CN108138293A - 软磁合金 - Google Patents

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Abstract

根据本发明实施例的软磁合金，具有以下分子式的成分：[分子式]FeaXbYcZd其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。

Description

软磁合金
技术领域
本发明涉及一种软磁合金，并且更具体地涉及一种非晶或纳米晶软磁合金。
背景技术
近来，对在诸如计算机、机器和通信设备的各种电子设备中使用高性能软磁材料的需求日益增长。因此，为了实现诸如硅钢和铁氧体的现有材料不能提供的物理性能，高度需要使用高性能软磁金属材料。具有高饱和磁通密度、高磁导率和电阻率特性的软磁金属材料可以用于通用目的，并且可以通过替换现有组件来实现诸如尺寸小、重量轻和损耗低的特性。具体地，可以将高性能软磁材料应用于诸如电感器(inductor)、扼流线圈和变压器的软磁芯以及用于屏蔽电磁场的各种片材。
到目前为止，铁基非晶合金主要用于满足高饱和磁通密度特性的要求。其中，当需要较高的饱和磁通密度和优越的非晶特性时，应用Fe-Si-B三元软磁合金。为此，除了Fe之外，还应该含有预定量或更多的类金属元素和另外的金属元素。然而，由于包含较大的量的类金属元素和其他金属元素，所以会以相对较小的量包含Fe，因此饱和磁通密度趋于165emu/g或更小。因此，这种Fe-Si-B软磁合金在应用于要求高饱和磁通密度的环保汽车和高性能电子设备方面存在局限。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种具有高饱和磁通密度的非晶或纳米晶软磁合金。
技术方案
根据本发明实施例的软磁合金具有以下分子式的成分：
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
Si的含量可以为2at％至8at％。
P的含量可以为2at％至8at％。
Z可以包含B。
Z可以进一步包含Al。
Z可以进一步包含Co。
Z可以进一步包括Cr。
根据本发明实施例的所述软磁合金可以具有170emu/g以上的饱和磁通密度。
根据本发明实施例的所述软磁合金可以是非晶或纳米晶。
根据本发明实施例的形成软磁芯的方法包括：通过混合和熔化具有以下分子式的成分的粉末来制备熔融溶液；通过冷却所述熔融溶液形成带；对所述带进行热处理；以及通过缠绕经热处理的所述带形成软磁芯。
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
所述熔融溶液可以通过喷洒包括N2和Ar中的至少一种的气体或水来冷却。
有益效果
根据本发明的实施例，可以获得具有优异的非晶或纳米晶成形性和170emu/g以上的饱和磁通密度的软磁合金。根据本发明实施例的软磁合金可以应用于无线充电的无线电力发射器/接收器、RFID标签、各种屏蔽片、变压器、电感器、扼流线圈等。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的包括软磁芯的变压器；
图2示出了根据本发明实施例的通过缠绕由软磁合金制成的非晶带或纳米晶带而形成的软磁芯；
图3是根据本发明实施例的无线电力发射器的局部视图；
图4是根据本发明实施例的无线电力接收器的局部视图；
图5是示出根据本发明实施例的用于制备软磁合金的方法的流程图；
图6是根据实例1制备的软磁合金的热分析图；
图7示出了实例1的软磁合金的X射线衍射(XRD)图案分析；
图8示出了实例1的饱和磁通密度。
具体实施方式
由于本发明允许各种变化和许多实施例，因此将在附图中说明并详细描述具体实施例。然而，这并不意图将本发明限制于特定的实践模式，并且应该理解，不偏离本发明的精神和技术范围的所有改变、等同物和替代物都包含在本发明中。
尽管可以使用包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语来描述各种组件，但是这些组件不应当受到上述术语的限制。以上术语仅用于区分一个组件与另一个组件。例如，在不偏离本发明的范围的情况下，第一元件可以被命名为第二元件，并且类似地，第二元件可以被命名为第一元件。术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。
当描述某个元件被“连接”或“链接”到另一个元件时，应该理解，该某个元件可以直接地连接或链接到另一个元件，或经由它们之间存在的另一元件连接或链接到另一个元件。相反，当某个元件被“直接连接”或“直接链接”到另一个元件时，应该理解，在它们之间不存在其他元件。
本申请中使用的术语仅用于描述具体的实施例，并不意图限制本发明。除非内容明确指出，否则单数形式的表述包括复数形式的表述。在本申请中，应该理解的是，诸如“包括”和“具有”的术语用于指示存在所述特征、数量、步骤、操作、元件、部件或它们的组合，而不预先排除存在或添加一个或多个其他特征、数量，步骤、操作、元件、部件或它们的组合的可能性。
除非另有定义，否则本文中使用的包括技术或科学术语在内的所有术语具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。应该理解的是，在字典中定义的通用术语具有与相关技术的背景中的相同的含义，并且除非在本申请中另外明确定义，否则这些术语不被理解为具有理想的或过于正式的含义。
在下文中，将参考附图详细描述实施例，其中类似的或对应的元件表示相同的附图标记，并且将省略对其的重复描述。
根据本发明实施例的软磁合金可以应用于诸如电感器、扼流线圈、变压器等的软磁芯以及用于屏蔽电磁场的各种片材。例如，根据本发明实施例的软磁合金也可以应用于变压器的软磁芯、电机的软磁芯或电感器的磁芯。根据本发明实施例的软磁合金可以应用于缠绕线圈的磁芯或容纳缠绕的线圈的磁芯。当具有高饱和磁通密度的非晶或纳米晶粉末用作变压器、电感器等的磁芯时，磁芯可以比现有材料更轻，并且由于优异的电阻率特性，该磁芯可以实现诸如低能量损失，即，高能量效率的特性。因此，电子设备中的磁芯可以是尺寸小、重量轻且具有高效率。同时，当使用非晶或纳米晶粉末作为用于屏蔽的磁片时，磁片具有较小的厚度和增加的屏蔽效率，因此容易实现无线充电装置的轻量和高效率。
图1示出了根据本发明实施例的包括软磁芯的变压器100。
参考图1，被配置为通过电磁感应改变交流电压的变压器100包括软磁芯110和缠绕在软磁芯110的相对侧上的线圈120。由于当交流电输入到初级线圈时产生的磁场变化通过软磁芯110影响次级线圈，所以次级线圈的磁通量发生变化，因此在次级线圈中感应出电流。在这点上，软磁芯110可以使用根据本发明实施例的软磁合金来模制，或者可以通过缠绕由根据本发明实施例的软磁合金制成的非晶带或纳米晶带来形成。
图2示出了根据本发明实施例的由软磁合金制成的软磁芯200。
参考图2，软磁芯200可以通过缠绕由根据本发明实施例的软磁合金制成的非晶带或纳米晶带210而形成。软磁芯200可以应用于变压器、电机、电感器等。
图3是根据本发明实施例的无线电力发射器1200的局部视图。图4是根据本发明实施例的无线电力接收器1300的局部视图。
参考图3，无线电力发射器1200包括软磁芯1210和永磁体1220。
软磁芯1210可以由厚度为几毫米的软磁材料构成。软磁芯1210可以使用根据本发明实施例的软磁合金来模制，或者可以通过缠绕由根据本发明实施例的软磁合金制成的非晶带或纳米晶带来形成。另外，发射器线圈1220可以设置在软磁芯1210上。尽管附图中未示出，可以在在软磁芯1210上进一步设置永磁体，并且永磁体可以被发射器线圈1220包围。
参考图4，无线电力接收器1300包括软磁衬底1310和接收器线圈1320，接收器线圈1320可以设置在软磁衬底1310上。
接收器线圈1320可以由软磁衬底1310上的与软磁衬底1310平行缠绕的线圈表面组成。软磁衬底1310可以使用根据本发明实施例的软磁合金来模制，或者可以通过缠绕由根据本发明实施例的软磁合金制成的非晶带或纳米晶带来形成。
虽然附图中未示出，但是当无线电力接收器1300具有无线充电功能和近场通信(NFC)功能时，NFC线圈可以进一步安装在软磁衬底1310上。NFC线圈可以形成为围绕接收器线圈1320的外侧。
根据本发明的一个实施例，变压器、电机和电感器的软磁芯，无线电力发射器的软磁芯，无线电力接收器的软磁衬底等，包括具有以下分子式1的成分的软磁合金：
[分子式1]
FeaXbYcZd
其中，在分子式1中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，优选4at％至12at％，更优选8at％至10at％，c的范围为2at％至8at％，优选4at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％，优选2at％至8at％，更优选4at％至8at％。
因此，可以获得具有170emu/g以上的饱和磁通密度和优异的非晶或纳米晶成形性的软磁合金。
这里，根据本发明实施例的软磁合金可以包含Si和P中的至少一种。当根据本发明实施例的软磁合金包含Si和P时，Si和P的含量可以为2at％至16at％。当Si和P的量小于2at％时，电阻率可能降低并且非晶成形性可能劣化。另一方面，当Si和P的量大于16at％时，Fe的含量相对较低，因此饱和磁通密度可能降低。当根据本发明实施例的软磁合金包含Si或P时，Si或P的含量可以在2at％至8at％的范围内。当Si或P的含量大于8at％时，形成金属间化合物的可能性可能增加并且饱和磁通密度可能降低。
在根据本发明实施例的软磁合金的成分中，C与Fe之间具有强的原子亲和力。也就是说，C与Fe之间具有很强的原子间吸引力，即，约为C与B的之间的原子间吸引力的两倍。因此，当Fe和C一起熔化时，在超冷却的熔融溶液中非常容易发生聚集和成核，并且非晶成形性可能增强。因此，当C的含量小于2at％时，非晶成形性增强效果可能较低，并且当C的含量超过8at％时，形成金属间化合物的可能性可能增加并且饱和磁通量密度可能降低。
同时，除Fe、Si、P和C之外，根据本发明实施例的软磁合金可以进一步包含作为类金属基元素、生长抑制剂和成核剂中的一种的添加元素。例如，添加元素包括B、N、Al、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Co和Ni中的至少一种。
这里，B可以用于增强非晶或纳米晶成形性。也就是说，当Fe、Si、B和C熔化为熔融金属然后冷却时，Fe与C之间的原子间键合力高于Fe与B之间的原子间键合力，因此C阻碍Fe与B之间的结晶。因此，由于Fe-B和Fe-C之间的原子间键合力的差异而引起结晶动力学竞争，并且因此可以导致高非晶成形性。
另外，Cr作为生长抑制剂，并通过在软磁合金上形成氧化膜提高电阻、增强耐蚀性。例如，Cr可以防止在制备或干燥含Fe软磁合金的过程中可能发生的腐蚀。
然而，当添加元素的含量超过10at％时，可能会产生另外的化合物，或者可能会增加原材料成本，并且Fe的含量相对较低，导致饱和磁通密度降低。
图5是示出根据本发明实施例的制备软磁芯的方法的流程图。
参考图5，将具有分子式1的成分的原料粉末混合在熔融金属中，并在1500℃至1900℃下熔化(S500)。
随后，将所得到的熔融溶液快速冷却，由此产生合金粉末或带(S510)。为了产生合金粉末，可以将包括N2和Ar中的至少一种的气体或水喷射到熔融溶液上。另外，为了产生带，可以将熔融溶液放入模具中并迅速冷却。这里，带可以是非晶带或纳米晶带。
接下来，将合金粉末或带在200℃至1000℃的温度下热处理5分钟至24小时(S520)。热处理工艺可以在存在或不存在磁场的情况下在包括H2、N2、Ar和NH3中的至少一种的气体气氛中进行。此时，当热处理时间少于5分钟时，通过热处理提高软磁特性的效果可能降低。此外，当热处理温度低于200℃时，热处理时间增加，因此经济效率降低，并且当热处理温度高于1000℃时，合金粉末或带可能再次被融化。
接下来，缠绕经过热处理的带或模制经过热处理的合金粉末以形成软磁芯(S530)。
在下文中，将参考以下实例和比较例进一步详细描述本公开。
表1示出了根据实例的软磁合金的每一种的成分、饱和磁通密度(T)、电阻率(μΩ·cm)和非晶成形性。表2示出了根据比较例的软磁合金的每一种的成分、饱和磁通密度(T)、电阻率(μΩ·cm)和非晶成形性。图6是根据实例1制备的软磁合金的热分析图。图7示出了实例1的软磁合金的X射线衍射(XRD)图案分析。图8示出了实例1的软磁合金的饱和磁通密度。
根据实例和比较例的软磁合金的每一种是通过以下步骤制备的：将金属粉末按照各成分熔化为熔融金属，通过喷洒气体或水冷却所得到的熔融溶液来产生合金粉末，然后将合金粉末在200℃至1000℃进行热处理。
使用振动样品磁强计(VSM)测量根据实例和比较例的软磁合金的每一种的饱和磁通密度(T)，并且使用探针(point probe)测量软磁合金的每一种的电阻率(μΩ·cm)。另外，根据是否能够形成带或圆柱杆来确定实例和比较例的软磁合金的每一种的非晶成形性，为此，进行热分析和XRD图案分析。
[表1]
[表2]
参考表1和2以及图6至图8，可以确认，具有分子式1的成分的实例1至实例5的软磁合金具有170emu/g以上的饱和磁通密度和优异的非晶成形性，而在上述数值范围之外的比较例1至比较例3的软磁合金表现出差的饱和磁通密度和差的非晶成形性中的至少一种。特别地，可以确认，包括Fe、Si、P、C和B全部并且具有满足分子式1的条件的成分的实例1的情况表现出高饱和磁通密度和优异的非晶成形性。
另外，在实例1、3、4、5的情况下，由于Fe的含量超过78at％，因此有助于非晶形成的剩余元素(例如，Si、P、C、B、Al和Co)的总含量小于22at％。通常，由于有助于饱和磁通密度的Fe的含量增加，有助于非晶成形性的剩余元素的含量降低，因此饱和磁通密度和非晶成形性具有折衷(trade-off)关系。然而，根据本发明实施例的组合物，可以获得高饱和磁通密度并且可以保持非晶成形性。
根据本发明实施例的软磁合金可以应用于用于屏蔽电磁场的各种片材。例如，根据本发明实施例的软磁合金可以应用于用于无线充电的无线电力接收器的软磁片、用于射频识别(RFID)天线的屏蔽片等。
另外，根据本发明实施例的软磁合金可以应用于变压器的软磁芯、电机的软磁芯、电感器的磁芯或用于无线充电的无线电力发射器的软磁芯。例如，根据本发明实施例的软磁合金可以应用于其上缠绕有线圈的磁芯或其中容纳缠绕线圈的磁芯。
此外，根据本发明实施例的软磁合金可以以各种方式应用于环保汽车、高性能电子设备等。
尽管已经参照示例性实施例详细描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在本发明中进行各种改变和修改。

Claims (17)

1.一种软磁合金，具有以下分子式的成分：
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
2.根据权利要求1所述的软磁合金，其中，所述Si的含量为2at％至8at％。
3.根据权利要求1所述的软磁合金，其中，所述P的含量为2at％至8at％。
4.根据权利要求1所述的软磁合金，其中，所述Z包含B。
5.根据权利要求4所述的软磁合金，其中，所述Z还包含Al。
6.根据权利要求4所述的软磁合金，其中，所述Z还包含Co。
7.根据权利要求4所述的软磁合金，其中，所述Z还包含Cr。
8.根据权利要求1所述的软磁合金，其中，所述软磁合金具有170emu/g以上的饱和磁通密度。
9.根据权利要求1所述的软磁合金，其中，所述软磁合金是非晶或纳米晶。
10.一种用于天线的屏蔽片，所述屏蔽片包括软磁合金，所述软磁合金具有以下分子式的成分：
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
11.一种无线充电系统的无线电力发射器，所述无线电力发射器包括：
软磁芯；以及
发射器线圈，形成在所述软磁芯上，
其中，所述软磁芯包括软磁合金，所述软磁合金具有以下分子式的成分：
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
12.一种无线充电系统的无线电力接收器，所述无线电力接收器包括：
软磁片；以及
接收器线圈，形成在所述在软磁片上，
其中，所述软磁片包括软磁合金，所述软磁合金具有以下分子式的成分：
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
13.一种软磁芯，所述软磁芯包括软磁合金，所述软磁合金具有以下分子式的成分：
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
14.根据权利要求13所述的软磁芯，其中，所述软磁芯由所述软磁合金的粉末模制而成。
15.根据权利要求13所述的软磁芯，其中，所述软磁芯通过缠绕由所述软磁合金制成的纳米晶带或非晶带而形成。
16.一种形成软磁芯的方法，所述方法包括：
通过混合和熔化具有以下分子式的成分的粉末来制备熔融溶液；
通过冷却所述熔融溶液产生带；
对所述带进行热处理；以及
通过缠绕经热处理的所述带形成软磁芯，
[分子式]
FeaXbYcZd
其中，在上述分子式中，X包含硅(Si)和磷(P)中的至少一种，Y包含碳(C)，Z包含硼(B)、氮(N)、铝(Al)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，a的范围为78at％至95.75at％，b的范围为2at％至16at％，c的范围为2at％至8at％，并且d的范围为0.25at％至10at％。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过喷洒包括N2和Ar中的至少一种的气体或喷洒水来冷却所述熔融溶液。
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