CN102011049A - 一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法，分子式为Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金，其中0＜x＜3，x优选为0.5≤x≤2，x进一步优选为0.5、1、1.5或者2。本发明通过加入一定量的Ta元素，在适当的温度下烧结后，本合金的显微硬度大幅提高；通过粉末冶金的制备方法，适量的Ta元素还可以提高Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金的抗拉强度，机械性能得到显著改善，且工艺简单，成型能力好，可制备出各种形状兼具软磁性能和机械性能的器件，满足航空航天领域的需求。

Description

一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于软磁合金技术领域，具体涉及一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法。

背景技术

软磁材料是指剩磁(Mr)和矫顽力(Hc)均很小的铁磁材料。软磁材料的特点是易磁化、易去磁，且磁滞回线较窄，常用来制作电机、变压器、电磁铁等电器的铁心。

合金化粉末的制备方法通常采用机械合金化法，利用高能球磨技术，在高速转动的球磨罐中实现混合粉末的合金化。

铁钴基纳米晶软磁合金与铁基、铁硅基的纳米晶软磁合金相比，具有居里温度高的优点，因此它解决了铁基、铁硅基的纳米晶软磁合金只能在低温下应用的限制。

铁钴基软磁合金具有高磁导率、高饱和磁通、低矫顽力、低铁损等优点，但由于其强度及韧性较低，其应用主要限制在条带和薄膜的形式，而难于广泛应用。而航空航天领域中常用的电机材料要求既有良好的软磁性能，同时兼具一定的强度及硬度，以满足其特殊的服役环境。

目前广泛研究试用的Fe₄₃Co₄₃Si₉B₅合金，其力学性能如抗拉强度为205.3Mpa，显微硬度HV_0.1为215.98Mpa，但是距离航空航天领域中常用电机材料的性能要求还相差很多，因此急需新的材料来替代现有材料。

目前针对提高软磁合金的机械性能主要采取合金元素添加、制备工艺的改善等几个方面。如参考文献1：R.S.Sundar，S.C.Deevi，Influence of alloying elements on the mechanical properties of FeCo-V alloys，Intermetallics，12(2004)921-927.中R.S.Sundar中发现V和Ni元素的添加可以使得FeCo基软磁合金在高温时具有良好的延伸率和抗拉强度。参考文献2：Baolong Shen，Akihisa Inoue，Chuntao Chang，Superhigh strength and good soft-magnetic properties of(Fe，Co)-B-Si-Nb bulk glassy alloys with high glass-forming ability，Appl.Phys.Lett.85(2004)4911.中Baolong Shen通过快速凝固的方法得到大块CoFeTaB金属玻璃，显著提高了其断裂强度，但是通过快速凝固的方法制得的金属玻璃合金存在热稳定性差以及韧性低的缺点。参考文献3：Ronghai Yu，S.Basu，L.Ren，Y.Zhang，A.P.Majidi，K.M.Unruh，J.Q.Xiao，High Temperature Soft Magnetic Materials：FeCo Alloys and Composites，IEEETransaction on Magnetics 36(2000)3388中Ronghai Yu中采用电子束沉积的方法制备出的FeCo基软磁复合材料取得了较高的屈服强度和抗拉强度。但是传统的制备FeCo基软磁合金的工艺比较复杂，因此如何提高FeCo软磁合金的高温使用性能以及获得一种工艺简单，成型能力好的制备工艺则显得非常重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法，所述的Ta掺杂的FeCo基软磁合金通过在FeCo基软磁合金的基础上添加Ta元素，提高了合金的力学性能，使得Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金在航空航天电机铁心材料上的应用领域更广，有效地解决航空航天电机材料的应用受其力学性能限制的问题。

本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，该合金具体为Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金，其中0＜x＜3，x优选为0.5≤x≤2，x进一步优选为0.5、1、1.5或者2。该合金基体为α-FeCo相，Ta₅B₆作为第二相弥散分布在α-FeCo基体相中，形成一种网格结构。所述的Ta₅B₆相的弥散分布抑制了α-FeCo相的晶粒长大，并且其本身作为一种第二相强化提高了合金的硬度和强度。

本发明提出一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金的制备方法，具体包括以下几个步骤：

第一步：按Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x(其中0＜x＜3)原子百分比称取纯度98.5％的铁粉Fe、纯度99.2％的钴粉Co、纯度99.6％的硅粉Si、纯度99.9％的硼粉B和纯度99.9％的钽粉Ta，粒度均小于等于200目，并混合得到混合粉末。

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用高能球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球磨条件为球料比10∶1～20∶1，球磨时间10h～30h，磨球有不锈钢球和轴承钢球两种，规格分为Φ10mm和Φ6mm，其配比为1∶5；球磨机的转速为300～500r/min；并采用氩气保护的方式防止混合粉末氧化；最后得到粒径约为2μm～6μm的合金化粉体。

第三步：压制成型；

将上述制得的合金化粉体装入模具中在室温下进行压制成形，施加压力大小为600～900MPa，并保压1小时以上，得到生坯。

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中，抽真空至1×10^-3～4×10^-3Pa，升温速率为10～15℃/min，烧结温度为1000～1200℃，保温时间为60～90min后随炉冷却，即得到Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金。

本发明Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金的优点在于：

(1)本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法，通过向FeCo基软磁合金中加入一定量的Ta元素，在适当的温度下烧结后，本合金的显微硬度大幅提高；

(2)本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法，通过粉末冶金的制备方法，适量的Ta元素可以将Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金的抗拉强度提高，机械性能得到显著改善；

(3)本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金及其制备方法，Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金采用粉末冶金法制备，其工艺简单，成型能力好，可制备出各种形状兼具软磁性能和机械性能的器件，满足航空航天领域的需求。

附图说明

图1：本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金——Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金在1150℃烧结后的X射线衍射图；

图2：本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金经过1000～1200℃烧结后的显微硬度曲线；

图3：本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金经过1000～1200℃烧结后的抗拉硬度曲线；

图4：本发明提出的Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金在1100℃烧结时的断口形貌；

图5：本发明提出的Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金在1200℃烧结时的断口形貌；

图6：本发明提出的Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金在1100℃烧结时的断口形貌；

图7：本发明提出的Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金在1200℃烧结时的断口形貌。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，该合金具体为Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金，其中0＜x＜3，x优选为0.5≤x≤2，x进一步选为0.5、1、1.5或者2。该合金基体为α-FeCo相，Ta₅B₆作为第二相弥散分布在α-FeCo基体相中，形成一种网格结构。所述的Ta₅B₆相的弥散分布抑制了α-FeCo相的晶粒长大，并且其本身作为一种第二相强化提高了合金的硬度和强度。本发明提出一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金的制备方法，具体包括以下几个步骤：

第一步：按Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x(其中0＜x＜3)原子百分比称取纯度98.5％的铁粉Fe、纯度99.2％的钴粉Co、纯度99.6％的硅粉Si、纯度99.9％的硼粉B和纯度99.9％的钽粉Ta，粒度均小于等于200目，并混合得到混合粉末。

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用高能球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球磨条件为球料比10∶1～20∶1，球磨时间10h～30h，所述的行星球磨机的磨球有不锈钢球和轴承钢球两种，规格分为Φ10mm和Φ6mm，其配比为1∶5；球磨机的转速为300～500r/min；并采用氩气保护的方式防止混合粉末氧化；最后得到粒径约为2μm～6μm的合金化粉体。

第三步：压制成型；

将上述制得的合金化粉体装入模具中在室温下进行压制成形，施加压力大小为600～900MPa，并保压1小时以上，得到生坯。

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中，抽真空至1×10^-3～4×10^-3Pa，升温速率为10～15℃/min，烧结温度为1000～1200℃，保温60～90min后随炉冷却，即得到Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金。

制备得到的Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金X射线衍射图如图1所示，当Ta较低时(x≤1.0)，Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金的X射线为典型的α-FeCo相bcc结构的(110)、(200)、(211)三个衍射峰；随着Ta含量的增多，逐渐析出了Ta₅B₆相，这类析出物产生弥散强化的作用，使得Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x合金的显微硬度和抗拉强度得到有效提高。

实施例1：制备Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金，具体包括以下几个步骤：

第一步：按Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金原子百分比称取纯度98.5％的铁粉Fe、纯度99.2％的钴粉Co、纯度99.6％的硅粉Si、纯度99.9％的硼粉B和纯度99.9％的钽粉Ta；粒度均为200目，得到混合粉末。

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用高能球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球磨条件为球料比10∶1，球磨时间30h，球磨机转速为300r/min，采用干磨的方式(所以球磨的介质为氩气)，采用氩气保护的方式防止粉末氧化；最后得到粒径约为2μm的合金化粉体。

第三步：压制成型；

将合金化粉体装入模具中在室温下进行压制成形，施加压力大小为600MPa，并保压3小时，得到生坯。

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中，抽真空至1×10^-3Pa，升温速率为10℃/min，烧结温度分别为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，保温60min，然后随炉冷却，即得到Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金。

经上述方法制备得到的Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金进行性能测试，不同烧结温度下的硬度和抗拉强度如表1所示，较Fe₄₃Co₄₃Si₉B₅合金有很大提高。从图4和图5中Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5合金的断口形貌看，随着烧结温度的升高至1100℃或1200℃，析出了低熔点富硅夹杂物，但随着Ta含量的增多，如图6和图7所示，该夹杂物逐渐消失，表明Ta有效地抑制了夹杂物的析出，从而提高了合金的抗拉强度。

表1：不同烧结温度下Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5软磁合金的硬度和抗拉强度表：

烧结温度	1000℃	1050℃	1100℃	1150℃	1200℃
						Fe42.5Co43Si9B5Ta0.5的硬度HV0.1(MPa)	98.5	125.6	359.1	394.4	456.7
Fe42.5Co43Si9B5Ta0.5的抗拉强度(MPa)	107.07	212.11	303.61	388.99	172.58

实施例2：制备Fe₄₂Co₄₃Si₉B₅Ta₁软磁合金。

第一步：按Fe₄₂Co₄₃Si₉B₅Ta₁软磁合金原子百分比称取纯度98.5％的铁粉Fe、纯度99.2％的钴粉Co、纯度99.6％的硅粉Si、纯度99.9％的硼粉B和纯度99.9％的钽粉Ta，粒度均为200目，并混合得到混合粉末。

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用高能球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球磨条件为球料比20∶1，球磨时间10h，球磨机转速为300r/min，采用干磨的方式(所以球磨的介质为氩气)，采用氩气保护的方式防止粉末氧化；最后得到粒径约为5μm的合金化粉体。

第三步：压制成型；

将合金化粉体装入模具中在室温下进行压制成形，施加压力大小为900MPa，并保压1小时，得到生坯。

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中，抽真空至2×10^-3Pa，升温速率为12℃/min，烧结温度分别为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，保温60min，然后随炉冷却，即得到软磁Fe₄₂Co₄₃Si₉B₅Ta₁合金。

经上述方法制备得到的Fe₄₂Co₄₃Si₉B₅Ta₁软磁合金进行性能测试，不同烧结温度下的硬度和抗拉强度如表2所示，较Fe₄₃Co₄₃Si₉B₅合金有很大提高，而且合金的硬度随着烧结温度的提高而逐渐提高，抗拉强度在烧结温度为1150℃时达到最大。

表2：不同烧结温度下Fe₄₂Co₄₃Si₉B₅Ta₁软磁合金的硬度和抗拉强度表：

烧结温度	1000℃	1050℃	1100℃	1150℃	1200℃
						Fe42Co43Si9B5Ta1的硬度HV0.1(MPa)	99.9	136.2	386.9	451.3	506.2
Fe42Co43Si9B5Ta1抗拉强度(MPa)	100.78	207.62	291.82	391.87	178.52

实施例3：制备Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金，具体包括以下几个步骤：

第一步：按Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金原子百分比称取纯度98.5％的铁粉Fe、纯度99.2％的钴粉Co、纯度99.6％的硅粉Si、纯度99.9％的硼粉B和纯度99.9％的钽粉Ta；粒度均为150目，并混合得到混合粉末。

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用高能球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球磨条件为球料比15∶1，球磨时间20h，球磨机转速为400r/min，采用干磨的方式(所以球磨的介质为氩气)，采用氩气保护的方式防止粉末氧化；最后得到粒径约为4μm的合金化粉体。

第三步：压制成型；

将合金化粉体装入模具中在室温下进行压制成形，施加压力大小为800MPa，并保压2小时，得到生坯。

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中，抽真空至3×10^-3Pa，升温速率为14℃/min，烧结温度为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，保温70min，然后随炉冷却，即可得到Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金。

将经上述方法制备得到的Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金进行性能测试，不同烧结温度下的硬度和抗拉强度如表3所示，较Fe₄₃Co₄₃Si₉B₅合金有很大提高，合金的硬度随着烧结温度的提高而得到提高，而合金的抗拉强度在烧结温度为1150℃时达到最大，490.23MPa。从图2和图3中可以看出Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金具有较高的硬度和抗拉强度。随着Ta含量的增多，如图6和图7所示，夹杂物逐渐消失，表明Ta有效地抑制了夹杂物的析出，从而提高了Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金的抗拉强度。

表3：不同烧结温度下Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5软磁合金的硬度和抗拉强度表：

烧结温度	1000℃	1050℃	1100℃	1150℃	1200℃
						Fe41.5Co43Si9B5Ta1.5的硬度HV0.1(MPa)	107.5	133.9	349.4	376.9	439.2

Fe41.5Co43Si9B5Ta1.5的抗拉强度(MPa)

124.86

220.44

466.16

490.23

385.49

实施例4：制备Fe₄₁Co₄₃Si₉B₅Ta₂软磁合金，具体包括以下几个步骤：

第一步：按Fe₄₁Co₄₃Si₉B₅Ta₂软磁合金原子百分比称取纯度98.5％的铁粉Fe、纯度99.2％的钴粉Co、纯度99.6％的硅粉Si、纯度99.9％的硼粉B和纯度99.9％的钽粉Ta；粒度均为100目，得到混合粉末。

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用高能球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球磨条件为球料比10∶1，球磨时间30h，球磨机转速为500r/min，采用干磨的方式(所以球磨的介质为氩气)，采用氩气保护的方式防止粉末氧化；最后得到粒径约为6μm的合金化粉体。

第三步：压制成型；

将合金化粉体装入模具中进行压制成形，施加压力大小为900MPa，并保压1小时，得到生坯。

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中，抽真空至4×10^-3Pa，升温速率为15℃/min，烧结温度为1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，保温90min，然后随炉冷却，得到Fe₄₁Co₄₃Si₉B₅Ta₂软磁合金。

经上述方法制备得到的Fe₄₁Co₄₃Si₉B₅Ta₂软磁合金进行性能测试，不同烧结温度下的硬度和抗拉强度如表4所示，较Fe₄₃Co₄₃Si₉B₅合金有很大提高。

表4：不同烧结温度下Fe₄₁Co₄₃Si₉B₅Ta₂软磁合金的硬度和抗拉强度表：

烧结温度	1000℃	1050℃	1100℃	1150℃	1200℃
						Fe41Co43Si9B5Ta2的硬度HV0.1(MPa)	111.1	134.2	340.6	365.8	431.6
Fe41Co43Si9B5Ta2抗拉强度(MPa)	118.74	214.2	441.43	466.4	355.75

为保证合金的致密度以提高合金的抗拉强度，合金必须要经过高温烧结，但烧结温度过高会出现过烧现象，析出低熔点夹杂物，严重恶化合金的抗拉强度。本发明提供的Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金，采用粉末冶金方法制备，在烧结温度为1150℃时候的抗拉强度较好，可达到388.99～490.23MPa，合金的硬度为365.8～451.3Hv_0.1，同时兼具良好的抗拉强度和显微硬度，为航空航天领域中所需要的软磁合金材料提供了一种优选方案。

Claims (10)

1.一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：该合金为Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金，其中x满足0＜x＜3。

2.根据权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的软磁合金为Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金，其中x满足0.5≤x≤2。

3.根据权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金的基体为α-FeCo相，Ta₅B₆作为第二相弥散分布在α-FeCo相中，形成网格结构，其中x满足0＜x＜3；Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金的硬度HV_0.1为98.5～451.3MPa，拉伸强度为100.78～490.23MPa。

4.根据权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的软磁合金为Fe₄₂Co₄₃Si₉B₅Ta₁。

5.根据权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的软磁合金为Fe_42.5Co₄₃Si₉B₅Ta_0.5。

6.根据权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的软磁合金为Fe_41.5Co₄₃Si₉B₅Ta_1.5。

7.根据权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的软磁合金为Fe₄₁Co₄₃Si₉B₅Ta₂。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金，其特征在于：所述的Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金通过粉末冶金的方法制备，其中0＜x＜3。

9.一种权利要求1所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

第一步：按Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x原子百分比称取铁粉、钴粉、硅粉、硼粉和钽粉，粒度均小于等于200目，并混合得到混合粉末；其中x满足0＜x＜3；

第二步：合金化粉末制备；

将混合粉末采用球磨技术，利用行星球磨机进行合金化，球料比10∶1～20∶1，球磨时间为10h～30h，磨球有不锈钢球和轴承钢球，球磨机的转速为300～500r/min，并采用氩气保护的方式防止混合粉末氧化，得到合金化粉体；

第三步：压制成型；

将合金化粉体在室温下装入模具中进行压制成形，施加压力大小为600～900MPa，压制时间1h以上，得到生坯；

第四步：真空烧结；

将生坯放入真空热处理炉中真空烧结，抽真空至1×10^-3～4×10^-3Pa，升温速率为10～15℃/min，烧结温度为1000～1200℃，保温60～90min后随炉冷却，得到Fe_43-xCo₄₃Si₉B₅Ta_x软磁合金。

10.根据权利要求9所述的一种Ta掺杂的FeCo基软磁合金的制备方法，其特征在于：所述的第二步和第三步的合金化粉体的粒度为2μm～6μm。

Images