CN102776444A - 一种铁基纳米晶合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铁基纳米晶合金及其制备方法。该合金的化学成分及其含量是：Fe为83.5~85.5wt%；Si为7~9wt%；B为1.4~2.1wt%；Cu为1.2~1.5wt%；P为0.1~0.7wt%；Nb为2.5~4wt%；V为1~2wt%。按上述化学成分及其含量配料，采用感应加热炉熔炼，再将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上，制成非晶合金薄带；然后将所制成的非晶合金薄带置入真空炉中晶化退火，制得铁基纳米晶合金。晶化退火的工艺为：450~480℃预退火40~60min，520~570℃晶化退火40~60min，出炉自然冷却至室温。本发明具有合金成本低、钢液流动性好和工业实施性强的特点，所制备的铁基纳米晶合金薄带光洁度好、非晶薄带韧性好、纳米晶粒更加细小弥散和有效磁导率随频率变化较小。
Description
技术领域
本发明属于纳米晶合金技术领域，具体是一种铁基纳米晶合金及其制备方法。
背景技术
1988年日本Yoshizawa等在J. Appl. Phys, 1988, 64: 6044-6046刊物上报道了一种新型的铁基非晶合金“Finemet”，其典型成分为Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3。该非晶合金是在传统的Fe-Si-B非晶合金的基础上添加少量的Cu和Nb，通过晶化退火得到一种非晶/纳米晶双相耦合结构，其中α-FeSi纳米晶粒尺寸为10~15nm，体积分数约为70%。
1992年Hono等研究表明（The microstructure evolmion of Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3 nanocrystalline soft magnetic material [J]. Acta Mater, 1992, 40(9): 2137~2147.），该非晶合金在晶化退火的过程中，由于Cu在Fe中的固溶度很小，与Fe分离后形成富Cu团簇，在富Cu团簇周边由于Fe、Si成分起伏加大，促进了α-FeSi的形核；而Nb则富集在晶粒周围抑制晶粒的长大，使晶粒尺寸非常细小。
这种非晶/纳米晶双相耦合结构使铁基合金具有饱和磁感应强度高、损耗低和磁导率高的特点，因而广泛应用于变频电路中。但是随着电子产品向小型化与高频化方向发展，要求磁器件在较宽的频率范围内有效磁导率变化较小。经检测，这种铁基纳米晶合金在工作频率为1KHz时，有效磁导率μe≈4.0×104 Gs/Oe，在工作频率1KHz~100KHz的范围内，μe 100KHz /μe 1KHz≈5%。因而限制了这种铁基纳米晶合金在变频电路中的应用。
“具有改进的工艺性能的低成本铁基纳米晶合金及其制备方法”（CN1687 477A）专利技术，提供了一种低成本的铁基纳米晶合金的化学成分和非晶薄带生产工艺；具体化学成分（重量百分含量）为：Fe为80~85%，Si为7~9%，B为1.5~2.5%，Cu为1~2%，M为4~9%，M′为0.001~0.01%，M为Mo和Nb的一种或两种，M′为改进工艺性能元素Al和Ti的一种或两种。该发明利用低纯度工业原料并用Mo元素来替代Nb起到了降低成本的作用。虽然用Mo来部分替代Nb同样能起到细化晶粒的作用，但是该合金性能并不能得到改善，有效磁导率随频率变化较大。非晶薄带生产工艺是在大气环境下利用单辊快淬法制成的，为了克服薄带在快速冷却过程中与空气接触产生气泡，改善薄带表面的光洁度，该发明添加了0.001~0.01%Al、Ti来提高钢液的流动性。但是由于该发明利用的是低纯度工业原料，其原料本身含有杂质元素Al、Ti，所以通过添加元素Al、Ti来改变钢液流动性的方法在工业生产中实施性小。
“一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金”（CN101629265A）专利技术，提供了一种具有低成本、高饱和磁感应强度和低损耗的新型铁基纳米晶合金；具体化学成分（原子百分含量）为：Si 6~9%，B 4~7%，P 3~6%，Cu 0.5~1.5%，Nb 0.05~0.15%，剩余为Fe。该发明降低了贵重金属Nb的含量，同时用廉价的P来替代贵重的B以降低成本。并且P与Cu共同作用使晶化退火后得到细小弥散分布的纳米晶，虽得到一种低成本、高饱和磁感应强度和低损耗的新型铁基纳米晶合金。但是P元素的原子百分含量≥3%提高了非晶薄带脆性，使薄带难以卷绕成型，并且Nb含量过低不能很好的起到细化晶粒的作用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提出一种合金成本低、钢液流动性好和工业实施性强的铁基纳米晶合金的制备方法，用该方法制备的铁基纳米晶合金薄带光洁度好、非晶薄带韧性好、纳米晶粒更加细小弥散和有效磁导率随频率变化较小。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该合金的化学成分及其含量是：Fe为83.5~85.5wt%；Si为7~9wt%；B为1.4~2.1wt%；Cu为1.2~1.5wt%；P为0.1~0.7wt%；Nb为2.5~4wt%；V为1~2wt%。
该合金的制备方法是：按上述化学成分及其含量配料，在感应加热炉中熔炼，再将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上，制成非晶合金薄带；然后将制成的非晶合金薄带置入真空炉中晶化退火，制得铁基纳米晶合金。
晶化退火的工艺为：450~480℃预退火40~60min，520~570℃晶化退火40~
60min，出炉自然冷却至室温。
所述熔炼是指：熔炼气氛为大气，待合金加热到熔融态时加入造渣剂，进行覆盖捞渣；造渣剂为CaO和B2O3的混合粉，CaO和B2O3的质量比为2：1。
所述高速旋转的转速为600~900r/min。
由于采用上述技术方案，本发明在Finemet合金的基础上加入了1~2wt%的V替代一部分Nb，由于V在Nb中的溶解度远远大于V在Fe中的溶解度，所以大部分V会从Fe中分离出来和Nb共同作用抑制晶粒长大，不会因为Nb含量过低而不能起到很好的细化晶粒的作用。从2012年8月国内FeNb60最新价格为21.7~23.3万元/吨，而本发明采用的FeV50最新价格为7.6~7.8万元/吨，所以用V替代一部分Nb可以明显降低合金成本。
为了进一步细化晶粒，本发明加入了0.1~0.7wt%的P以促进形核，与Cu共同作用使晶化退火后得到的纳米晶更加细小弥散。且P含量相对于专利技术“一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金”（CN101629265A）少，在细化晶粒的同时缓解了薄带的脆性。
在本发明中，由于V和P的加入，钢液流动性好，在空气中与铜辊接触时可快速冷却，生成的非晶薄带光洁度好，不需要添加0.001~0.01%Al、Ti（如CN1687 477A）来提高钢液的流动性，对原料纯度要求低，一方面降低了生产成本，另一方面提高了工业生产的可实施性。
本发明晶化退火工艺为：450~480℃预退火40~60min，520~570℃晶化退火40~60min。一方面释放部分非晶潜热，避免晶化放热使温度升得过高而导致的晶粒长大；另一方面使Cu、P充分偏聚成为非晶晶化形核核心。
在现在技术中，有效磁导率μe随着频率的升高是降低的。在工作频率1KHz
~100KHz的范围内，μe 100KHz/μe 1KHz的值是大于0小于1的。当μe 100KHz/μe 1KHz的值越趋近于1时，则说明其有效磁导率的恒稳性越好；相反，当μe 100KHz/μe 1KHz的值越趋近于0时，则说明其有效磁导率的恒稳性越差；当μe 100KHz/μe 1KHz值大于或等于15%时，则有效磁导率随频率的变化较小。
在现有技术中：如典型成分的Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3铁基纳米晶合金，工作频率为1KHz时，有效磁导率μe≈4.0×104 Gs/Oe，在工作频率1KHz~100KHz的范围内，μe 100KHz /μe 1KHz≈5%，故Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3铁基纳米晶合金的有效磁导率随频率的变化较大；而本发明制备的铁基纳米晶合金经检测分析：当工作频率为1KHz时，有效磁导率μe＞1.09×104Gs/Oe，在工作频率1KHz~100KHz的范围内，μe 100KHz/μe 1KHz﹥16.7%，故本发明所制备的铁基纳米晶合金的有效磁导率随频率变化较小。
因此，本发明具有合金成本低、钢液流动性好和工业实施性强的特点，所制备的铁基纳米晶合金薄带光洁度好、非晶薄带韧性好、纳米晶粒更加细小弥散和有效磁导率随频率变化较小，适用于变频电器领域。
具体实施方式
下面通过几组实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅仅限于以下几例。
为避免重复，现将本具体实施方式所涉及的工艺参数统一描述如下，具体实施例中不再赘述：
所述晶化退火的工艺为：450~480℃预退火40~60min，520~570℃晶化退火40~60min，出炉自然冷却至室温。所述熔炼是指：熔炼气氛为大气，待合金加热到熔融态时加入造渣剂，进行覆盖捞渣；造渣剂为CaO和B2O3的混合粉，CaO和B2O3的质量比为2：1。所述高速旋转的转速为600~900r/min。
实施例1
一种铁基纳米晶合金及其制备方法。该合金的化学成分及其含量是：Fe为83.5~84.5wt%；Si为7~8wt%；B为1.6~2.0wt%；Cu为1.2~1.4wt%；P为0.1~
0.3wt%；Nb为2.5~3wt%；V为1~2wt%。
该合金的制备方法是：按上述化学成分及其含量配料，采用感应加热炉熔炼，再将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上，制成非晶合金薄带；然后将所制成的非晶合金薄带置入真空炉中晶化退火，制得铁基纳米晶合金。
本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经电感测量仪检测和分析：工作频率为1KHz时，有效磁导率μe＞1.26×104 Gs/Oe；当工作频率为1KHz~100KHz时，μe 100KHz/μe 1KHz﹥50%。
实施例2
一种铁基纳米晶合金及其制备方法。该合金的化学成分及其含量是：Fe为83.5~84.5wt%；Si为7.5~9wt%；B为1.9~2.1wt%；Cu为1.3~1.5wt%；P为0.4~0.7wt%；Nb为2.7~4wt%；V为1~2wt%。
本实施例的制备方法同实施例1。
本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经电感测量仪检测和分析：工作频率为1KHz时，有效磁导率μe＞3.83×104 Gs/Oe；当工作频率为1KHz~100KHz时，μe 100KHz/μe 1KHz﹥16.7%。
实施例3
一种铁基纳米晶合金及其制备方法。该合金的化学成分及其含量是：Fe为84~85.5wt%；Si为8~9wt%；B为1.4~1.6wt%；Cu为1.3~1.5wt%；P为0.1~0.4wt%；Nb为2.5~3wt%；V为1~2wt%。
本实施例的制备方法同实施例1。
本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经电感测量仪检测和分析：工作频率为1KHz时，有效磁导率μe＞2.01×104 Gs/Oe；当工作频率为1KHz~100KHz时，μe 100KHz/μe 1KHz﹥60%。
实施例4
一种铁基纳米晶合金及其制备方法。该合金的化学成分及其含量是：Fe为84~85.5wt%；Si为7~8wt%；B为1.4~1.6wt%；Cu为1.3~1.5wt%；P为0.1~0.2wt%；Nb为2.5~3wt%；V为1~2wt%。
本实施例的制备方法同实施例1。
本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经电感测量仪检测和分析：工作频率为1KHz时，有效磁导率μe＞1.09×104 Gs/Oe；当工作频率为1KHz~100KHz时，μe 100KHz/μe 1KHz﹥90%。
本具体实施方式在Finemet 合金的基础上加入了1~2wt%的V替代一部分Nb，由于V在Nb中的溶解度远远大于V在Fe中的溶解度，所以大部分V会从Fe中分离出来和Nb共同作用抑制晶粒长大，不会因为Nb含量过低而不能起到很好的细化晶粒的作用。从2012年8月国内FeNb60最新价格为21.7~23.3万元/吨，而本具体实施方式采用的FeV50最新价格为7.6~7.8万元/吨，所以用V替代一部分Nb可以明显降低合金成本。
为了进一步细化晶粒，本具体实施方式加入了0.1~0.7wt%的P以促进形核，与Cu共同作用使晶化退火后得到的纳米晶更加细小弥散。且P含量相对于专利技术“一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金”（CN101629265A）少，在细化晶粒的同时缓解了薄带的脆性。
在本具体实施方式中，由于V和P的加入，钢液流动性好，在空气中与铜辊接触时可快速冷却，生成的非晶薄带光洁度好，不需要添加0.001~0.01%Al、Ti（如CN1687 477A）来提高钢液的流动性，对原料纯度要求低，一方面降低了生产成本，另一方面提高了工业生产的可实施性。
本具体实施方式晶化退火工艺为：450~480℃预退火40~60min，520~570℃晶化退火40~60min。一方面释放部分非晶潜热，避免晶化放热使温度升得过高而导致的晶粒长大；另一方面使Cu、P充分偏聚成为非晶晶化形核核心。
在现在技术中，有效磁导率μe随着频率的升高是降低的。在工作频率1KHz
~100KHz的范围内，μe 100KHz/μe 1KHz的值是大于0小于1的。当μe 100KHz/μe 1KHz的值越趋近于1时，则说明其有效磁导率的恒稳性越好；相反，当μe 100KHz/μe 1KHz的值越趋近于0时，则说明其有效磁导率的恒稳性越差；当μe 100KHz/μe 1KHz值大于或等于15%时，则有效磁导率随频率的变化较小。
在现有技术中：如典型成分的Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3铁基纳米晶合金，工作频率为1KHz时，有效磁导率μe≈4.0×104 Gs/Oe，在工作频率1KHz~100KHz的范围内，μe 100KHz /μe 1KHz≈5%，故Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3铁基纳米晶合金的有效磁导率随频率的变化较大；而本具体实施方式制备的铁基纳米晶合金经检测分析：当工作频率为1KHz时，有效磁导率μe＞1.09×104Gs/Oe，在工作频率1KHz~
100KHz的范围内，μe 100KHz/μe 1KHz﹥16.7%，故本具体实施方式所制备的铁基纳米晶合金的有效磁导率随频率变化较小。
因此，本具体实施方式具有合金成本低、钢液流动性好和工业实施性强的特点，所制备的铁基纳米晶合金薄带光洁度好、非晶薄带韧性好、纳米晶粒更加细小弥散和有效磁导率随频率变化较小，适用于变频电器领域。
Claims (4)
1.一种铁基纳米晶合金的制备方法，其特征在于该合金的化学成分及其含量是：Fe为83.5~85.5wt%，Si为7~9wt%，B为1.4~2.1wt%，Cu为1.2~1.5wt%，P为0.1~0.7wt%，Nb为2.5~4wt%，V为1~2wt%；
该合金的制备方法是：按上述化学成分及其含量配料，在感应加热炉中熔炼，再将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上，制成非晶合金薄带；然后将制成的非晶合金薄带置入真空炉中晶化退火，制得铁基纳米晶合金；
晶化退火的工艺为：450~480℃预退火40~60min，520~570℃晶化退火40~60min，出炉自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的铁基纳米晶合金及其制备方法，其特征在于所述熔炼是指：熔炼气氛为大气，待合金加热到熔融态时加入造渣剂，进行覆盖捞渣；造渣剂为CaO和B2O3的混合粉，CaO和B2O3的质量比为2：1。
3.根据权利要求1所述的铁基纳米晶合金及其制备方法，其特征在于所述高速旋转的转速为600~900r/min。
4.根据权利要求1~3项中任一项所述的铁基纳米晶合金的制备方法所制备的铁基纳米晶合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121114 |