能高的低成本的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的居里温度变化为381～418℃。
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