CN103305771A

CN103305771A - 铁基双相耦合合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103305771A
Application number: CN2013102854149A
Authority: CN
Inventors: 鲁修宇; 桂江兵; 夏艳花; 帅习元; 吴超; 仇东丽; 罗德信
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103305771B

Abstract

本发明公开了一种铁基双相耦合合金及其制备方法。该铁基双相耦合合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79~83%、M为1~4%、Si为7~9%、B为1.5~2.0%、Cu为1.0~1.5%、M’为0.1~1.2%、Nb为2.5~4.5%；其中，M为Co、Ni和Cr，且Co∶Ni∶Cr=2∶1∶1；M’为P和Mn，且P∶Mn=1∶1。其制备方法为：按上述化学成分及其含量配料；感应加热炉熔炼；将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上，制成铁基非晶合金薄带；再将所制成的铁基非晶合金薄带置入真空退火炉中晶化退火后快冷。本发明实用性强、制备条件要求低，制备的铁基双相耦合合金饱和磁感应强度高、高频损耗低。

Description

铁基双相耦合合金及其制备方法

技术领域

本发明属于磁性功能材料领域，具体涉及一种铁基双相耦合合金及其制备方法。

背景技术

软磁材料是一种很重要的功能材料，要求具有饱和磁感应强度高、磁导率高、居里温度高及铁损小的特点。目前应用最多的软磁材料是硅钢和铁氧体，但是硅钢铁损较大，铁氧体的饱和磁感应强度又太低，因此开发一种同时具有低铁损和高饱和磁感应强度的材料是目前软磁材料研究的热点。

1988年日本Yoshizawa等报道了一种新型的铁基非晶合金“Finemet”，其典型成分为Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃。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%。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，同时制备工艺简单，因而广泛应用于电子和电力设备中。但是这种合金体系也有明显的弱点，高频损耗相对较大，饱和磁化强度相对较低，最高饱和磁感应强度仅为1.4T，损耗P_5/20k>30w/kg。因而限制这种合金在变压器和互感器中的应用。

中国专利申请“一种铁基纳米晶合金及其制备方法”（CN201210306861.3）提供了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重量百分比含量是：Fe为83.5~85.5%；Si为7~9%；B为1.4~2.1%；Cu为1.2~1.5%；P为0.1~0.7%；Nb为2.5~4%；V为1~2%。该合金的制备方法主要包括：将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上制成非晶薄带；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。该发明利用V元素来替代部分Nb元素，使合金的有效磁导率具有随频率变化较小的特性，但是V元素抑制晶粒长大的作用比Nb元素弱，用V元素来替代部分Nb元素，使纳米晶合金中晶粒尺寸变大，使这种铁基纳米晶合金的饱和磁感应强度降低，限制了这种合金在变压器和互感器中的应用。该发明的晶化退火工艺中采用的是将退火后的合金出炉自然冷却至室温，合金在自然冷却的过程中，由于自身出炉时带的余温会使合金的晶粒继续长大，制备的铁基纳米晶合金的饱和磁感应强度会进一步降低、高频损耗变大。

中国专利申请“一种高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法”（CN201210206675.2）提供了一种高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法。该合金的化学成分及含量是（摩尔百分比）：68～90%的铁，0～6%的X，所述X为铝、铬、锰、钛中的一种或一种以上，0～2%的铜，3～20%的硅，4～20%的硼，以及0～10%的磷。该合金的制备方法主要包括：成分设计与配料、母合金熔炼、母合金破碎、单辊急冷制带和带材纳米晶化处理工艺步骤。该发明中加入铝元素和钛元素来提高铁基非晶纳米晶的饱和磁感应强度，在大规模的工业生产中，一般采用的是低纯度的工业原料，所以通过添加铝元素和钛元素来提高铁基非晶纳米晶的饱和磁感应强度的方法在工业生产中实施性小。而且钛元素的加入会在钢液中生成的钛的氧化物夹杂，钢液的熔炼需要在保护气氛下进行，对制备条件要求高。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术缺陷，提供一种饱和磁感应强度高、高频损耗低、工业实施性强且制备条件要求低的铁基双相耦合合金及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的铁基双相耦合合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79~83%、M为1~4%、Si为7~9%、B为1.5~2.0%、Cu为1.0~1.5%、M’为0.1~1.2%、Nb为2.5~4.5%；其中，M为Co、Ni和Cr，且Co∶Ni∶Cr=2∶1∶1；M’为P和Mn，且P∶Mn=1∶1。

进一步地，所述合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79~81%、M为2~4%、Si为7~8%、B为1.8~2.0%、Cu为1.0~1.5%、M’为1~1.2%、Nb为2.5~4.5%。

本发明的铁基双相耦合合金的制备方法为：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，制成铁基非晶合金薄带；然后将所制成的铁基非晶合金薄带置入真空退火炉中晶化退火后快冷，制得铁基双相耦合合金。

所述的晶化退火工艺为：将样品随真空退火炉由室温升温至480~500℃预退火60~90min，然后继续升温至530~600℃晶化退火60~90min，出炉后以10~30℃/s的速度冷却至室温。所述熔炼是指：熔炼气氛为大气。所述高速旋转的转速为900~1200r/min。

本发明在典型成分Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃的基础上利用1~4 %(重量百分比)的Co、Ni、Cr来替代一部分Fe。其中， Ni、Cr的加入提高了非晶形成能力，有利于提高饱和磁感应强度。添加Co后，虽然非晶晶化后所形成的纳米晶相仍然是α-Fe相，但Co的添加能够加速晶化过程，同时可以提高合金晶化后的软磁性能，并且加入Co增加了合金的感生各向异性，降低了合金的高频损耗。为了细化晶粒尺寸，本发明中加入了0.1~1.2%(重量百分比)的P和Mn与Cu共同作用促进形核，使晶化退火后的纳米晶尺寸更加细小。

本发明的晶化退火工艺是将样品随真空退火炉由室温升温至480~500℃预退火60~90min，然后继续升温至530~600℃晶化退火60~90min，出炉后以10~30℃/s的速度冷却至室温。晶化工艺采用分段退火，可以促进Cu、P、Mn充分偏聚形核；合金出炉后采用快速冷却，使退火过程中形成的双相耦合结构迅速冻结，避免合金出炉的预热导致纳米晶粒的长大。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的铁基双相耦合合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79~83%、M为1~4%、Si为7~9%、B为1.5~2.0%、Cu为1.0~1.5%、M’为0.1~1.2%、Nb为2.5~4.5%；其中，M为Co、Ni和Cr，且Co∶Ni∶Cr=2∶1∶1；M’为P和Mn，且P∶Mn=1∶1。

所述的晶化退火工艺是指，将样品随真空退火炉由室温升温至480~500℃预退火60~90min，然后继续升温至530~600℃晶化退火60~90min，出炉后以10~30℃/s的速度冷却至室温。所述熔炼是指，熔炼气氛为大气。所述高速旋转的转速为900~1200r/min。

实施例1

本实施例中铁基双相耦合合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79%；Co为2%，Ni为1%，Cr为1%；Si为8%；B为1.8%；Cu为1.5%；P为0.6%，Mn为0.6%；Nb为4.5%。

该合金制备方法中，晶化退火工艺为：真空退火炉由室温升温至500℃预退火60min，然后继续升温至570℃晶化退火75min。出炉后以30℃/s的速度冷却至室温。铜辊的旋转速度为900 r/min。

本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经检测：合金的饱和磁感应强度为1.9T，损耗P_5/20k=18w/kg。

实施例2

本实施例中铁基双相耦合合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为81%；Co为1%，Ni为0.5%，Cr为0.5%；Si为8%；B为2%；Cu为1.5%；P为0.5%，Mn为0.5%；Nb为4.5%。

该合金制备方法中，晶化退火工艺为：真空退火炉由室温升温至480℃预退火90min，然后继续升温至600℃晶化退火60min。出炉后以20℃/s的速度冷却至室温。

本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经检测：合金的饱和磁感应强度为1.8T，损耗P_5/20k=20w/kg。铜辊的旋转速度为1200 r/min。

实施例3

本实施例中铁基双相耦合合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为82%；Co为0.5%，Ni为0.25%，Cr为0.25%；Si为9%；B为1.5%；Cu为1.5%；P为0.5%，Mn为0.5%；Nb为4%。

该合金制备方法中，晶化退火工艺为：真空退火炉由室温升温至490℃预退火75min，然后继续升温至550℃晶化退火90min。出炉后以10℃/s的速度冷却至室温。

本实施例所制备的铁基纳米晶合金，经检测：合金的饱和磁感应强度为1.7T，损耗P_5/20k=21w/kg。铜辊的旋转速度为1050 r/min。

Claims

1.一种铁基双相耦合合金，其特征在于：该合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79~83%、M为1~4%、Si为7~9%、B为1.5~2.0%、Cu为1.0~1.5%、M’为0.1~1.2%、Nb为2.5~4.5%；其中，M为Co、Ni和Cr，且Co∶Ni∶Cr=2∶1∶1；M’为P和Mn，且P∶Mn=1∶1。

2.根据权利要求1所述的铁基双相耦合合金，其特征在于：该合金的化学成分及其重量百分比含量是：Fe为79~81%、M为2~4%、Si为7~9%、B为1.8~2.0%、Cu为1.0~1.5%、M’为1~1.2%、Nb为2.5~4.5%。

3.权利要求1和2任一项所述的铁基双相耦合合金的制备方法，包括配料；感应加热炉熔炼；将熔融态的合金喷射到高速旋转的铜辊上，制成铁基非晶合金薄带；将所制成的铁基非晶合金薄带置入真空退火炉中晶化退火；然后快冷的步骤；其特征在于：

所述的晶化退火步骤的工艺条件为：将样品随真空退火炉由室温升温至480~500℃预退火60~90min，然后继续升温至530~600℃晶化退火60~90min；

所述快冷的步骤为铁基非晶合金薄带出真空退火炉后以10~30℃/s的速度冷却至室温。

4.根据权利要求3所述的铁基双相耦合合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼步骤中熔炼气氛为大气。

5.根据权利要求3或4所述的铁基双相耦合合金的制备方法，其特征在于：所述高速旋转的转速为900~1200r/min。