CN104073749B - 一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金及其制备方法。该合金的表达式为Fe_aSi_bB_cP_dM_e，所述表达式中a、b、c、d和e分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：70≤a≤84，2≤b≤10，5≤c≤18，0.001≤d≤8，0.0001≤e≤2.5，a+b+c+d+e＝100％，所述M为C、N、Sn、Ge、Ga、Al、S、Te、Be、Pb、Mg、Cu中的一种或多种。该合金在高真空和氩气保护下制备的非晶带材，其具有元素分布均匀的特征，尤其是解决了P元素在非晶合金中分布不均匀的问题，具有优异的软磁性能和高的热稳定性，适用于变压器、发动机、发电机和磁传感器等。

Description

一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及非晶态软磁材料领域，尤其涉及一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金及其制备方法，其还具有高热稳定性和高饱和磁感应强度，适用于变压器、发动机、发电机和磁传感器等。

背景技术

软磁合金材料是人类较早开发的一类磁性功能材料，其具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗、低矫顽力等优异的软磁性能。从最初出现发展至今，其经历了电工纯铁、电工钢、坡莫合金、Fe-Co合金、软磁铁氧体以及Fe基非晶、纳米晶合金等体系。在实际应用中传统的电工钢铁损较大，而软磁铁氧体的饱和磁化强度又太低，因此开发同时具有高饱和磁化强度和低铁损的材料是目前软磁材料领域较为热门的研究方向。其中研究最热的是Fe基非晶及纳米晶合金的开发。这主要是由于Fe基非晶、纳米晶合金具有低损耗、高电阻率、高强韧性、高磁导率以及较高的饱和磁化强度等特点，同时制备工艺简单、节能环保，因而广泛应用于电力电子和电子信息领域。

与晶态材料相比，非晶态软磁材料的缺点是热稳定性差，在较低温度下会发生晶化，从而软磁性能发生恶化。因此非晶态软磁材料在长期使用条件下其工作温度一般不宜超过100℃-150℃，大大限制了非晶态软磁材料的应用范围。非晶态软磁材料在设计制备时，合金成分往往含有大量易氧化且昂贵的金属元素Zr、Hf、Nb等造成成本高昂且制备工艺复杂，至今未得到真正的推广应用。

中国专利CN1450570A公开了一种纳米晶软磁合金超薄带及其制备方法：该发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金的化学成分和超薄带生产工艺。合金化学成分包括Fe、Zr、Nb、Si、Al、Cu，具体含量(质量百分比)为：Si＝0.1-0.2％、Zr＝6-8％、Nb＝4-6％、Al＝0.1-1％、B＝1-2％、Cu＝1-1.5％、其余为Fe。生产工艺为先感应炉熔炼制备母合金，然后Ar气氛中单辊急冷，铜辊转速40-70m/s，喷射非晶带，最后于真空条件下400-600℃磁场热处理30-60分钟。所得到的合金条带的的最佳软磁性能为：饱和磁感应强度1.7T，矫顽力9.6A/m。

日本专利JP2006040906公布了一种在淬态时即含有平均粒径在50nm以下的α-Fe晶粒的非晶态合金，带材可进行180°弯曲，经高于晶化温度的适当温度退火后，其饱和磁感应强度可达到1.6T。但是此成分的非晶形成能力差，在制备过程中就已经发生微结晶，该发明中提到最高Bs仅为1.6T。

中国专利CN1940111A公开一种新型软磁合金材料及其制备方法：具体提供了一种铁基软磁合金的化学成分和生产工艺，介绍了V对于合金磁性能的影响。合金化学成分包括Fe、Cu、Nb、V、Si、B，具体含量(质量百分比)为：Fe＝73％、Cu＝1％、Nb＝1.5-3.49％、V＝0.01-2％、Si＝13.5％、B＝9％。生产工艺为：真空熔炼母合金，然后Ar气氛中单辊急冷喷射非晶带，最后氢气氛中460-560℃退火20-40分钟。所得到的合金条带的最佳软磁性能为：饱和磁感应强度最高1.2T。

美国专利US5958153A公开了一种含P、厚度在40-90μm的表达式为(FeSiBC)_100-xP_x的合金带材，但合金中的P以近似杂质形式掺入，无法发挥P可提高非晶形成能力、提高Fe含量的作用，同时P的加入带材出现烧边现象，带材自由面或贴辊面两个表面到其内部的P元素因偏析出现浓度分布不均。因此合金的饱和磁感应强度也低，这难以满足功率器件对高饱和磁感应强度的要求。

综上所述，通过调节合金的成分和制备工艺在不同程度上均改善了非晶软磁合金的软磁性能，但在总体上还存在明显的缺陷：饱和磁化强度依然不是很高，尤其是无法同时实现高饱和磁化强度和低矫顽力；合金的成分中含有Nb、Zr、Co、Ni、Hf等贵金属元素中的一种或几种，导致合金的成本较高；合金生产工艺要求较高，工艺复杂导致对生产设备要求严格，最终加大合金的生产成本；含P元素非晶带材元素偏析现象严重，P元素因烧边使其在带材中分布不均匀；非晶合金的热稳定性低，导致其应用温度区间狭窄。由此可见，研制一种不含有贵金属元素、成本低廉、具有高的热稳定性且具有较高的饱和磁化强度和较低的矫顽力、生产工艺相对简单、元素分布均匀的非晶态材料具有重要的研究和应用前景。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金及其制备方法，具体而言，旨在提供一种价格低廉、元素分布均匀、具有较高热稳定性、饱和磁化强度较高且矫顽力较低的铁基非晶软磁合金材料。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金，该合金的表达式为Fe_aSi_bB_cP_dM_e，所述表达式中a、b、c、d和e分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：70≤a≤84，2≤b≤10，5≤c≤18，0.001≤d≤8，0.0001≤e≤2.5，a+b+c+d+e＝100％，所述M为C、N、Sn、Ge、Ga、Al、S、Te、Be、Pb、Mg、Cu中的一种或多种。

本发明铁基非晶软磁合金中不含有其他贵金属元素，成分设计思路是利用拥有较大非晶形成能力的FeSiB三元系和纳米晶FeSiBPCu作为参考母合金，依据设计者要求以P取代Fe元素，通过熔炼、快淬等现有的生产技术制备出性能优异的铁基非晶态软磁合金。构成合金的元素中，Fe能够提高合金的饱和磁化强度，Si、P和B可以提高合金的非晶形成能力和电阻率，M元素的添加促进P元素在薄带中均匀分布。本发明的合金微结构是以完全的非晶相共存，其非晶薄带自表面到10nm处有一个浓度峰值，自两侧面10nm处到内部的Fe、Si、B、P和M元素均匀分布，不具有元素偏析现象。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Fe的原子百分比含量a的取值范围为75≤a≤83，更优选为77≤a≤82。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Si的原子百分比含量b的取值范围为3≤b≤9，更优选为4≤b≤8。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分B的原子百分比含量c的取值范围为6≤c≤16，更优选为12≤c≤14。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分P的原子百分比含量d的取值范围为1≤d≤6，更优选为2≤d≤5。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分M的原子百分比含量e的取值范围为0.001≤e≤2.5，更优选为0.005≤e≤2.5。

下面对上述铁基非晶软磁合金的成分设计原理进行说明：

在本发明的铁基非晶态软磁合金中，Si元素的原子％要满足：2≤b≤10，优选的范围是3≤b≤9，更优选4≤b≤8。Si元素是构成非晶态合金的常用元素，Si元素的适量添加，不仅可以提高合金的非晶形成能力，而且能提高合金的热稳定性和居里温度。当Si元素原子％含量少于2时，Si元素的促进形成非晶态合金的作用难以发挥出来，而当Si元素原子％含量大于10时，则会降低铁磁性元素的含量，无法获得高饱和磁感应强度的软磁合金。

在本发明的铁基非晶态软磁合金中，P元素的原子％要满足：0.001≤d≤8，优选的范围是1≤d≤6，更优选为2≤d≤5。P元素是构成非晶态合金的常用元素，P元素的适量添加，不仅可以提高合金的非晶形成能力，而且能提高合金的热稳定性和扩大非晶合金的热处理温区范围。当P元素原子％含量少于0.001时，P元素的促进形成非晶态合金的作用难以发挥出来，而当P元素原子％含量大于8时，则会降低铁磁性元素的含量，无法获得高饱和磁感应强度的软磁合金。

在本发明的铁基非晶态软磁合金中，B元素的原子％要满足：5≤c≤18，优选的范围是6≤c≤16，更优选为12≤c≤14。B元素是构成非晶态合金的常用元素，B元素的适量添加，不仅可以提高合金的非晶形成能力，而且能提高合金的热稳定性和居里温度。当B元素原子％含量少于5时，B元素含量太低，则不易形成非晶态合金。而当B元素原子％含量大于18时，则会降低合金中铁磁性元素的含量而降低合金的饱和磁感应强度。

在本发明的铁基非晶态软磁合金中，除上述元素外余量由Fe构成，Fe为磁性元素，为了获得高饱和磁感应强度，必须保证合金含有较高的Fe含量。然而，Fe含量的升高，必然导致非晶形成元素的减少，非晶形成能力下降，无法获得最佳综合性能。Fe含量优选为75≤a≤83，更优选为77≤a≤82。

在本发明的铁基非晶态软磁合金中，由于P元素具有易偏析的特征，故特地添加了与P元素有一定化学相互作用的M元素，具体可以为C、N、Sn、Ge、Ga、Al、S、Te、Be、Pb、Mg、Cu等，这些元素的特殊添加，不仅能降低P元素的偏析作用，而且能促进P元素在钢水中的均一性，使得能获得元素分布均一的非晶薄带。当M元素含量高于2.5原子％时，合金的饱和磁感应强度降低。

在本发明的铁基非晶态软磁合金中，可能还含有少量不可避免的杂质元素，如S、O等，但是所有杂质元素的总重量百分比要小于0.5％。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Fe可被Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Mn、Cr、Re、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、铂族元素、稀土元素中的至少一种元素部分替代，其中所述替代Fe的元素在所述铁基非晶软磁合金中的原子百分比含量为5％以下。

在上述铁基非晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Fe可被Co和/或Ni部分替代，其中所述部分替代Fe的元素Co和/或Ni在所述铁基非晶软磁合金中的原子百分比含量为45％以下。

一种上述铁基非晶软磁合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，按上述合金表达式中各组分的原子百分比含量进行配料；

步骤二，在抽真空后充入保护气体的气氛下采用感应熔炼炉或电弧熔炼炉将所述步骤一配好的原料熔炼均匀，随炉冷却或注入模具冷却成成分均匀的母合金锭；

步骤三，利用单辊熔体快淬法(又称单辊急冷法)，在高真空条件和氩气保护下将所述母合金锭制备成铁基非晶合金带材。

在上述制备方法中，所述步骤三，在高真空条件下制备条带，可以有效避免含P元素非晶条带P元素烧边现象。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤二中，所述抽真空的真空度为低于5×10^-3Pa(比如2×10^-3Pa、1×10^-3Pa、8×10^-4Pa、3×10^-4Pa、5×10^-5Pa)，所述保护气体的气氛为氮气或氩气气氛，所述熔炼时间为30-40min，并在熔化后保温5-30min以使合金原料熔炼均匀。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，所述真空条件下的真空度为≤1×10^-3Pa(比如0.5×10^-3Pa、0.1×10^-3Pa、8×10^-4Pa、3×10^-4Pa、5×10^-5Pa)。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，采用所述单辊熔体快淬法制备铁基非晶合金带材时，铜辊表面线速度为30-50m/s(比如32m/s、38m/s、45m/s、49m/s)，合金熔炼喷带前温度控制在1200-1400℃(比如1210℃、1250℃、1280℃、1300℃、1320℃、1340℃、1370℃、1390℃)，制备出的铁基非晶合金带材的厚度为15-30μm(比如16μm、19μm、23μm、25μm、28μm)，宽度为1.5-5mm(比如1.8mm、2.1mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.7mm、4.9mm)。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述方法还包括热处理步骤，所述热处理步骤具体为：在抽真空后的惰性气体氛围中，将所述步骤三制备的铁基非晶合金带材以0.5-4℃/s的升温速率升温至300-490℃，然后保温1-10min，最后淬火冷却至室温，得到铁基非晶软磁合金带材。优选地，所述热处理步骤中，所述抽真空时的真空度为低于3×10^{- 3}Pa(比如2×10^-3Pa、1×10^-3Pa、8×10^-4Pa、3×10^-4Pa、5×10^-5Pa)。

采用上述制备方法制成的铁基非晶软磁合金在制造电子设备中的铁芯方面的应用。

在上述应用中，作为一种优选实施方式，所述电子设备是特种电机、脉冲变压器、差模电感、电抗器、互感器或磁放大器。

采用上述方法制备的铁基非晶合金材料与现有技术产品相比较，由于高真空和氩气保护的制备条件以及M元素的加入有效避免了P元素偏析、带材烧边现象，使得带材中元素分布均匀，解决了Fe基非晶态合金的自由面或贴辊面两个表面到其内部的P元素浓度分布不均现象；另外，在本发明优选的合金组分下，得到的带材具有较高的热稳定性，在经过200-300K的温度范围的热处理之后，铁基非晶软磁合金材料具有较高的饱和磁感应强度(Bs≥1.65T)，较低的矫顽力(Hc≤2.1A/m)，1kHz下有效磁导率超过20K，因而该发明材料具有成分设计合理、非晶形成能力强、元素分布均匀、软磁性能优异、具有较高热稳定性、成本低(可以不含有昂贵的贵金属元素)的特点。

附图说明

图1为本发明非晶材料运用单辊急冷法(单辊熔体快淬法)制备设备示意图；

图2为实施例1中Fe_75.5Si₆B₁₄P₂Sn₂Al_0.5非晶前驱体和在400℃温度退火10min后非晶合金的X射线衍射(XRD)图；

图3为实施例1中的Fe_47.5Co₃₀Si₆B₁₄P₂Te_0.5合金的DSC曲线；

图4为实施例2中的非晶合金Fe_77.8Si₆B₁₄P₂Cu_0.2经过400℃温度退火10min后的磁滞回线；

图5为实施例1中真空条件下制备的Fe₇₈Si₅B₁₄P₂Al₁非晶合金的从自由面到内部的Fe、Si、B、P浓度分布曲线；

图6为实施例1中大气条件下制备的Fe₇₈Si₅B₁₄P₂Al₁非晶合金的从自由面到内部的Fe、Si、B、P浓度分布曲线；

图7为实施例2中真空条件下制备的Fe₇₆Si₆B₁₄P₂Sn₂非晶合金从贴辊面到内部的Fe、Si、B、P、Sn浓度分布曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明制备方法中所述的单辊熔体快淬法的关键三步骤为：A熔化合金步骤，由图1中所示的坩埚来完成合金的熔化；B甩出步骤，在高真空和氩气保护氛围下，由喷嘴将坩埚中熔化的合金溶液甩出，其由图1中喷嘴和坩锅系统来完成；C冷却步骤，用于冷却从喷嘴出来的合金溶液，从而形成非晶带材，其由图1中淬冷辊轮来完成。

图1为本发明单辊熔体快淬法常用设备，其包括坩埚3；设置于坩埚外部的感应加热线圈4；设置于坩埚3底部的喷嘴8，用于将坩埚中熔化的合金液5喷出；设置于喷嘴8下方的淬冷辊轮6，用于形成非晶薄带7；坩埚3的入口处设置有用于进气的通道和用于排气的通道，其中进气通道上设置有压力计1，排气通道上设置有排气阀2。

实施例1

在本发明的铁基非晶态合金Fe_aSi_bB_cP_dM_e的成分范围制备一组不同的合金样品，样品的组成如表1所示，其中序号为1-9、22-25的合金是本发明的实施例(在单辊急冷法制备非晶条带步骤中采用抽真空后充氩气的条件进行制备)，序号为10-21的合金为本发明的对比例(其合金成分中不含有M元素，单辊急冷法制备非晶条带步骤的具体操作条件参见表1)，序号为26的合金是采用本发明的合金成分但在单辊急冷法制备非晶条带步骤中采用大气气氛进行制备，各铁基非晶合金的性能测试结果也参见表1，具体制备步骤如下：

1)将纯度大于99.5％的纯Fe、纯Si、纯B、Fe-P合金和其它替代元素按照合金成分Fe_aSi_bB_cP_dM_e(原子百分比)配比；然后将配比好的原料装入感应熔炼炉的陶瓷坩锅内，首先抽真空至5×10^－3Pa，然后充入氩气至气压为0.09MPa进行熔炼，熔化后进行充分熔炼，大概熔炼3-5遍，之后保温30min，然后倒入铜模中，得到母合金锭；

2)去除上述得到的母合金锭的表面杂质，然后在酒精中进行超声波清洗，接下来将母合金锭破碎成小母合金锭，再次在酒精中进行超声波清洗；

3)将上述得到的小块母合金锭装入开口的石英玻璃管后置于铸造设备的感应线圈中进行熔化，其中上述石英玻璃管抽真空至小于等于1×10^-3Pa后充入氩气保护或者在大气环境下(各合金的具体条件参见表1)，然后将熔融的合金液通过单辊急冷法喷到表面线速度为40m/s的铜辊上，合金熔炼喷带前温度控制在1300℃左右，制备出宽1.5mm、厚25μm的连续非晶条带；

4)将非晶条带置于石英管中，抽真空至3×10^-3Pa，充入Ar气至一个大气压，然后封闭石英管，将石英管置于热处理炉中，以3℃/s的升温速率升至400℃，保温10min，然后立刻将石英管取出并置于水中淬火至室温。

本发明的重点是M元素的加入，以及在高真空条件下制备非晶带材从而使得P元素在产品中均匀分布，从本实施例的所有样品制备过程及得到的非晶带材发现均没有出现因P元素加入产生的烧边现象，所有非晶带材表面光亮完整；所有样品的辉光放电光发射分光仪(GD-OES)对样品的自由面或贴辊面在深度方向上进行元素分析发现：P元素分布从自由面或贴辊面到其内部分布均匀，在距表面8-10nm的地方形成浓度平台，而且在深度方向上也没有产生P元素富集偏析。

从本实施例26个样品的分析结果可知：

1)利用X射线衍射(XRD)对本发明所有产品以及对比例所有产品进行结构分析，从X射线衍射(XRD)谱上出现典型弥散的衍射峰(馒头峰)时，为完全的非晶结构；当X射线衍射(XRD)谱上出现尖锐的衍射峰时，表明产品有晶化。本实施例所有样品X射线衍射(XRD)谱都为典型弥散的衍射峰，由于样品较多，下面举例进行说明，比如图2是Fe_75.5Si₆B₁₄P₂Sn₂Al_0.5非晶前驱体(淬态样品)和400℃退火10min后非晶合金的X射线衍射(XRD)谱。从图中可以看出，淬态样品和经400℃退火10min后的XRD图谱都有一个典型弥散的衍射峰，表明合金条带结构都是完全非晶结构。

2)本实施例所有产品以及对比例所有产品的热力学性质通过DSC测定，由DSC曲线可以判定产品的热稳定性。本实施例所有产品的热稳定温区都在200-300℃范围，由于样品较多，下面举例进行说明，比如图3是Fe_47.5Co₃₀Si₆B₁₄P₂Te_0.5非晶前驱体的DSC曲线，测量的升温速度为40℃/min。从图中可以得到第一晶化起始温度T_x1为541.3℃，第二晶化起始温度T_x2为563.6℃，根据DSC分析，可确定本实施例合适的热处理温度介于第一、第二晶化峰之间，或者在玻璃转变温度和初始晶化温度之间即370℃-560℃的范围。需要说明的是，尽管其他实施例的条件有所不同，但是对晶化温度的影响不大，所以其他实施例中热处理温度的选择也以此作为基本参考。本实施例最后确定的热处理温度是在该温区范围多次实验后最终确定的最佳温度。

3)优异的软磁性能是本实施例所有产品的发明点，软磁性能优良主要通过高饱和磁化强度Bs和低矫顽力Hc体现，磁滞回线采用振动样品磁强计(VSM)测量，用于测试合金的饱和磁化强度；用B-H回线测量仪测试合金的矫顽力。由于样品较多，下面举例进行说明，比如400℃温度范围退火10min后热处理后的Fe_77.8Si₆B₁₄P₂Cu_0.2非晶合金条带的磁滞回线如图4所示。该成分下合金的饱和磁感应强度(Bs)为1.69T，矫顽力(Hc)为1.6A/m。

4)对于同一产品而言，P元素分布在真空条件下较在大气条件下分布均匀，由于样品较多，下面举例进行说明：用辉光放电光发射分光仪(GD-OES)对样品的自由面或贴辊面在深度方向上进行元素分析，通过定量分析元素，以测量Fe、Si、B、P元素的浓度分布情况，真空条件下制备的样品8所测得的浓度分布曲线见图5。由图5可以看出，P元素出现偏析富集层，浓度随深度增加逐渐下降，P浓度最高达到48wt％；Si、B含量自表面逐步下降，分别在8nm和10nm形成一个浓度平台；Fe浓度自表面逐步升高，在13nm形成一个浓度平台。大气条件下制备的样品8所测得的浓度分布曲线见图6。由图6可以看出，P元素偏析现象更加严重，P浓度最高达到75wt％，随后浓度随深度增加下降，但P元素分布相对图5中P元素分布而言，图6中P元素从10nm深度开始形成了峰值为3wt％－8wt％大小不一的多个小峰；其它元素趋势同图5相似。由此可见，真空条件下制备本发明非晶合金能有效减少P元素偏析,从而使P元素分布更加均匀。

本实施例中对不同产品，添加M元素的产品与不添加M元素的产品即对比例产品，即本实施例中产品1-9与对比例产品10-21比较，M元素的添加使得非晶带材在生产过程中无烧边现象，P元素没有出现偏析从而分布均匀，从辉光放电光发射分光仪(GD-OES)图谱上可以证实M元素的添加使得P元素在合金基体中均匀分布。

实施例2

在本发明的铁基非晶态合金Fe_aSi_bB_cP_dM_e成分范围制备一组不同的合金样品，其中样品的组成如表2所示，样品编号为27-45、49-58的合金是在单辊急冷法制备非晶条带步骤中采用抽真空后充氩气的条件进行制备，而编号为46-48、59-64的合金是在单辊急冷法制备非晶条带步骤中采用大气环境制备的。其制备方法与实施例1相同，通过与实施例1中相同的测试方法测试样品27-64的各项性能，所测得的结果如表2所示。

从本实施例的样品分析结果可知：1)本实施例的所有样品的合金条带结构都是完全非晶结构；2)本实施例的所有样品都具有优异的软磁性能，饱和磁感应强度B_s≥1.65T，矫顽力H_c≤2.1A/m，1kHz下有效磁导率超过20K；3)对于同一产品而言，P元素分布在真空条件下较在大气条件下分布均匀，比如序号为29的合金和序号为48的合金，两个合金的成分相同，但是在真空条件下和在大气环境下制备得到的合金产品性能和P元素分布不同；再比如序号为40的合金和序号为59的合金、序号为42的合金和序号为61的合金、序号为43的合金和序号为62的合金、序号为45的合金和序号为64的合金。由于样品较多，下面举例进行说明：采用辉光放电光发射分光仪(GD-OES)对高真空制备的样品自由面或贴辊面在深度方向上进行元素分析，通过定量分析元素，以测量Fe、Si、B、P元素以及合金中的C、N、Sn等其它元素的浓度分布情况。其中样品37各组成浓度曲线见图7，由图7可以看出，由于M元素Sn的加入，P元素出现偏析富集层现象显著减少，在深度为6nm左右P浓度仅达到15wt％，然后到8nm深度形成均一的浓度平台，内部不再有浓度峰值出现；其它元素浓度分布情况同图5一样。综上所述，本发明中M元素的加入和真空条件下制备非晶合金是减少P元素偏析的主要原因，本发明就是通过以上两个方法从根本上解决了含P元素非晶合金制备烧边现象和P元素分布不均匀的问题。

上述全部实施例中合金的饱和磁感应强度B_s采用振动样品磁强计(VSM)进行测量，以磁场为10000A/m大小的磁感应强度作为合金的饱和磁感应强度B_s。合金的矫顽力H_c和1kHz下的交流磁导率μ_e分别采用B-H磁滞回线测试仪和Agilent4294A型阻抗分析仪测得。

本发明用X射线衍射仪(XRD)确定非晶合金带材的非晶结构。完全非晶态的合金的XRD图具有宽化的弥散衍射峰，无明显的晶体结构对应的尖锐衍射峰。

本发明用高温差示扫描量热仪(DSC)测试非晶合金的晶化行为，升温速度为40K/min，分析非晶合金的晶化曲线，计算热处理温区ΔT(ΔT＝Tx2-Tx1)。

本发明采用辉光放电光发射分光仪(GD-OES)对本发明制备的样品的自由面或贴辊面在深度方向上进行元素分析定量分析元素。

表1实施例1非晶合金样品性能

表2实施例2非晶合金样品性能

实施例3

在本发明的铁基非晶态合金Fe_aSi_bB_cP_dM_e成分范围制备一组不同的合金样品，针对同一产品在不同热处理条件下得到的产品磁性能如表3所示，样品编号65-67为根据本发明合金成分所制备的一组实施例，编号68-69为本发明的对比例，编号为65-69的合金在单辊急冷法制备非晶条带步骤中均采用抽真空后充氩气的条件进行制备的，各合金的热处理温度参见表3，其他制备工艺步骤与实施例1相同，通过与实施例1中相同的测试方法测试样品65-69的各项性能，所测得的结果如表3所示。

从本实施例的样品分析结果可知：针对同一产品在不同热处理温度下产品的软磁性能基本保持稳定，说明本发明产品具有200℃左右范围的热稳定温区，热稳定性高；对比例样品同样经过不同热处理温度后，软磁性能比发明实施例样品稳定性差，而且P元素在非晶合金中分布不均匀。

表3实施例3非晶合金样品性能

实施例4

在本发明的铁基非晶态合金Fe_aSi_bB_cP_dM_e成分范围制备一组不同的合金样品，其中各样品的具体组成如表4所示，样品编号70-79为本实施例制备的合金样品，其中样品编号70-74为样品成分范围在元素组分含量优选范围内的产品，样品编号75-79为样品成分范围在元素组分含量不在优选范围内的产品。其制备方法与实施例1相同，通过与实施例1中相同的测试方法测试样品70-79的各项性能，所测得的结果如表4所示。

从本实施例的样品分析结果可知：由于本发明合金组分含量有优选数值范围，编号70-74样品成分范围在元素组分含量优选范围内的产品和样品编号75-79样品成分范围不在元素组分含量优选范围内的产品性能指标，优选组分范围内的产品性能好于非优选组分含量的产品性能。

表4实施例4非晶合金样品性能

Claims (19)

1.一种元素分布均匀的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金的表达式为Fe_aSi_bB_cP_dM_e，所述表达式中a、b、c、d和e分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：70≤a≤84，2≤b≤10，5≤c≤18，0.001≤d≤8，0.0001≤e≤2.5，a+b+c+d+e＝100％，所述M为N、Ge、Ga、Al、S、Te、Be、Pb、Mg中的一种或多种；

所述制备方法包括如下步骤：

步骤一，按所述铁基非晶软磁合金表达式中各组分的原子百分比含量进行配料；

步骤二，在抽真空后充入保护气体的气氛下采用感应熔炼炉或电弧熔炼炉将所述步骤一配好的原料熔炼均匀，随炉冷却或注入模具冷却成成分均匀的母合金锭；

步骤三，利用单辊熔体快淬法，在高真空条件下和氩气保护下将所述母合金锭制备成铁基非晶合金带材，所述高真空条件下的真空度为≤1×10^-3Pa。

2.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分Fe的原子百分比含量a的取值范围为75≤a≤83。

3.根据权利要求2所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，所述组分Fe的原子百分比含量a的取值范围为77≤a≤82。

4.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分Si的原子百分比含量b的取值范围为3≤b≤9。

5.根据权利要求4所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分Si的原子百分比含量b的取值范围为4≤b≤8。

6.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分B的原子百分比含量c的取值范围为6≤c≤16。

7.根据权利要求6所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分B的原子百分比含量c的取值范围为12≤c≤14。

8.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分P的原子百分比含量d的取值范围为1≤d≤6。

9.根据权利要求8所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分P的原子百分比含量d的取值范围为2≤d≤5。

10.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分M的原子百分比含量e的取值范围为0.001≤e≤2.5。

11.根据权利要求10所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分M的原子百分比含量e的取值范围为0.005≤e≤2.5。

12.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分Fe被Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Mn、Cr、Re、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、铂族元素、稀土元素中的至少一种元素部分替代，其中所述替代Fe的元素在所述铁基非晶软磁合金中的原子百分比含量为5％以下。

13.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述组分Fe被Co和/或Ni部分替代，其中所述部分替代Fe的元素Co和/或Ni在所述铁基非晶软磁合金中的原子百分比含量为45％以下。

14.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述抽真空的真空度为低于5×10^-3Pa，所述保护气体的气氛为氮气或氩气气氛，所述熔炼的时间为30-40min，并在熔化后保温5-30min以使合金原料熔炼均匀。

15.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，采用所述单辊熔体快淬法制备铁基非晶合金带材时，铜辊表面线速度为30-50m/s，合金熔炼喷带前温度控制在1200-1400℃，制备出的铁基非晶合金带材的厚度为15-30μm，宽度为1.5-5mm。

16.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述方法还包括热处理步骤，所述热处理步骤具体为：在抽真空后的惰性气体氛围中，将所述步骤三制备的铁基非晶合金带材以0.5-4℃/s的升温速率升温至300-490℃，然后保温1-10min，最后淬火冷却至室温，得到铁基非晶软磁合金带材。

17.根据权利要求16所述的铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述热处理步骤中，所述抽真空时的真空度为低于3×10^-3Pa。

18.采用权利要求1-17任一所述的制备方法制成的铁基非晶软磁合金在制造电子设备中的铁芯方面的应用。

19.根据权利要求18所述的应用，其特征在于，所述电子设备是特种电机、脉冲变压器、差模电感、电抗器、互感器或磁放大器。