CN102102167A

CN102102167A - 高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金

Info

Publication number: CN102102167A
Application number: CN 201010601563
Authority: CN
Inventors: 王寅岗; 缪雪飞; 郭敏
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102102167B

Abstract

本发明涉及一种高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金，属于功能材料中软磁合金的制备领域，化学式为Fe_gZr_aNb_bP_cB_dCu_eX_f，其中a、b、c、d、e、f、g均为原子百分数，a=1~5，b=1~5，c=2~4，d=4~9，e=0.5~1.5，f=0.5~2，g=（100-a-b-c-d-e-f），X为Al和Sn中的一种或两种，制备过程是：首先将各组分熔炼成均匀的母合金，然后将母合金加热到高温熔融状态通过喷嘴，喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄带，最后将淬态非晶薄带在一定温度下进行晶化退火得到纳米晶软磁合金。本发明铁基纳米晶软磁合金具有优异的淬态韧性和宽退火温度范围，能够有效降低快淬以及卷绕成铁芯等工艺过程中的废品率。可取代现有的硅钢片和铁基非晶、纳米晶软磁合金应用于电力变压器、互感器等领域。

Description

高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金

技术领域

本发明属于功能材料中软磁合金的技术领域，具体地讲是涉及一种具有高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金。

背景技术

铁基非晶、纳米晶软磁合金由于具有较低的损耗被认为是取代硅钢片用于电力变压器的理想材料。自上世纪八十和九十年代以来，先后出现了Fe-P-C、Fe-B-C、Fe-B-Si、Fe-B-Si-C、Fe-Cu-M-Si-B(M＝Nb，Cr，V，Mo，Zr，W)、Fe-M-B(M＝Nb，Hf，Zr)、(Fe，Co)-M-B-Cu(M＝Nb，Hf，Zr)等一系列铁基非晶、纳米晶软磁合金。目前，工业生产中非晶软磁合金薄带一般采用单辊旋淬法(甩带法)制备，再经过卷绕或叠片后制备成非晶铁芯，最后进行低温退火(使用态为非晶态)或高温退火(使用态为纳米晶态)。然而，非晶的脆性问题一直困扰着非晶合金生产企业。非晶合金如果脆性较大，在甩带过程中难以形成连续带材，降低生产效率，提高合金成本；在卷绕过程中会发生脆断，增加废品率；在使用过程中有可能产生掉碎片，噪声变大，损耗增加等等一系列的问题。此外，随着变压器的功率越来越大，铁芯也变得更大更复杂。在进行晶化退火制备纳米晶软磁合金时，由于铁芯尺寸较大、铁芯形状复杂、退火炉内温度分布不均匀等等因素的影响，铁芯上可能存在过度退火和退火不足的部位。因此，对于非晶合金而言，重要的不仅在一定条件下退火后具有优异的软磁性能，而且能在较宽的退火温度范围内仍均保持优异性能，即具有较宽的退火温度范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金。

本发明是通过以下技术方案实现的：

具有高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于化学式为Fe_gZr_aNb_bP_cB_dCu_eX_f，其中a、b、c、d、e、f、g为原子百分数，a＝1～5，b＝1～5，c＝2～4，d＝4～9，e＝0.5～1.5，f＝0.5～2，g＝(100-a-b-c-d-e-f)，X为Al和Sn中的一种或两种，优选Fe₈₁ZrNb₅P₂B₉Cu_1.5Al_0.5、Fe_82.5Zr₃Nb₄P₄B₄CuAlSn_0.5和Fe_81.5Zr₅NbP₄B₆Cu_0.5Sn₂。

本发明在合金成分中添加Zr和Nb元素，提高了合金的非晶形成能力，抑制了淬态薄带纳米晶的形成，从而降低淬态脆性，同时由于Zr和Nb原子尺寸较大，能抑制晶化退火过程晶粒的过分长大，从而保证本发明合金具有较宽的退火温度范围。一般非金属含量的较大时，非晶薄带的脆性较差，因此，保证合金具有高非晶形成能力的前提下，本发明采用较低的B、P含量来提高淬态非晶薄带的韧性。同时，Cu团簇在非晶合金晶化过程中可以作为α-Fe异质形核的形核位置，适当含量的Cu能保证在不影响非晶形成能力的前提下，发挥细化晶粒的作用，提高退火过程中软磁性能的稳定性。廉价的低熔点Al、Sn元素加入后能显著提高合金的铸造性能，提高淬态非晶薄带的韧性和成品率，降低成本。

本发明采用非晶晶化法进行制备。首先按照本发明合金成分进行配料并熔炼成均匀的母合金，然后将母合金加热到高温熔融状态通过喷嘴，喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄带，最后将淬态非晶薄带在一定温度下进行晶化退火得到纳米晶软磁合金。

本发明铁基纳米晶软磁合金在淬态具有优异的韧性，可以实现180°弯曲不断裂，能有效降低快淬以及卷绕成铁芯等工艺过程中的废品率，降低成本。同时，本发明铁基纳米晶软磁合金在最优晶化退火温度附近100～150℃范围退火时均能保持优异的软磁性能，能提高批量生产时性能稳定性。因此，本发明合金更适合规模生产，可取代现有的硅钢片和铁基非晶、纳米晶软磁合金应用于电力变压器、互感器等领域。

附图说明

附图1为本发明实施例2即Fe_82.5Zr₃Nb₄P₄B₄Cu₁Al₁Sn_0.5分别在450，500，550，600，650℃温度下保温1小时后的磁滞回线，纵坐标为磁感应强度B(T)，横坐标为磁场强度H(A/m)。为了清楚地比较各个温度退火后矫顽力H_c的大小关系，附图1中只给出了H＝-40～40A/m范围内的磁滞回线。

具体实施方式

下面通过几组实施例和对比例来对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅仅限于这些实施例。

根据本发明的铁基纳米晶软磁合金的组分范围(原子百分比)，制备了3组实施例，并在相同条件下制备了1组对比例(Finemet)，成分配比见表1(其中序号1-3为实施例，4为对比例)。

表1本发明实施例与现有典型纳米晶软磁合金Finemet的成分比较

各实施例和对比例的制备工艺以及性能检测方法如下：

(1)、按表1的成分配比称取纯度大于99.5％的Fe、Zr、Nb、Fe-P、Fe-B、Cu、Al、Si(对比例中含有Si)；

(2)、采用电弧熔炼炉熔炼母合金，反复熔炼3～5遍保证组分分布均匀，然后将熔炼好的母合金破碎，用蒸馏水、酒精清洗干净。

(3)、采用单辊旋淬设备制备非晶薄带：将母合金加热到高温熔融状态通过喷嘴，喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄带，辊轮转速为40m/s。

(4)、测定非晶薄带的韧性。断裂相对应变测试装置为改装的千分尺，在千分尺的砧和旋轴的端部用环氧树脂各粘贴上一个直径为15mm、厚度为3mm的钢制圆板，其中一个固定一个活动。试样弯曲成U型放于两板之间，转动旋钮直到条带断裂，记下两板间距d。

条带的断裂相对应变由下式确定：ε_f＝t/(d-t)；

其中：ε_f为断裂相对应变；t为非晶薄带厚度

当ε_f＜1时表明样品韧性较差；

当ε_f≥1时表明样品具有较好的韧性；

当ε_f＝-1时表明样品能实现180°弯曲不断裂，其韧性比ε_f≥1样品的韧性更优异。

为了减小误差，每一个试样的弯曲实验重复10次，各实施例和对比例的断裂相对应变见表2。

(5)、退火晶化法制备纳米晶软磁合金。将淬态非晶薄带在真空退火炉中Ar气保护下进行晶化退火，退火温度450～650℃(每50℃取一个温度点)，保温时间1小时。

(6)、采用B-H回线仪测试纳米晶软磁合金的矫顽力H_c，各实施例和对比例在不同退火温度下的矫顽力见表2。

表2本发明实施例与现有典型纳米晶软磁合金Finemet的性能比较

从表2中可以看出，本发明合金断裂相对应变值ε_f＝-1，能实现180°弯折不断裂，比对比例有着更好的韧性。而且在最优退火温度附近100～150℃范围温度退火时均能保持优异的软磁性能(H_c＝3～5A/m)，远大于对比例在最佳退火温度附近50℃范围内保持其软磁性能。由此可见，本发明铁基纳米晶软磁合金具有淬态韧性高、退火温度范围宽等优点，能够有效降低快淬以及卷绕成铁芯等工艺过程中的废品率，提高批量生产性能稳定性，降低成本，适合工业化规模生产。

Claims

1.具有高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于化学式为Fe_gZr_aNb_bP_cB_dCu_eX_f，其中a、b、c、d、e、f、g均为原子百分数，a=1~5，b=1~5，c=2~4，d=4~9，e=0.5~1.5，f=0.5~2，g=100-a-b-c-d-e-f，X为Al和Sn中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的具有高淬态韧性和宽退火温度范围的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于化学式为Fe₈₁ZrNb₅P₂B₉Cu_1.5Al_0.5、Fe_82.5Zr₃Nb₄P₄B₄CuAlSn_0.5和Fe_81.5Zr₅NbP₄B₆Cu_0.5Sn₂。