CN101847483A - 一种利用稀土元素改性的铁硅硼非晶软磁合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非晶软磁合金材料，具体涉及利用稀土元素改性的铁硅硼软磁非晶丝材料。在该合金组分中包括有铁基或钴基或镍基的铁磁性材料、玻璃化元素硅和硼以及微量稀土元素镧、镨和铈混合物，它们的含量分别为：铁磁性材料占合金总重量76-77％，玻璃化元素硅占合金总重量79％，玻璃化元素硼占合金总重量14-16％，微量稀土元素混合物占合金总重量0.1-10.3％，在其微量稀土元素混合物中，镧、镨和铈各元素的原子比为1∶1∶1。本发明的合金在其组分中增加了多元稀土元素，有效改善了磁性能和力学性能，具有高磁导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损、频散特性好等优点。

Description

一种利用稀土元素改性的铁硅硼非晶软磁合金

技术领域

本发明涉及非晶软磁合金材料，具体涉及一种利用稀土元素改性的铁硅硼软磁非晶丝材料。

背景技术

非晶合金材料(又称金属玻璃)是一种无晶体原子结构的合金。所谓无晶是指液态金属在急冷凝固过程中来不及结晶，其原子排列仍然保持液态金属的长程无序状态。由于该合金中没有晶粒和晶界，具有易于磁化的特点，因此，非晶合金的综合软磁性能明显优于晶态软磁材料。非晶软磁合金材料是20世纪70年代问世的新型合金材料，1967年，Duwez教授率先开发出了Fe-P-C系非晶软磁合金，带动了第一个非晶合金研究开发热潮。1979年，美国Allied Signal公司开发出非晶合金宽带的平面流铸带技术，并于1982年建成非晶带材连续生产厂，先后推出Fe基、Co基和FeNi基系列非晶合金带材，标志着非晶合金产业化和商品化的开始。除美国之外，日本和德国在非晶合金应用开发方面也拥有自己的特色，主要应用在电子和电力电子元件领域，例如高级音响磁头、高频电源(含开关电源)用变压器、扼流圈、磁放大器等。1980年，日本Hagiwara首先提出采用内圆水纺法制备非晶合金丝材，随后，日本的Unitika公司开始利用此法商业生产Fe基和Co基非晶丝，作为产业化的软磁材料，应用重点集中在图书馆和超市用防盗标签。此外，利用非晶丝材各种独特的物理效应开发各类高性能传感器一直受到特别关注。尤其是最近在钻基非晶丝材中发现巨磁阻抗效应以来，高精度磁敏传感器的开发成为热点。1999年，日本科学技术振兴事业团委托名古屋大学和爱知钢铁公司联合开发MI微型传感器和专用集成电路芯片，目标是将非晶丝MI传感器用于高速公路的汽车自动导航和安全监测系统。

在我国，对于有关铁硅硼软磁的非晶丝材料也同样是研究热点。20世纪80年，国内东北大学和包头稀上研究院采用内圆水纺法初步开展了非晶合金丝材的制备技术、材料特性和应用基础研究，其中部分成果获得应用。20世纪90年代，安泰科技股份有限公司开始开发非晶合金丝材，在内圆水纺非晶丝和玻璃包覆非晶丝的连续化制备技术方面取得突破，并自主研制出高度自动化的中试生产设备取得成功。

综上所述，非晶软磁合金材料是国民经济与国防工业的重要基础材料，现有技术中已经先后出现Fe基、Co基和FeNi基系列非晶软磁合金材料，其中铁硅硼软磁非晶丝已经得到了广泛的应用。但是对于一般铁基非晶材料来说，它的饱和磁感应强度不太高，并且还存在晶化倾向，导致它的温度稳定性也不太好，不能完全满足高饱和磁感应强度、高温度稳定性优质软磁材料的需求。另一方面，常用的急冷法制备工艺生产的这类非晶合金，存在着很大的内应力，稳定性较弱，必须经过一定的热处理工艺，采用非晶晶化的方法改善其高频磁性能。在许多场合下铁基非晶态合金只有退火后才能获得优良的软磁性能，但是退火后材料本身几乎普遍存在脆化倾向。其主要原因是由于结构弛豫导致自由体积能的减少、元素的偏聚、相分离和晶化等，在不同温度下材料晶化过程中，常常伴随着晶粒尺寸长大，材料塑性降低和脆性增加，限制了Fe基非晶丝的大规模应用，严重制约了非晶软磁合金材料的发展。

至今未见有关采用稀土元素(La、Pr、Ce)对铁硅硼合金进行改性的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种利用多种稀土元素共同对铁硅硼合金进行改性的铁硅硼软磁合金，从而有效改善了其磁性能和力学性能。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的利用稀土元素改性的非晶铁硅硼软磁合金，其组分中包括有铁基或钴基或镍基的铁磁性材料，玻璃化元素硅和硼，其特征在于，其组分中还包括有微量稀土元素镧La、镨Pr和铈Ce混合物，它们的含量分别为

铁磁性材料占合金总重量：          76-77％，

玻璃化元素硅占合金总重量：        7-9％，

玻璃化元素硼占合金总重量：        14-16％，

微量稀土元素混合物占合金总重量：  0.1-0.3％。

在上述微量稀土元素混合物中，镧、镨和铈各元素的原子比为1∶1∶1。

将上述本发明的利用稀土元素改性的铁硅硼非晶软磁合金制备纤维材料的方法，可以首先将各组分原料共同放入熔化炉内熔炼铸成母合金锭，然后放入真空感应快淬炉内进行熔炼，达到过热度(1200-1300℃)后充入氮气，在氮气气氛保护下采用快淬成丝工艺，得到稳定非晶态组织的铁基金属纤维。

本发明的利用稀土元素改性的非晶铁硅硼软磁合金，在其组分中增加了多元稀土元素镧La、镨Pr、铈Ce，有效改善了其磁性能和力学性能。由于稀土元素的原子半径不同于Fe、Si、B的原子半径，在随机堆积中微量的稀土元素的原子可使非晶合金的堆积结构致密，阻止其晶化倾向，并可促进非晶形成，同时由于稀土元素能和合金中的其它元素形成稳定的化合物，特别是它们能与硼形成高熔点稀土的硼化物，能明显提高其晶化温度，从而稳定了非晶体结构，降低了合金的饱和磁致伸缩系数，有效改善了合金的高频磁性能。

本发明的利用稀土元素改性的非晶铁硅硼软磁合金，具有高磁导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损、频散特性好等优点；用本合金的纤维产品生产的磁电传感器，性能稳定、可靠、耐用，并且有脉冲尖锐、无颤动、自滤杂波和微型的特点，能由于车辆用非接触式磁电传感器中，也可应用于制备磁场、速度、位移、应力、位置传感器等各类力敏传感器、磁敏传感器中，具有十分广阔的市场应用前景。

下面通过实施例做进一步描述。

具体实施方式

实施例1

将各组分原料共同放入熔化炉内，用常规熔炼方法熔化冶炼，并浇铸成具有稀土元素改性的非晶铁硅硼软磁合金锭，各组分的含量分别是：铁基的铁磁性材料占合金总重量76.7％；玻璃化元素硅占合金总重量8％；玻璃化元素硼占合金总重量15％；微量稀土元素混合物占合金总重量0.3％。然后从所得合金锭取样测试其有关性能，并与未加入微量稀土元素混合物的普通的非晶铁硅硼软磁合金做比较，结果如表1，从表1可以看出，经稀土改性非晶铁硅硼软磁合金的各项性能都明显优于普通的非晶铁硅硼软磁合金。

实施例2

将各组分原料共同放入熔化炉内，用常规熔炼方法熔化冶炼，并浇铸成具有稀土元素改性的非晶铁硅硼软磁合金锭，各组分的含量分别是：铁基的铁磁性材料占合金总重量76.9％；玻璃化元素硅占合金总重量9％；玻璃化元素硼占合金总重量14％；微量稀土元素混合物占合金总重量0.1％。然后从所得合金锭上取样测试其有关性能，结果如下：饱和磁感B_s(T)为1.6；矫顽力(A/m)为2，最大磁导率μ为200,000，铁损(W/Kg)p50hz为0.12，电阻率(mw-cm)130。

实施例3

将各组分原料共同放入熔化炉内，用常规熔炼方法熔化冶炼，并浇铸成具有稀土元素改性的非晶铁硅硼软磁合金锭，各组分的含量分别是：钴基的铁磁性材料占合金总重量76.8％；玻璃化元素硅占合金总重量7％；玻璃化元素硼占合金总重量16％；微量稀土元素混合物占合金总重量0.2％。然后从所得合金锭上取样测试其有关性能，结果如下：饱和磁感B_s(T)为0.75；矫顽力(A/m)为1.2；最大磁导率μ为400,000；单位损耗(W/Kg)P1/400为1.5。

以上三实施例中，所用铁磁性材料、玻璃化元素及微量稀土元素混合物均直接从市场购得，所使用的熔炼炉和熔炼普通非晶铁硅硼软磁合金炉相同。

表1

性能	普通非晶铁硅硼软磁合金	稀土改性非晶铁硅硼软磁合金
			饱和磁感Bs(T)	1.6	1.56
矫顽力(A/m)	32	3
			最大磁导率μ		200,000
铁损(W/Kg)p50hz		0.2
			电阻率(mw-cm)	140	130

Claims (1)

1.一种利用稀土元素改性的铁硅硼非晶软磁合金，其组分中包括有铁基或钴基或镍基的铁磁性材料，玻璃化元素硅和硼，其特征在于，其组分中还包括有微量稀土元素镧La、镨Pr和铈Ce的混合物，它们的含量分别为

铁磁性材料占合金总重量：76-77％，

玻璃化元素硅占合金总重量：79％，

玻璃化元素硼占合金总重量：14-16％，

微量稀土元素混合物占合金总重量：0.1-0.3％，

在上述微量稀土元素混合物中，镧、镨和铈各元素的原子比为1∶1∶1。