CN106057392B - α‑Fe/γ′‑Fe4N软磁复合材料的低温原位制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种α‑Fe/γ′‑Fe₄N软磁复合材料的低温原位制备方法。该发明选择20~200nm的Fe₂O₃或Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；铁粉在NH₃气氛中，120~200℃温度下，保温1~30h，进行氮化；随后将氮化后的粉末加入0.1~4wt.%的W‑6C粘接剂，在0.4~1.2GPa的压力下制成软磁复合磁环；最后在220~600℃退火0.5~20h，获得α‑Fe/γ´‑Fe₄N软磁复合材料。该方法在220℃就可以获得γ´‑Fe₄N，较传统气相法温度低很多；同时α‑Fe和γ´‑Fe₄N通过α"‑Fe₁₆N₂的共析转变获得，因此两相分布弥散均匀，最大程度的提高了体系的电阻率。

Description

α-Fe/γ´-Fe4N软磁复合材料的低温原位制备方法

技术领域

本发明涉及一种软磁复合材料的低温原位制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

软磁材料是指，能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料。软磁材料具有低矫顽力和高磁导率，既容易受外加磁场磁化，又容易退磁，广泛应用于电力工业和电子设备中。在电力工业中，从电能的产生（发电机）、传输（变压器）到利用（电动机）的过程中，软磁材料起着能量转换的作用。在电子工业中，从通讯（滤波器和电感器）、自动控制（继电器、磁放大器、变换器）、广播、电视和电源（声音和图像的录、放、抹磁头）、电子计算技术（磁芯存储器和磁带机的读写刺头）到微波技术（各种铁磁性微波器件），软磁材料起着信息的变换、传递及存储等作用。

软磁材料是种类最多的一类磁性材料，其发展最早可以追溯到一百多年前。19世纪，随着电力工业及电讯技术的兴起，低碳钢开始应用于制造电机和变压器，细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等也在电话线路的电感线圈的磁芯中得到了应用。20世纪初，硅钢片研制成功，逐渐替代低碳钢应用于变压器，硅钢片提高了变压器的效率、降低了损耗，直到现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。20世纪20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，坡莫合金及软磁复合材料等开始出现。20世纪40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路等的发展对软磁材料的性能提出了更高的要求，软磁合金薄带及铁氧体软磁材料得到了开发应用。进入20世纪70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，非晶态软磁合金和纳米晶软磁合金的研究逐渐兴起。

现在所应用的软磁材料主要有：金属软磁材料，如硅钢（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙台斯特合金（Fe-Si-Al），用于发电机、变压器、马达等，非晶态合金、纳米晶和薄膜也可制成软磁材料，而且还可以根据需要制备有特殊用途的磁性材料，如超晶格；软磁铁氧体，这方面有：Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等，多用于变压器、线圈、天线、磁头、开关等；软磁复合材料，如Fe-Si-Al、铁镍钼、高磁通（Fe-Ni）等软磁复合材料，主要用于电感、变压器、扼流圈等。

软磁复合材料的诞生很好的弥补了金属软磁高饱和磁化强度但电阻低，铁氧体软磁电阻高但饱和磁化强度低的缺点。α-Fe具有非常高的饱和磁化强度，如果将其与高磁化强度、高电阻率的γ´-Fe₄N复合在一起，可望获得高性能的软磁复合材料。

中国专利104036899A公开了一种核壳结构软磁复合材料的制备方法，其中可通过表面氮化的方式获得表面γ´-Fe₄N，内部α-Fe复合结构的软磁复合材料。我们知道，γ´-Fe₄N的气相氮化温度通常在450~600℃之间，该发明的氮化温度也在400℃之上。

针对这种情况，本发明通过气相低温氮化合成α"-Fe₁₆N₂相，然后退火热处理获得α-Fe和γ´-Fe₄N的方法，原位低温制备了α-Fe/γ´-Fe₄N软磁复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过气相低温氮化合成α"-Fe₁₆N₂相，然后退火热处理获得α-Fe和γ´-Fe₄N的方法，原位低温制备了α-Fe/γ´-Fe₄N软磁复合材料的方法。

本发明的具体步骤为：

1）材料准备

选择20~200nm的Fe₂O₃或Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，120~200℃温度下，保温1~30h；随炉冷却至室温，取出样品；

该步骤的目的是获得α"-Fe₁₆N₂相，优选温度为170℃；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入0.1~4wt.%的W-6C粘接剂，在0.4~1.2GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为220~600℃，退火时间为0.5~20h；

该步骤的目的是使氮化获得的α"-Fe₁₆N₂相分解形成α-Fe和γ´-Fe₄N相，生成的α-Fe和γ´-Fe₄N相交替分布，极大的提高了软磁复合材料的电阻率。

上述的制备步骤中，可以将步骤3）和4）对调，即：先将低温氮化后的粉末进行热处理获得α-Fe和γ´-Fe₄N，再压制成软磁复合磁环；但此时应再补充一次去应力退火。

本发明的优点是：

1）相比较于气相获得γ´-Fe₄N的450~600℃高温，本发明在220℃就可以获得γ´-Fe₄N，较传统方法温度低很多；

2）α-Fe和γ´-Fe₄N通过α"-Fe₁₆N₂的共析转变获得，因此两相分布弥散均匀，最大程度的提高了体系的电阻率。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数，可按常规技术进行。

本发明的具体步骤为：

1）材料准备

选择20~200nm的Fe₂O₃或Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，120~200℃温度下，保温1~30h；随炉冷却至室温，取出样品；

该步骤的目的是获得α"-Fe₁₆N₂相，优选温度为170℃；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入0.1~4wt.%的W-6C粘接剂，在0.4~1.2GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为220~600℃，退火时间为0.5~20h；

该步骤的目的是使氮化获得的α"-Fe₁₆N₂相分解形成α-Fe和γ´-Fe₄N相，生成的α-Fe和γ´-Fe₄N相交替分布，极大的提高了软磁复合材料的电阻率。

通过本发明可以制备两相弥散均匀分布的α-Fe/γ´-Fe₄N软磁复合材料。

实施例1：

步骤为：

1）材料准备

选择20nm的Fe₂O₃粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，120℃温度下，保温30h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入0.1wt.%的W-6C粘接剂，在0.4GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为220℃，退火时间为20h。

对实施例1所制备的样品进行XRD和SEM表征，同时检测到了γ´-Fe₄N和α-Fe相，并且两相均匀交替分布。

实施例2：

步骤为：

1）材料准备

选择40nm的Fe₂O₃粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，170℃温度下，保温12h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入0.4wt.%的W-6C粘接剂，在0.6GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为280℃，退火时间为12h。

对实施例2所制备的样品进行XRD和SEM表征，同时检测到了γ´-Fe₄N和α-Fe相，并且两相均匀交替分布。

实施例3：

步骤为：

1）材料准备

选择80nm的Fe₂O₃粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，200℃温度下，保温1h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入0.6wt.%的W-6C粘接剂，在0.8GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为320℃，退火时间为6h。

对实施例3所制备的样品进行XRD和SEM表征，同时检测到了γ´-Fe₄N和α-Fe相，并且两相均匀交替分布。

实施例4：

步骤为：

1）材料准备

选择120nm的Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，140℃温度下，保温25h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入1wt.%的W-6C粘接剂，在0.8GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为400℃，退火时间为2h。

对实施例4所制备的样品进行XRD和SEM表征，同时检测到了γ´-Fe₄N和α-Fe相，并且两相均匀交替分布。

实施例5：

步骤为：

1）材料准备

选择160nm的Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，160℃温度下，保温18h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入2wt.%的W-6C粘接剂，在1.0GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为500℃，退火时间为1h。

对实施例5所制备的样品进行XRD和SEM表征，同时检测到了γ´-Fe₄N和α-Fe相，并且两相均匀交替分布。

实施例6：

步骤为：

1）材料准备

选择200nm的Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，180℃温度下，保温4h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入4wt.%的W-6C粘接剂，在1.2GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为600℃，退火时间为0.5h。

对实施例6所制备的样品进行XRD和SEM表征，同时检测到了γ´-Fe₄N和α-Fe相，并且两相均匀交替分布。

Claims (1)

1.α-Fe/γ´-Fe₄N软磁复合材料的低温原位制备方法，其特征在于具体步骤为：

1）材料准备

选择20~200nm的Fe₂O₃或Fe₃O₄粉末为原材料，在适当的温度和氢气气氛下还原制得纳米铁粉；

2）低温氮化

将铁粉在NH₃气氛中，120~200℃温度下，保温1~30h；随炉冷却至室温，取出样品；

3）软磁复合材料制备

将氮化后的粉末加入0.1~4wt.%的W-6C粘接剂，在0.4~1.2GPa的压力下制成软磁复合磁环；

4）退火热处理

将压制好的软磁复合磁环在保护气氛中退火热处理，退火温度为220~600℃，退火时间为0.5~20h。