CN102254665B - 铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铁钴基纳米晶软磁合金，其特征在于包括如下组分及其摩尔百分比：Fe40％～42.8％；Co40％～42.8％；M5％～8％；B5％～12％；Cu0.1％～1.5％，其中M为Nb、Zr、Hf、Mo、W、Ta中的至少一种。本发明还公开了该软磁合金的制备方法。与现有技术相比，本发明的优点在于：采用合理优选的配比及非晶晶化法，制备出的铁钴基纳米晶软磁合金，具有居里温度高，饱和磁感应强度高的特点，并且软磁性能优异。

Description

铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铁钴基纳米晶软磁合金，本发明还涉及该铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法。 
背景技术
软磁材料是开发最早，种类最多的一类磁性功能材料，要求具有低矫顽力，高磁导率，高饱和磁化强度和低铁损等磁性能，在电工设备和电子设备中具有广泛的应用。对纳米晶软磁材料研究始于1988年。纳米晶软磁材料是一类新型软磁材料，它是由非晶基体及分布在非晶基体上的纳米级细小晶粒组成，可以由非晶合金部分晶化得到的。其软磁性能兼备了传统软磁材料的多项优点，如高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗等，被称为“第三代软磁”材料。它可以满足各类电子设备向高效节能、集成化方面发展的需求，而且制备容易，成本低廉。经过近三十年的研究，目前纳米晶软磁合金主要有三个体系：Fe-Si-B-M-Cu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金、Fe-M-B-Cu系(M＝Zr、Hf、Nb等)NANOPERM合金以及(Fe，Co)-M-B-Cu系(M＝Zr、Hf、Nb等)HITPERM合金。 
FINEMET已经获得了广泛的应用，但其高频损耗相对较大，饱和磁化强度相对较低，这类的技术文献可参考专利号为ZL200410101593.7的中国发明专利《含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金》(授权公告号：CN1306057C)，又可参考申请号为200810085015.7的中国发明专利申请公开《超高导磁纳米晶合金的制造方法及其纳米晶合金》(公开号为CN101255506A)，再有CN100443616C。 
NANOPERM合金虽然饱和磁化强度较高，但综合性能不及FINEMET合金。上述两类材料由于受到其非晶相和纳米晶相居里温度的限制，只能被应用在200℃以下，高温环境下将失去磁性。 
HITPERM合金系，虽然其居里温度和饱和磁化强度均较高，高频特性也优于NANOPERM合金，但其矫顽力高达200A/m，铁损也较高。 
随航空、航天和核能工业等国防领域的快速发展，对磁性材料提出了更高的要求。例如在航空、航天多电力飞行器中做集成动力装置，其工作温度从现在的300℃提高到500～600℃；应用于核电站反应堆内部的发动机和发电机组中的磁性材料要求可在高温条件下长时间服役。可在高温环境下应用的高性能磁性材料是确保航空、航天和国防领域的动力系统有效运行的基础，这类磁性材料的开发正受到越来越多的关注。因此，同时开发一种具有高居里温度，同时具有优异软磁性能的软磁材料是至关重要的。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种兼具高居里温度、高饱和磁感应强度及矫顽力交低的铁钴基纳米晶软磁合金。 
本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种兼具高居里温度、高饱和磁感应强度及矫顽力交低的铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法。 
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铁钴基纳米晶软磁合金，其特征在于合金包括Fe、Co、B和Cu四种主要元素及M元素(M为Nb、Zr、Hf、Mo、W、Ta中的一种或几种)，配比为FeaCobMcBdCue，式中a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子摩尔百分比，其中a＝40～42.5％，b＝40～42.5％，c＝5～8％，d＝5～9％，e＝0.1～1.5％，且a+b+c+d+e＝100％。各原料的纯度均大于99％。 
一种铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤： 
①按原子摩尔百分比将合金组分中的Fe、Co、M、B和Cu进行配料： 
Fe   40％～42.8％ 
Co   40％～42.8％ 
M    5％～8％ 
B    5％～12％ 
Cu   0.1％～1.5％， 
其中各原料的纯度均大于99％，M为Nb、Zr、Hf、Mo、W、Ta中的至少一种； 
②将配比好的原料在惰性气体氛围中，熔炼得到成分均匀的合金锭； 
③将合金锭通过制成非晶合金； 
④将非晶合金装入热处理炉中，在真空低于1.0×10-2或惰性气体氛围中，在540～630℃保温30～75分钟，最后淬火冷却，得到在非晶基体上分布着纳米晶粒的高居里温度高饱和磁感应强度的铁钴基纳米晶软磁合金。 
进一步，步骤②中所述的熔炼采用电弧熔炼、中频感应熔炼或高频感应熔炼。 
进一步，步骤③中所述的非晶合金为条带状、棒状、环状或丝状。 
进一步，步骤③中所述的合金锭通过单辊急冷法、铜模吹铸法或铜模吸铸法制成非晶合金。 
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用合理优选的配比及非晶晶化法，制备出的铁钴基纳米晶软磁合金，具有居里温度高，饱和磁感应强度高的特点，并且软磁性能优异。 
附图说明
图1为本发明实施例1中Fe42Co42Nb7B8Cu1非晶合金及纳米晶合金的X射线衍射花样。 
图2为本发明实施例1中Fe42Co42Nb7B8Cu1纳米晶合金的透射电镜图像及选区电子衍射花样。 
图3为本发明实施例1中Fe42Co42Nb7B8Cu1非晶合金的DSC曲线。 
图4为本发明实施例1中Fe42Co42Nb7B8Cu1非晶合金的热磁曲线。 
图5为本发明实施例1中Fe42Co42Nb7B8Cu1纳米晶合金的磁滞回线图。 
图6为本发明实施例2中Fe42.8Co42.8Nb3.3Zr3.3B6.8Cu1非晶合金及纳米晶合金的X射线衍射花样。 
图7为本发明实施例2中Fe42.8Co42.8Nb3.3Zr3.3B6.8Cu1非晶合金的DSC曲线。 
图8为本发明实施例2中Fe42.8Co42.8Nb3.3Zr3.3B6.8Cu1非晶合金的热磁曲线。 
图9为本发明实施例2中Fe42.8Co42.8Nb3.3Zr3.3B6.8Cu1纳米晶合金的磁滞回线图。 
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 
实施例1 
本实施例的高居里温度高饱和磁感应强度的铁钴基纳米晶合金的分子式表达为Fe42Co42Nb7B8Cu1，制备步骤如下：将纯度大于99％的原料Fe、Co、Nb、B、Cu按本实施例的铁钴基纳米晶合金成分配制15g，然后用电弧熔炼炉在氩气保护下进行熔炼，使合金中各成分混合均匀。 
将合金锭破碎后装入石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得宽约1.2mm、厚约26μm的非晶合金条带； 
将非晶条带置于石英管中，抽真空至3×10-3Pa以下，然后封闭石英管；将石英管置于600℃的热处理炉中，保温60分钟，然后立刻将石英管取出并置于水中淬火至室温。 
制备的母合金条带及在600℃保温60分钟后条带的XRD图谱如图1所示，可以看出母合金条带为非晶结构，退火处理后的合金条带出现了晶化。图2为退火处理后条带的透射电镜图像及选区电子衍射花样，可以看出，经热处理后的非晶条带由母体非晶相和晶化后得到纳米晶粒组成，其中纳米晶粒直径在5nm左右。 
母体非晶合金条带的DSC曲线如图3所示，测量的升温速度为10℃/min。非晶合金的第一起始晶化温度Tx1为443℃，第二起始晶化温度Tx2为773℃，由体心立方向面心立方转变温度为978℃。 
非晶合金条带升温过程中的热磁曲线如图4所示，测量升温速度为5℃/min。可以看出，合金的居里温度约为970℃。 
晶化热处理得到的纳米晶条带的磁滞回线如图5所示。其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(VSM，Lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度。可见，合金的饱和磁感应强度(Bs)为1.87T。 
实施例2 
本实施例的铁钴基纳米晶合金的分子式表达为Fe42.8Co42.8Nb3.3Zr3.3B6.8Cu1，制备步骤如下：将纯度大于99％的原料Fe、Co、Nb、Zr、B、Cu，按本实施例的铁钴基纳米晶合金成分配制15g，然后用电弧熔炼炉在氩气保护下进行熔炼，使合金中各成分混合均匀。 
将合金锭破碎后装入石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得宽约1.3mm、厚约25μm的非晶合金条带。 
将非晶条带置于石英管中，抽真空至8×10-3Pa以下，然后封闭石英管；将石英管置于600℃的热处理炉中，保温50分钟，然后立刻将石英管取出并置于水中淬火至室温。 
制备的母合金条带及在600℃保温50分钟后条带的XRD图谱如图6所示，可以看出母合金条带为非晶结构，退火处理后的合金条带出现了晶化。 
母体非晶合金条带的DSC曲线如图7所示，测量的升温速度为10℃/min。非晶合 金的第一起始晶化温度Tx1为453℃，第二起始晶化温度Tx2为729℃，由体心立方向面心立方转变温度为975℃。 
非晶合金条带升温过程中的热磁曲线如图8所示，测量升温速度为5℃/min。可以看出，合金的居里温度约为960℃。 
晶化热处理得到的纳米晶条带的磁滞回线如图9所示。其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(VSM，Lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度。可见，合金的饱和磁感应强度(Bs)为1.80T。 
Hf、Mo、W、Ta等金属替代Nb、Zr也能达到所需要的技术效果，这里不在一一列举。 

Claims (4)

1.一种高居里温度铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
①按原子摩尔百分比将合金组分中的Fe、Co、M、B和Cu进行配料：
Figure FSB0000114342450000011
其中各原料的纯度均大于99％，M为Nb、Zr、Hf、Mo、W、Ta中的至少一种，上述合金组分和为100％；
②将配比好的原料在惰性气体氛围中，熔炼得到成分均匀的合金锭；
③将合金锭制成非晶合金；
④将非晶合金装入热处理炉中，在真空度低于1.0×10-2或惰性气体氛围中，在540～630℃保温30～75分钟，最后淬火冷却，得到在非晶基体上分布着纳米晶粒的铁钴基纳米晶软磁合金。
2.根据权利要求1所述的铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于步骤②中所述的熔炼采用电弧熔炼、中频感应熔炼或高频感应熔炼。
3.根据权利要求1所述的铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于步骤⑧中所述的非晶合金为条带状、棒状、环状或丝状。
4.根据权利要求1所述的铁钴基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于步骤③中所述的合金锭通过单辊急冷法、铜模吹铸法或铜模吸铸法制成非晶合金。
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