CN103602931A - 一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法，该合金的成分组成由化学式表示为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉，其中，0＜x≤3；首先配比母合金原料；将母合金原料反复熔炼并浇注成合金锭；将合金锭破碎并超声清洗；将清洗干净的块体合金采用单辊快淬法制备出非晶薄带；对非晶薄带进行等温退火处理，然后随炉冷却至室温，得到铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。与现有技术相比，本发明主要选用与Nb同属于元素周期表中V_B族的V元素部分取代Nb进行制备铁基非晶纳米晶软磁合金薄带，改善合金在熔融喷带过程中的流动性，使铁基非晶纳米晶软磁合金的非晶形成能力增强，即易于形成带材，制备得到低成本、低损耗铁基非晶纳米晶软磁合金。

Description

一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁性材料及其制备技术领域，尤其是涉及一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法。

背景技术

八十年代以来，由于计算机网络和多媒体技术、高密度记录技术和高频微磁器件等的发展和需要，越来越要求所用各种元器件高质量、小型、轻量，这就要求制造这些器件所用的软磁合金等金属功能材料不断提高性能，向薄小且高稳定性发展。正是根据这种需要，1988年日本日立金属公司的吉泽克仁(Yoshizawa)等人首先发现，在Fe-Si-B(Metglas)非晶合金的基体中加入少量Cu和M(M＝Nb、Ta、Mo、W等)，经适当的温度晶化退火以后，发现在非晶基体上均匀分布着许多无规取向的具有b.c.c结构的超细α-Fe(Si)晶粒(D约为10nm～15nm)软磁合金。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良，这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，商品牌号为“Finemet”。吉泽克仁的发现掀起了世界范围内纳米晶软磁合金的研究热潮。1990年，日本的铃木(Suzuki)等人又推出了Fe-M-B(M＝Zr、Hf、Nb或Ta)系的纳米晶软磁合金，其饱和磁感应强度高达1.7T，在这些合金中加入少量的Cu、Nb、Mo、Ta等元素后也可以获得优良的综合软磁性能。

由于铁基非晶纳米晶软磁合金的独特的结构及其具有的高饱和磁感应强度、高初始磁导率、低矫顽力、低损耗等一系列优异的软磁性能，已引起了国内外众多学者极大的关注和研究兴趣，并成为近年来非晶和纳米晶材料的研究热点。此外，铁基非晶纳米晶软磁合金的制备工艺简单、成本低廉，可以代替钴基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，被广泛应用于高频变压器、扼流器、传感器等领域，具有很好的应用前景。

铁基纳米晶软磁合金一般采用非晶晶化法获得，其制备过程可分为两个阶段：一是通过快速凝固获得非晶态合金；二是对非晶态前驱体进行晶化退火形成非晶纳米晶双相结构，同时消除快速凝固过程中产生的残留内应力，从而减小应力诱导的各向异性。非晶纳米晶双相结构可明显降低磁晶各向异性和饱和磁致伸缩系数，从而得到具有低矫顽力、高初始磁导率等优异软磁性能的材料。非晶纳米晶的微观结构(纳米晶合金的晶粒尺寸及纳米晶的体积分数)及物理性能与晶化退火时的热处理参数密切相关。

然而目前商品化的Finemet合金中含有Nb元素。Nb的加入会使得合金在熔融喷带过程中的流动性变差，不利于形成非晶带材。此外，Nb较为珍稀且昂贵，提高了材料的成本。

中国专利CN 101834046A公布了一种高饱和磁化强度铁基纳米晶软磁合金及其制备方法，其特征在于其是由铁、硅、硼、磷、铜构成的Fe_xSi_yB_zP_aCu_b合金，式中x、y、z、a、b分别表示各对应组分的原子百分比含量，其中x＝70-90％、y＝1-15％、z＝1-20％、a＝1-20％、b＝0.1-1％，且x+y+z+a+b＝100％；该铁基纳米晶软磁合金的微结构为尺寸介于1-35nm的体心立方α-Fe(Si)纳米晶相与富含磷和硼的非晶相共存，且以非晶相为基体相。制备方法主要是将配比好的原料先制备成合金锭，然后制成非晶合金，再进行其它工序的处理，最后得到高饱和磁化强度的铁基纳米晶软磁合金。该发明能够大幅提高纳米晶软磁合金的饱和磁化强度，同时能够保持较低的矫顽力并有效降低原材料成本。然而P的加入会导致合金在制备过程中容易氧化，且材料的矫顽力比商品化的Finemet合金高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本、低损耗的铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁基非晶纳米晶软磁合金，该合金的成分组成由化学式表示为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉，其中，0＜x≤3。

一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配比母合金原料：按Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉中各元素的比例将Fe粉、Cu丝、FeB合金、Nb块、Si块及FeV合金配置成成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的母合金原料，其中，0＜x≤3，Fe粉的纯度不低于99.5％；

(2)母合金熔炼：将母合金原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，真空条件下采用中频感应熔炼的方法把母合金原料反复熔炼3遍以上，并浇注成合金锭；

步骤(2)中对母合金原料反复熔炼的过程中进行搅拌，使合金成分均匀；

步骤(2)所述的中频感应熔炼的加热温度为1300～1400℃；

(3)合金锭清洗：将步骤(2)得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后晾干待用；

(4)急冷制带：将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用单辊快淬法制备出成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的非晶薄带；

步骤(4)所述的单辊快淬法的辊面线速度为25～35m/s；

步骤(4)所得的非晶薄带的宽度为10mm，厚度为30～35μm；

(5)纳米晶化处理：在真空退火炉中对步骤(4)所得非晶薄带进行等温退火处理，然后随炉冷却至室温，得到成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。

步骤(5)中等温退火处理的环境为压强小于10^-2Pa的环境或者氩气气体保护的环境。

步骤(5)中等温退火处理的退火温度为500～560℃，退火时间为30分钟至2个小时。

对制得的成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带性能进行检测，包括：(1)非晶纳米晶薄带的微观结构检测；(2)非晶纳米晶薄带的磁性能检测(测试条件是B_m＝0.2T，f＝100kHz，测试温度为室温)。

与现有技术相比，本发明是在商品化Finemet合金的基础上进行成分改进，主要选用与Nb同属于元素周期表中V_B族的V元素部分取代Nb进行制备铁基非晶纳米晶软磁合金薄带，改善合金在熔融喷带过程中的流动性，使铁基非晶纳米晶软磁合金的非晶形成能力增强，即易于形成带材，制备得到低成本、低损耗铁基非晶纳米晶软磁合金。

附图说明

图1为实施例4中在不同退火温度下制得的成分为Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V_2.0Si_13.5B₉的铁基非晶纳米晶软磁合金的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

将将纯度不低于99.5％的Fe粉、Cu丝、FeB合金、Nb块、Si块及FeV合金等原料以适量的质量百分比配制成分为Fe₇₃Cu₁Nb_2.5V₁Si_13.5B₉的母料，共计5公斤；将配比好的母合金原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空条件下采用中频感应熔炼的方法把原料反复熔炼4遍，并在熔炼过程中进行搅拌，使合金成分均匀，并浇注成合金锭；将熔炼得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干；将块体合金锭放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热融化，利用单辊急冷甩带工艺，制得带宽度为10mm、厚度为30微米的非晶薄带；将非晶合金薄带放入管式真空热处理炉中，真空度在10^-5Torr左右，以15℃/分钟的加热速率升温至退火温度为500℃，退火时间为120分钟，然后随炉冷却至室温，得到铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。纳米晶化处理后的纳米晶带材晶粒大小约为10nm，通过磁测量得到其矫顽力约为15A/m，铁损P_1/50＝0.05W/kg。

实施例2：

将将纯度不低于99.5％的Fe粉、Cu丝、FeB合金、Nb块以及Si块、FeV合金等原料以适量的质量百分比配制成分为Fe₇₃Cu₁Nb₂V_1.5Si_13.5B₉的母料，共计5公斤；将配比好的母合金原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空条件下采用中频感应熔炼的方法把原料反复熔炼4遍，并在熔炼过程中进行搅拌，使合金成分均匀，并浇注成合金锭；将熔炼得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干；将块体合金锭放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热融化，利用单辊急冷甩带工艺，制得带宽度为10mm、厚度为32微米的非晶薄带；将非晶合金薄带放入管式真空热处理炉中，真空度在10^-5Torr左右，以15℃/分钟的加热速率升温至退火温度为540℃，退火时间为60分钟，然后随炉冷却至室温，得到铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。纳米晶化处理后的纳米晶带材晶粒大小约为14nm，通过磁测量得到其矫顽力约为13A/m，铁损P_1/50＝0.03W/kg。

实施例3：

将将纯度不低于99.5％的Fe粉、Cu丝、FeB合金、Nb块以及Si块、FeV合金等原料以适量的质量百分比配制成分为Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V₁Si_13.5B₉的母料，共计5公斤；将配比好的母合金原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，在真空条件下采用中频感应熔炼的方法把原料反复熔炼4遍，并在熔炼过程中进行搅拌，使合金成分均匀，并浇注成合金锭；将熔炼得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干；将块体合金锭放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热融化，利用单辊急冷甩带工艺，制得带宽度为10mm、厚度为35微米的非晶薄带；将非晶合金薄带放入管式真空热处理炉中，真空度在10^-5Torr左右，以15℃/分钟的加热速率升温至退火温度为560℃，退火时间为30分钟，然后随炉冷却至室温，得到铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。纳米晶化处理后的纳米晶带材晶粒大小约为18nm，通过磁测量得到其矫顽力约为6.5A/m，铁损P_1/50＝0.02W/kg。

实施例4

一种铁基非晶纳米晶软磁合金，该合金的成分组成由化学式表示为Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V_2.0Si_13.5B₉。

一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配比母合金原料：按Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V_2.0Si_13.5B₉中各元素的比例将Fe粉、Cu丝、FeB合金、Nb块、Si块及FeV合金配置成成分为Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V_2.0Si_13.5B₉的母合金原料，其中，Fe粉的纯度不低于99.5％；

(2)母合金熔炼：将母合金原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，真空条件下采用中频感应熔炼的方法把母合金原料反复熔炼3遍以上，中频感应熔炼的加热温度为1350℃，在反复熔炼的过程中进行搅拌，使合金成分均匀，并浇注成合金锭；

(3)合金锭清洗：将步骤(2)得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后晾干待用；

(4)急冷制带：将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用单辊快淬法制备出成分为Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V_2.0Si_13.5B₉的宽度为10mm，厚度为30μm的非晶薄带，其中，单辊快淬法的辊面线速度为30m/s；

(5)纳米晶化处理：在真空退火炉中对步骤(4)所得非晶薄带进行等温退火处理，等温退火处理的环境为压强小于10^-2Pa的环境，等温退火处理的退火温度分别为460℃、500℃、560℃、650℃，退火时间为30分钟。然后随炉冷却至室温，得到成分为Fe₇₃Cu₁Nb_1.5V_2.0Si_13.5B₉的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。

对制得的成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带性能进行XRD检测，结果如图1所示，图1中，三个峰都是α-Fe相的峰。

Claims (8)

1.一种铁基非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，该合金的成分组成由化学式表示为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉，其中，0＜x≤3。

2.一种如权利要求1所述的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)配比母合金原料：按Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉中各元素的比例将Fe粉、Cu丝、FeB合金、Nb块、Si块及FeV合金配置成成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的母合金原料，其中，0＜x≤3；

(2)母合金熔炼：将母合金原料装入真空感应熔炼炉的坩埚中，真空条件下采用中频感应熔炼的方法把母合金原料反复熔炼3遍以上，并浇注成合金锭；

(3)合金锭清洗：将步骤(2)得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后晾干待用；

(4)急冷制带：将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用单辊快淬法制备出成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的非晶薄带；

(5)纳米晶化处理：在真空退火炉中对步骤(4)所得非晶薄带进行等温退火处理，然后随炉冷却至室温，得到成分为Fe₇₃Cu₁Nb_3.5-xV_xSi_13.5B₉的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。

3.根据权利要求2所述的一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中对母合金原料反复熔炼的过程中进行搅拌，使合金成分均匀。

4.根据权利要求2所述的一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的中频感应熔炼的加热温度为1300～１400℃。

5.根据权利要求2所述的一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的单辊快淬法的辊面线速度为25～35m/s。

6.根据权利要求2所述的一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所得的非晶薄带的宽度为10mm，厚度为30～35μm。

7.根据权利要求2所述的一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)中等温退火处理的环境为压强小于10^-2Pa的环境或者氩气气体保护的环境。

8.根据权利要求2所述的一种铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)中等温退火处理的退火温度为500～560℃，退火时间为30分钟至2个小时。

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