CN102304680A - 一种低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带及其制备方法，属于功能材料中软磁合金领域。所述材料的组分及原子百分比如下：Cu：1.05～3％；Si：13.6～15％；B：9.05～12.5％；Al：0.1～10％；其余为Fe。按合金配方配料，由真空中频感应熔炼炉多次熔炼制取母合金，通过控制转辊速率在单辊急冷装置中制备非晶薄带，再适当退火获得最终产品。该产品具有高的饱和磁化强度及较低的矫顽力等优异软磁性能。与传统的铁基纳米晶软磁合金Finemet相比，用廉价的Al取代贵重的Nb，大大降低了生产成本。同时，薄带表面光洁度高，具有良好的韧性，生产工艺简单，适用范围宽广。

Description

一种低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有优异软磁性能的新型FeCuSiBAl系非晶/纳米晶薄带，属于功能材料中软磁合金领域。 

背景技术

铁基非晶/纳米晶合金具有高磁感、高磁导率、低损耗、低成本等特点，可以替代Co基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，广泛应用于高频电力电子和电子信息领域。 

在传统的Fe-Si-B非晶合金中添加Cu、Nb并经过热处理制得的Finemet合金(Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，Journal of Applied Physics.，1988，vols.64，P6044)在具有高饱和磁感应强度(Bs＝1.35T)的同时初始磁导率高达10万以上。但由于该合金中含有价格昂贵的Nb，增加了工业生产成本，且合金在熔融态时由于Nb的加入粘度增大，流动性差，降低了合金的非晶形成能力。因此，许多学者以Finemet合金为基础，通过调整合金组分及含量来达到性能的优化及成本的降低，如Yoshizawa公布的Fe₇₆Cu_0.6Nb_2.4Si₁₂B₉纳米晶合金在1kHz时有效磁导率高达1.7×10⁵，且饱和磁感应强度B₈₀₀保持在1.37T(Scripta Materialia，2001，vols.44，P1321)；Inoue等人去除Finemet合金中的Cu获得(Fe_0.75B_0.15Si_0.10)_100-xNb_x(x＝1，2，4)非晶合金，饱和磁感应强度Bs高达1.47～1.51T，矫顽力低至2.9～3.7A/m(Materials Transactions，2002，vols.43，P766)。另外，先后出现的Fe-Cu-V-Sn-Si-B、Fe-(Al，Ga)-(P，C，B，Si，Ge)-(Nb，Mo，Gr)、Fe-(Co，Ni)-(Zr，Hf，Nb，Ta，Mo，W)-B系非晶/纳米晶合金也表现出优良的软磁性能。但是，这些合金所含的Nb、Mo、W等元素价格昂贵，且成分复杂，提高了实际生产的成本与可操作性。因此，开发出价格低廉、成分简单且软磁性能优异的铁基非晶/纳米晶软磁合金有着重要的实际应用价值。目前尚没有利用廉价的Al元素完全取代昂贵的Nb元素，来改善Finemet合金软磁性能的公开报道。 

发明内容

本发明的目的旨在克服现有Finemet型合金工业生产中存在的不足和缺陷，提出一种组分配比合理，生产工艺简单，通过采用廉价的金属Al替代Finemet中价格昂贵的Nb来 降低生产成本并表现在优异软磁性能的新型铁基非晶/纳米晶软磁合金薄带及其制备方法。 

一种低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带，具有以下原子百分比的组分： 

Cu   1.05～3％ 

Si   13.6～15％ 

B    9.05～12.5％ 

Al   0.1～10％ 

余量为Fe，各组分之和为100％。 

优选各组分的原子百分比为：1.05％Cu，13.6％Si，9.05％B，0.1％Al，其余为Fe。 

或者：3％Cu，15％Si，10％B，2％Al，其余为Fe。 

或者：1.05％Cu，13.6％Si，9.05％B，10％Al，其余为Fe。 

或者：2％Cu，14％Si，12.5％B，7％Al，其余为Fe。 

低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带的制备方法：按原子百分比计算并称量出各组分；在真空及保护性气氛条件下，熔炼制取Fe-Cu-Si-B-Al母合金；再在保护性气氛下感应熔融母合金，并喷射至铜辊上，急冷凝固形成非晶薄带；在真空条件下对非晶薄带进行退火，即可。 

所述的熔炼制取Fe-Cu-Si-B-Al母合金的具体步骤如下：将各组分放入真空中频感应熔炼炉中，抽真空至1×10^-3～1×10^-1Pa，充入氩气保护，氩气压力为0.01～0.1MPa，熔炼温度1600～2400℃，熔炼5～60分钟后随炉冷却；合金反复熔炼3～5次。 

所述的感应熔融母合金的具体步骤如下：在氩气保护下利用单辊急冷装置感应熔融母合金，氩气压力0.01～0.1MPa，温度1000～1800℃；熔炼3～60分钟后喷射至线速度30～80m/s的铜辊上，合金急冷凝固形成非晶薄带。 

所述的退火是在350～650℃下退火5～600分钟。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

在不改变传统的Finemet型合金薄带制备工艺和设备的情况下，通过用Al元素替代Nb元素，降低了FeCuSiBAl系合金在熔融态时的粘度，提高了合金的非晶形成能力，还降低了成本。非晶态合金经过适当热处理获得bcc Fe-Si纳米晶与剩余非晶组织的均匀混合体，这种组织的软磁性能远远超过其非晶态。弥散分布的Cu原子表现为有效的形核质点，加速合金由无序向有序的转变过程，生成纳米晶粒。Al元素的加入可有效抑制铁硼化物的生成，确保非晶态合金中的Fe元素在热处理晶化时生成更多对软磁性能有利的bcc Fe-Si 纳米晶。在Al元素与Cu元素的共同作用下，FeCuSiBAl系非晶/纳米晶薄带材料表现出高饱和磁化强度和磁导率，低矫顽力的优异软磁性能。 

综上所述，本发明软磁性能优异，生产工艺简单，成本低廉，可广泛用于国防工业与民用产品中，如高频开关电源用磁芯，变压器，整流器等。 

本发明的最佳实施例如下： 

Al含量为0.1％的铁基非晶/纳米晶薄带材料，其组分及原子百分比为：1.05％Cu，13.6％Si，9.05％B，0.1％Al，其余为Fe。合金采用真空中频感应熔炼炉在1600℃下熔炼3次，熔炼好的母合金放入单辊急冷装置的感应炉中加热至1000℃后喷射至线速度30m/s的高速旋转的铜辊上，制得非晶薄带。非晶薄带在真空炉中于360℃下退火580分钟，制得纳米晶含量72.6％的非晶/纳米晶薄带。薄带在室温下的饱和磁化强度为1.45T，矫顽力为2.4A/m。 

Al含量为2％的铁基非晶/纳米晶薄带材料，其组分及原子百分比为：3％Cu，15％Si，10％B，2％Al，其余为Fe。合金采用真空中频感应熔炼炉在2400℃下熔炼4次，熔炼好的母合金放入单辊急冷装置的感应炉中加热至1800℃后喷射至线速度80m/s的高速旋转的铜辊上，制得非晶薄带。非晶薄带在真空炉中于600℃下退火60分钟，制得纳米晶含量75.3％的非晶/纳米晶薄带。薄带在室温下的饱和磁化强度为1.47T，矫顽力为2.2A/m。 

Al含量为10％的铁基非晶/纳米晶薄带材料，其组分及原子百分比为：1.05％Cu，13.6％Si，9.05％B，10％Al，其余为Fe。合金采用真空中频感应熔炼炉在2000℃下熔炼5次，熔炼好的母合金放入单辊急冷装置的感应炉中加热至1200℃后喷射至线速度50m/s的高速旋转的铜辊上，制得非晶薄带。非晶薄带在真空炉中于560℃下退火60分钟，制得纳米晶含量79.5％的非晶/纳米晶薄带。薄带在室温下的饱和磁化强度为1.52T，矫顽力为3.2A/m。 

Al含量为7％的铁基非晶/纳米晶薄带材料，其组分及原子百分比为：2％Cu，14％Si，12.5％B，7％Al，其余为Fe。合金采用真空中频感应熔炼炉在1800℃下熔炼3次，熔炼好的母合金放入单辊急冷装置的感应炉中加热至1300℃后喷射至线速度60m/s的高速旋转的铜辊上，制得非晶薄带。非晶薄带在真空炉中于600℃下退火30分钟，制得纳米晶含量78.7％的非晶/纳米晶薄带。薄带在室温下的饱和磁化强度为1.54T，矫顽力为3.0A/m。 

具体实施方式

以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。 

结合本发明的方法提供以下实例： 

本发明的最佳实施例是在Finemet合金的基础上用Al替代Nb，设计了4种合金。实施例合金与对比合金Finemet的化学成分如表1所示，软磁性能如表2所示。 

实施例1： 

制备Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1非晶/纳米晶薄带 

第一步：按Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1原子百分比进行配料。 

按照Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁22.0273克，纯度为99.9％的铜0.3454克，纯度为99.9％的硅1.9772克，纯度为99.9％的硼0.5064克，纯度为99.9％的铝0.0140克。 

第二步：制取Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1母合金 

将第一步的配料用酒精洗净后放入真空中频感应熔炼炉中，调节真空度至5×10^-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体，调节电流15A，熔炼温度1600℃，熔炼60分钟后随炉冷却。合金反复熔炼3次后取出。 

第三步：制取Fe_76.2Cu_1.05Si1_3.6B_9.05Al_0.1非晶薄带 

将第二步制得的Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1母合金放入单辊急冷装置的感应炉中，调节真空度至5×10^-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体。调节感流10A，感应温度1000℃。熔炼3分钟后喷射至线速度30m/s的高速旋转的铜辊上，熔融合金在辊面上快速冷却凝固并由于离心作用脱离辊面向外飞出，得到厚20微米、宽3毫米的非晶薄带。 

第四步：制取Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1非晶/纳米晶薄带 

将第三步制得的Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_90.5Al_0.1非晶薄带放入真空炉中，于360℃退火580分钟，即可得到Fe_76.2Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al_0.1非晶/纳米晶薄带。 

该薄带中纳米晶的含量为72.6％，饱和磁化强度为1.45T，矫顽力为2.4A/m。 

实施例2： 

制备Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂非晶/纳米晶薄带 

第一步：按Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂原子百分比进行配料。 

按照Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁22.7034克，纯度为99.9％的铜1.1072克，纯度为99.9％的硅2.4467克，纯度为99.9％的硼0.6279克，纯度为99.9％的铝0.3135克。 

第二步：制取Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂母合金 

将第一步的配料用酒精洗净后放入真空中频感应熔炼炉中，调节真空度至1×10^-2Pa，然后充入0.1MPa氩气保护气体，调节电流20A，熔炼温度2400℃，熔炼7分钟后随炉冷却。合金反复熔炼4次后取出。 

第三步：制取Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂非晶薄带 

将第二步制得的Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂母合金放入单辊急冷装置的感应炉中，调节真空度至1×10^-3Pa，然后充入0.1MPa氩气保护气体。调节感流10A，感应温度1800℃。熔炼4分钟后喷射至线速度80m/s的高速旋转的铜辊上，熔融合金在辊面上快速冷却凝固并由于离心作用脱离辊面向外飞出，得到厚20微米、宽2毫米的非晶薄带。 

第四步：制取Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂非晶/纳米晶薄带 

将第三步制得的Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂非晶薄带放入真空炉中，于600℃退火60分钟，即可得到Fe₇₀Cu₃Si₁₅B₁₀Al₂非晶/纳米晶薄带。 

该薄带中纳米晶的含量为75.3％，饱和磁化强度为1.47T，矫顽力为2.2A/m。 

实施例3： 

制备Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀非晶/纳米晶薄带 

第一步：按Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀原子百分比进行配料。 

按照Fe_66.3Cu_1.05Si1_3.6B_9.05Al₁₀化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁25.2437克，纯度为99.9％的铜0.4549克，纯度为99.9％的硅2.6042克，纯度为99.9％的硼0.6671克，纯度为99.9％的铝1.8400克。 

第二步：制取Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀母合金 

将第一步的配料用酒精洗净后放入真空中频感应熔炼炉中，调节真空度至6×10^-3Pa，然后充入0.06MPa氩气保护气体，调节电流20A，熔炼温度2000℃，熔炼30分钟后随炉冷却。合金反复熔炼5次后取出。 

第三步：制取Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀非晶薄带 

将第二步制得的Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀母合金放入单辊急冷装置的感应炉中，调节真空度至5×10^-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体。调节感流15A，感应温度1200℃。熔炼4分钟后喷射至线速度50m/s的高速旋转的铜辊上，熔融合金在辊面上快速冷却凝固并由于离心作用脱离辊面向外飞出，得到厚20微米、宽2毫米的非晶薄带。 

第四步：制取Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀非晶/纳米晶薄带 

将第三步制得的Fe_66.3Cu_1.05Si_13.6B_9.05Al₁₀非晶薄带放入真空炉中，于560℃退火60分 钟，即可得到Fe_66.3Cu_10.5Si_13.6B_9.05Al₁₀非晶/纳米晶薄带。 

该薄带中纳米晶的含量为79.5％，饱和磁化强度为1.52T，矫顽力为3.2A/m。 

实施例4： 

制备Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇非晶/纳米晶薄带 

第一步：按Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇原子百分比进行配料。 

按照Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇化学成分，分别称取纯度为99.9％的铁25.7618克，纯度为99.9％的铜0.9090克，纯度为99.9％的硅2.8122克，纯度为99.9％的硼0.9665克，纯度为99.9％的铝1.3511克。 

第二步：制取Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇母合金 

将第一步的配料用酒精洗净后放入真空中频感应熔炼炉中，调节真空度至6×10^-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体，调节电流25A，熔炼温度1800℃，熔炼10分钟后随炉冷却。合金反复熔炼3次后取出。 

第三步：制取Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇非晶薄带 

将第二步制得的Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇母合金放入单辊急冷装置的感应炉中，调节真空度至5×10^-3Pa，然后充入0.05MPa氩气保护气体。调节感流15A，感应温度1300℃。熔炼20分钟后喷射至线速度60m/s的高速旋转的铜辊上，熔融合金在辊面上快速冷却凝固并由于离心作用脱离辊面向外飞出，得到厚18微米、宽2毫米的非晶薄带。 

第四步：制取Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇非晶/纳米晶薄带 

将第三步制得的Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇非晶薄带放入真空炉中，于600℃退火30分钟，即可得到Fe_64.5Cu₂Si₁₄B_12.5Al₇非晶/纳米晶薄带。 

该薄带中纳米晶的含量为78.7％，饱和磁化强度为1.54T，矫顽力为3.0A/m。 

表1本发明合金与对比合金的主要化学成分(原子百分比) 

表2本发明合金与对比合金的磁性能(测试温度：室温) 

。

Claims (9)

1.一种低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带，其特征在于，具有以下原子百分比的组分：

Cu   1.05～3％

Si   13.6～15％

B    9.05～12.5％

Al   0.1～10％

余量为Fe，各组分之和为100％。

2.根据权利要求1所述的低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带，其特征是，各组分的原子百分比为：1.05％Cu，13.6％Si，9.05％B，0.1％Al，其余为Fe。

3.根据权利要求1所述的低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带，其特征是，各组分的原子百分比为：3％Cu，15％Si，10％B，2％Al，其余为Fe。

4.根据权利要求1所述的低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带，其特征是，各组分的原子百分比为：1.05％Cu，13.6％Si，9.05％B，10％Al，其余为Fe。

5.根据权利要求1所述的低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带，其特征是，各组分的原子百分比为：2％Cu，14％Si，12.5％B，7％Al，其余为Fe。

6.制备权利要求1所述的低成本且具有优异软磁性能的铁基非晶/纳米晶薄带的方法，其特征在于，包括以下步骤：

按原子百分比计算并称量出各组分；在真空及保护性气氛条件下，熔炼制取Fe-Cu-Si-B-Al母合金；再在保护性气氛下感应熔融母合金，并喷射至铜辊上，急冷凝固形成非晶薄带；在真空条件下对非晶薄带进行退火，即可。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述的熔炼制取Fe-Cu-Si-B-Al母合金的具体步骤如下：将各组分放入真空中频感应熔炼炉中，抽真空至1×10^-3～1×10^-1Pa，充入氩气保护，氩气压力为0.01～0.1MPa，熔炼温度1600～2400℃，熔炼5～60分钟后随炉冷却；合金反复熔炼3～5次。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述的感应熔融母合金的具体步骤如下：在氩气保护下利用单辊急冷装置感应熔融母合金，氩气压力0.01～0.1MPa，温度1000～1800℃；熔炼3～60分钟后喷射至线速度30～80m/s的铜辊上，合金急冷凝固形成非晶薄带。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述的退火是在350～650℃下退火5～600分钟。