CN102412045A

CN102412045A - 铁基纳米晶软磁合金

Info

Publication number: CN102412045A
Application number: CN2011104186311A
Authority: CN
Inventors: 王寅岗; 缪雪飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102412045B

Abstract

一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于该合金的成分组成由化学式表示为Fe_gSi_aP_bC_cCu_dMn_eAl_f，其中a、b、c、d、e、f、g为原子百分数，a=8.5~12，b=4~7，c=1~3，d=0.5~1.5，e=0.25~0.5，f=0.75~1.5，g=100-a-b-c-d-e-f。本发明铁基纳米晶软磁合金不含有贵重的Co、Zr、Nb、B等元素，成本低廉，而且在最优晶化退火工艺条件下B_s最高可达到1.71T，H_c最低可以达到0.9A/m的优异软磁性能。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电子变压器、互感器等领域。

Description

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低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金。

背景技术

随着电力电子产业的迅速发展，电力电子设备向小型化、轻薄化、集成化、智能化和多功能化的方向发展，这对设备中电磁元件所用的软磁材料提出了更高的要求，即必须具备高饱和磁感应强度、低矫顽力和低磁滞损耗等优异的综合软磁性能。尽管硅钢具有极高的饱和磁感应强度，有利于减小电力电子设备的体积，但是其较低的磁导率和较高的铁芯损耗使其难以在高频下使用。而铁基非晶、纳米晶软磁合金同时具有高的饱和磁感应强度和低的磁滞损耗，因而成为当下材料科学工作者和产业界关注的焦点。将铁基非晶、纳米晶软磁合金应用到电力电子变压器上时，其空载损耗仅为同容量的硅钢芯变压器20～30％左右，美国通过使用这种变压器每年可节约近5×10¹⁰kW·h的空载损耗，节能产生的经济效益约为35亿美元。同时，减少电力损耗也就降低了发电的燃料消耗，从而减少了诸如CO₂、SO₂、NO、NO₂等有害气体的排放量。这与国家在“十二五”规划中提出“加快建设资源节约型、环境友好型社会，提高生态文明水平”的指导思想相一致。

然而，传统的铁基非晶、纳米晶软磁合金含Co、Nb、Zr等贵重金属元素以及昂贵的B元素，因此较高的原材料成本限制了其大规模推广应用。

发明内容

解决的技术问题：本发明的目的在于提供一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金。

技术方案：

一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金，该合金的成分组成由化学式表示为Fe_gSi_aP_bC_cCu_dMn_eAl_f，其中a、b、c、d、e、f、g为原子百分数，a＝8.5～12，b＝4～7，c＝1～3，d＝0.5～1.5，e＝0.25～0.5，f＝0.75～1.5，g＝(100-a-b-c-d-e-f)。其成分优选为：Fe_81.25Si_8.5P₇C₁Cu_0.5Mn_0.25Al_1.5；Fe_78.75Si_1.2P₅C_1.5Cu_1.5Mn_0.5Al_0.75；Fe_80.7Si₁₀P₄C₃Cu₁Mn_0.3Al₁。

有益效果：本发明合金成分中非金属Si、P、C元素增强了合金成分之间的原子结合力，同时不同尺寸的非金属原子的加入有利于提高非晶微观结构中原子排列的致密性，易于在快淬过程中形成非晶态合金。Cu元素在非晶合金晶化初期先富集形成团簇，为α-Fe析出提供异质形核的核心，提高了α-Fe的形核密度，从而减小α-Fe纳米晶粒尺寸，因此本发明中适量Cu元素的加入可以在不降低纳米晶合金的饱和磁感应强度的前提下提高其软磁性能。Mn元素使得α-Fe析出后剩余非晶合金的稳定性增强，从而避免了具有较大磁晶各向异性的其他晶体相的析出。适量Al元素的加入可以降低合金的磁晶各向异性，而且Al作为一种类半金属元素能提高合金的非晶形成能力。同时廉价的低熔点的Al元素有利于合金的熔炼及喷铸过程，提高了淬态非晶薄带的韧性和成品率，降低合金了成本。

本发明采用传统的非晶晶化法制备纳米晶软磁合金。首先按照本发明合金成分进行配料并熔炼成成分分布均匀的母合金，然后将母合金加热到熔融状态，通过喷嘴喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄带，最后将快淬得到的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不含有贵重的Co、Zr、Nb、B等元素，成本低廉，而且在最优晶化退火工艺条件下B_s最高可达到1.71T，H_c最低可以达到0.9A/m的优异软磁性能。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电子变压器、互感器等领域。

附图说明

附图1为本发明实施例1，2，3即Fe_81.25Si_8.5P₇C₁Cu_0.5Mn_0.25Al_1.5；Fe_78.75Si₁₂P₅C_1.5Cu_1.5Mn_0.5Al_0.75；Fe_80.7Si₁₀P₄C₃Cu₁Mn_0.3Al₁纳米晶合金的磁滞回线。纵坐标为磁感应强度B(T)，横坐标为磁场强度H(A/m)。为了清楚地得出各个实施例的H_c，附图1的插图中给出了H＝-5～5A/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。

根据本发明铁基纳米晶软磁合金的成分范围，我们制备了3组本发明实施例，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1～3，4为对比例)。

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、Si、P-Fe、C、Cu、Mn、Al、B-Fe、Nb(B和Nb为对比例含有的元素)；

(2)采用电弧熔炼炉熔炼由上述成分组成的母合金，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，辊轮表面线速度为40m/s。

(4)退火晶化法制备纳米晶软磁合金：将上步所得的非晶薄带在真空退火炉中Ar气保护下进行晶化退火，实施例1～3的最优退火条件为480℃保温30min，对比例4的最优退火条件为530℃保温1h。

(5)采用B-H回线仪测试纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度B_s和矫顽力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

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1可以看出：本发明铁基纳米晶软磁合金与传统的纳米晶软磁合金(FINEMET)相比，不含有贵重的Co、Zr、Nb、B等元素，因此本发明合金成分有着相对低廉的成本优势。

从表2可知：本发明铁基纳米晶软磁合金的矫顽力与FINEMET接近，但饱和磁感应强度可达1.71T远高于FINEMET，因此有着优异的软磁性能。

由此可见，本发明铁基纳米晶软磁合金具有低成本、高软磁性能的优点，更适合规模生产，应用于电力电子变压器、互感器等领域。

Claims

1.一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于该合金的成分组成由化学式表示为Fe_gSi_aP_bC_cCu_dMn_eAl_f，其中a、b、c、d、e、f、g为原子百分数，a=8.5~12，b=4~7，c=1~3，d=0.5~1.5，e=0.25~0.5，f=0.75~1.5，g=100-a-b-c-d-e-f。

2.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于成分为：Fe_81.25Si_8.5P₇C₁Cu_0.5Mn_0.25Al_1.5。

3.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于成分为：Fe_78.75Si₁₂P₅C_1.5Cu_1.5Mn_0.5Al_0.75。

4.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于成分为：Fe_80.7Si₁₀P₄C₃Cu₁Mn_0.3Al₁。