CN104451465B - 一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法。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；将合金锭破碎并重新熔炼，并用炼钢造渣剂覆盖；采用单辊急冷制带法制备非晶薄带；将得到的非晶薄带放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理；然后随炉冷却至室温，得到铁基非晶纳米晶软磁合金。还可以先将非晶薄带卷绕成尺寸为13.2×21.5×10 mm的磁芯，再进行纳米晶化处理，得到铁基非晶纳米晶软磁合金磁芯。本发明使用低成本工业原料配合本发明方法能大幅降低成本，得到高磁导率低损耗的铁基非晶纳米晶软磁合金。

Description

一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法

技术领域

本发明是属于磁性材料及其制备技术领域，尤其是涉及一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法。

背景技术

自从1960年美国Duwez教授发明用快淬工艺制备非晶态合金(DuwezPetal.JApplPhys,1960,31:1136)，特别是他于1967年首次制备出软磁合金FePC(DuwezP.ApplPhys,1967,38:4096)以来，磁性合金材料的研究开发、生产应用经历过3个主要阶段：第一个阶段是1967~1983年，即从第一个非晶态磁性材料出现到Fe基、Co基、FeNi基三大非晶软磁合金系列化并基本形成产业；第二阶段是1983~1988年，即从真空快淬永磁NdFeB的研究成功，到以GM公司为代表形成生产规模，相应粘结稀土永磁体进入市场，而非晶软磁合金主要是开拓应用并大量生产；第三个阶段是1988年至今，即从日本日立金属公司的Yoshizawa等人发现并公布的一种新型铁基软磁合金“Finemet”(YoshizawaYetal.JApplPhys,1988,64(10):6044)开始，至今仍在发展的新一代软磁合金。

随着社会发展，在电力系统、计算机网络、多媒体技术和高频微磁器件等领域，越来越要求所用元器件高品质、小型、轻量，这就要求所使用的软磁合金等金属功能材料不断提高性能，即该软磁材料要同时兼备高饱和磁化强度（Bs）和高导磁率（μ）。“Finemet”纳米晶软磁合金的发现是解决这一难题的一个突破性进展。这种软磁合金具有高饱和磁化强度(Bs:1.24T)、高初始导磁率(μ₀:8x10⁴Gs/Oe）、低铁损（Ps_0.5/20k:20W/kg）等特性，得到了广泛的应用。

“Finemet”纳米晶软磁合金的典型化学成分为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，其制备原理是通过快速凝固工艺首先制备出非晶合金带材，然后经过适当的温度晶化退火后形成非晶与纳米晶双相结构，其中Cu偏聚预先析出，在Cu团簇周边α-FeSi再进行形核，因此Cu具有促进形核的作用；而Nb从α-FeSi晶粒中排出，在剩余非晶相中富集，并稳定剩余非晶相，从而具有抑制晶粒长大的作用。在现有铁基纳米晶合金中，Nb是不可缺少的元素，含量通常大于5%，然而Nb的价格昂贵，Nb元素占据了原材料总成本的70%以上，这导致铁基纳米晶合金的原材料成本非常高，不利于工业化生产。

中国发明专利CN1621550A公开了一种Fe_76.5-x-y-zCu₁Nb_xV_ySi_zB₉（原子比）铁基纳米晶软磁合金，且0<X<5，0<Y<7，0<Z<20，使用V部分替代了Nb。该发明铁基纳米晶软磁合金可以不经磁场处理而具有特殊的矩形比并可以降低原材料成本，但是，相对Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃纳米晶软磁合金而言，该类铁基纳米晶软磁合金的导磁率下降，矫顽力上升。

中国发明专利CN101834046A公开了一种高饱和磁感应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的添加会导致合金在制备过程中容易氧化、崩溅，合金成分不易控制，不利于工业化生产，且所得纳米晶软磁材料相对Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃纳米晶合金而言矫顽力上升。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有存在的不足而提供一种高性能、低成本的适用于工业化生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法。

我们所设计的一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法是为了适合工业化大量生产，应具备比现有技术中的铁基非晶纳米晶软磁合金更低的成本，并且导磁率要更高的特点。其特征在于所使用的原料都是低成本的工业原料，现有技术使用本发明的原料不能得到符合标准的铁基非晶软磁合金，使用本发明的方法能够制得高导磁率低成本的铁基非晶纳米晶软磁合金，本发明合金材料的具体化学成分重量百分比为：Si7~10；B1.8~2.2；Cu1.0~1.5；M4~6；余量为Fe，M为Nb、V中的任意一种或两种；并且在本发明中的一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金材料成分中的其它特征还在于M含量低于5.66%，现有技术铁基非晶纳米晶软磁合金Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃中，Nb元素含量重量比为大于等于5.66%。

一种用于工业生产的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：将工业纯铁、工业多晶硅、工业硼铁、工业铌铁、工业钒铁、电解铜按化学成分质量百分比配置，其中Si7~10；B1.8~2.2；Cu1.0~1.5；M4~6；余量为Fe，M为Nb、V中的任意一种或两种，其中，M重量比优选低于5.66%；

（2）母合金原料熔炼：①将步骤（1）配比好的母合金原料从熔炼炉底部到上部按少量铁-铌铁、少量硼铁-少量铁、铜、余量硼铁-少量铁、硅、余量铁的顺序放置于中频熔炼炉内，中频熔炼炉起始功率20-40kW；

②当步骤①中母合金原料温度达到300-380度时，将中频熔炼炉功率升至80-100kW；

③当步骤②中熔炼炉底部母合金原料的温度达到1100-1535度时，母合金原料开始融化并且母合金原料整体下沉，中频熔炼炉功率升至140-160kW；

④当步骤③中母合金原料完全熔化时，停止加热，将炼钢造渣剂覆盖于合金溶液上防止氧化并除渣，保持5-10分钟后，将造渣剂清除干净；

⑤将步骤④熔炼后的合金熔液向前倾斜15-20°，并调节中频熔炼炉功率至30-40kW，保持1-2分钟，迅速将功率升至100-120kW，使合金熔液在熔炼炉内翻滚，保持3-5分钟后再将功率降至30-40kW，重复该步骤3-5次；

⑥步骤⑤操作完成后，停止加热，合金溶熔用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣，保持时间5-10分钟，将造渣剂清除干净，重复3-5次后，合金熔液浇铸出炉，制得合金锭；

（3）制备非晶薄带：首先将步骤（2）制备的合金锭破碎，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，过程中重熔后的合金溶液用炼钢造渣剂覆盖防止氧化，制带前将炼钢造渣剂清除干净，然后，在大气环境下，采用单辊急冷制带法将重熔的合金熔液制备成非晶薄带；

（4）纳米晶化处理：将非晶薄带放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理，得到铁基非晶纳米晶软磁合金。

本发明优选在真空退火炉中进行等温退火晶化处理工艺为：第一步480-500度预退火60分钟，第二步500-550℃晶化退火90分钟，第三步快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温。

按照上述方法制得的非晶薄带优选宽度为10mm，非晶薄带厚度为30μm。

按照本发明制得的铁基非晶纳米晶软磁合金尤其适合制作铁基非晶纳米晶软磁合金磁芯，利用本发明的方法制得非晶薄带后，首先将非晶薄带卷绕成尺寸为13.2×21.5×10mm的磁芯再进行纳米晶化处理的步骤，就能得到高饱和磁化强度的磁芯。

本发明中的一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金是在传统工艺上优选Fe、Si、B、Cu、Nb五元素并且调整降低了Nb含量或用V部分替代Nb降低材料成本；另外，本发明中制备母合金所需要的原材料全部采用工业用原材料，同时降低了材料成本，更利于工业化大量生产。并且，制备得到低成本、高导磁率的铁基非晶纳米晶软磁合金。

具体实施方式

实施例1

母合金的化学成分为：Fe82.094,Si9.246,B1.935,Cu1.373,Nb5.352（wt%）。首先采用中频感应加热熔炼炉在大气环境下熔炼制备母合金。其次母合金在炼钢用造渣剂保护下进行重熔，并于制带前清除干净。再次，在大气环境下，采用单辊急冷制带装备制备成非晶合金薄带。带材宽度10mm，带材厚度30μm，韧性良好，对弯不断。将非晶薄带卷绕成尺寸为13.2×21.5×10mm的磁芯。最后在真空退火炉中进行等温退火晶化处理，最佳热处理工艺为：480度预退火60分钟，500℃晶化退火90分钟，热处理后快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温，所得磁芯在50Hz下的初始磁导率μ₀（H=0.04A/m时）大于14万Gs/Oe，饱和磁感应强度B（H=5A/m时）大于1.0T。

实施例2

母合金的化学成分为：Fe83.554,Si7.787,B1.983,Cu1.295,Nb5.018,V0.363（wt%）。首先采用中频感应加热熔炼炉在大气环境下熔炼制备母合金。其次母合金在炼钢用造渣剂保护下进行重熔，并于制带前清除干净。再次，在大气环境下，采用单辊急冷制带装备制备成非晶合金薄带。带材宽度10mm，带材厚度30μm，韧性良好，对弯不断。将非晶薄带卷绕成尺寸为13.2×21.5×10mm的磁芯。最后在真空退火炉中进行等温退火晶化处理，最佳热处理工艺为：500度预退火60分钟，550℃晶化退火90分钟，热处理后快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温，所得磁芯在50Hz下的初始磁导率μ₀（H=0.04A/m时）大于13万Gs/Oe，饱和磁感应强度B（H=5A/m时）大于1.1T。

实施例3

母合金的化学成分为：Fe83.37,Si7.70,B1.98,Cu1.29,Nb5.66（wt%）。首先采用中频感应加热熔炼炉在大气环境下熔炼制备母合金。其次母合金在炼钢用造渣剂保护下进行重熔，并于制带前清除干净。再次，在大气环境下，采用单辊急冷制带装备制备成非晶合金薄带。带材宽度10mm，带材厚度30μm，韧性良好，对弯不断。将非晶薄带卷绕成尺寸为13.2×21.5×10mm的磁芯。最后在真空退火炉中进行等温退火晶化处理，最佳热处理工艺为：480度预退火60分钟，550℃晶化退火90分钟，热处理后快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温，所得磁芯在50Hz下的初始磁导率μ₀（H=0.04A/m时）大于10万Gs/Oe，饱和磁感应强度B（H=5A/m时）大于1.05T。

Claims (4)

1.一种用于工业生产的铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

（1）配比母合金原料：将工业纯铁、工业多晶硅、工业硼铁、工业铌铁、工业钒铁、电解铜按化学成分质量百分比配置，其中Si7~10；B1.8~2.2；Cu1.0~1.5；M4~6；余量为Fe，M为Nb、V中的任意一种或两种，其中，M重量比低于5.66%；

（2）母合金原料熔炼：①将配比好的母合金原料从熔炼炉底部到上部按少量工业纯铁和工业铌铁和工业钒铁、少量工业硼铁和少量工业纯铁、电解铜、余量工业硼铁和少量工业纯铁、工业多晶硅、余量工业纯铁的顺序放置于中频熔炼炉内，保持中频熔炼炉起始功率20-40kW；

②当步骤①中母合金原料温度达到300-380度时，功率升至80-100kW；

③当步骤②中熔炼炉底部母合金原料的温度达到1100-1535度时，母合金原料开始融化并且母合金原料整体下沉，中频熔炼炉功率升至140-160kW；

④当步骤③中母合金原料完全熔化时，停止加热，将炼钢造渣剂覆盖于合金熔液上防止氧化并除渣，保持5-10分钟后，将造渣剂清除干净；

⑤将步骤④完成熔炼后的中频熔炼炉倾斜15-20°，并调节中频熔炼炉功率至30-40kW，保持1-2分钟，迅速将功率升至100-120kW，使合金熔液在熔炼炉内翻滚，保持3-5分钟后再将功率降至30-40kW，重复该步骤3-5次；

⑥步骤⑤操作完成后，停止加热，合金熔液用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣，保持时间5-10分钟，将造渣剂清除干净，重复3-5次后，合金熔液浇铸出炉，制得合金锭；

（3）制备非晶薄带：首先将合金锭破碎，加入制带机中频感应加热熔炼炉内重熔，过程中重熔后的合金熔液用炼钢造渣剂覆盖防止氧化，制带前将炼钢造渣剂清除干净，然后，在大气环境下，采用单辊急冷制带法将重熔的合金熔液制备成非晶薄带；

（4）纳米晶化处理：将非晶薄带放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理，得到铁基非晶纳米晶软磁合金。

2.如权利要求1所述方法，其特征是，所述在真空退火炉中进行等温退火晶化处理工艺为：第一步480-500度预退火60分钟，第二步500-550℃晶化退火90分钟，第三步快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温。

3.如权利要求1所述方法，其特征是，所述非晶薄带宽度为10mm，非晶薄带厚度为30μm。

4.一种磁芯的制备方法，其特征是，包括通过如权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法制得非晶薄带后，将制得的非晶薄带先卷绕成尺寸为13.2×21.5×10mm的磁芯，再进行纳米晶化处理的步骤。