CN108411224A - 一种基于ht200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法 - Google Patents

一种基于ht200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法。该合金薄带的成分为(HT200)aBb，元素组成成分的原子百分数为a＝94～98，b＝2～6，a+b＝100；其中，所述HT200为灰铁200；该合金用商用灰铸铁200代替现在商业生产中的主要原料纯Fe和纯Si，添加适量的B元素，采用单辊甩带法，于1000～1400℃下喷射于铜辊，制得铁基非晶软磁合金薄带。本发明合金拥有优异的软磁性能，更适合大规模生产。本发明的原料只采用商用灰铁200以及B元素，不含有贵重的纯净元素，以及不便实际生产的纯净C和P元素，有效降低了生产成本(每吨约节省成本1000元左右)和简化了生产工艺。

Description

一种基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料中软磁合金的技术领域，具体地讲是涉及一种低成本、高软磁性能的铁基非晶软磁合金。
背景技术
硅钢因其高饱和磁感应强度Bs(～2.0T)而被广泛用作发电机，变压器和电动机等各种电气设备中的磁芯，以将电气设备的物理尺寸减至最小。然而，由于其高磁芯损耗(2～10W/kg，60Hz和1.5T)的弊病已成为严重的环境和能源问题。近年来，由于人类社会对电池，软磁等节能材料的发展有强烈的需求，因此当我们专注于软磁材料时，我们开发了铁基非晶纳米晶合金以降低铁损。这些铁基非晶纳米晶材料的平均矫顽力约为硅钢的1/4，但它们的Bs仅为硅钢的70％～80％。优异软磁性能重要的是获得更高的饱和磁感应强度(Bs)，更低的矫顽力(Hc)，更高的有效磁导率，更低的磁芯损耗和更高的居里温度。此外为了便于其生产制备，要求要有很强的非晶形成能力，良好的机械性能及良好的加工性能等。在这些性能中，提高Bs和降低Hc是高性能软磁材料最重要的因素。因此开发高Bs，低Hc的铁基非晶纳米晶合金成为各国研究的热点。美国通过使用铁基非晶纳米晶合金制作的变压器每年可节约近5×1010kW·h的空载损耗，节能产生的经济效益约为35亿美元。同时，减少电力损耗也就降低了发电的燃料消耗，从而减少了诸如CO2等温室气体的排放量。铁基非晶/纳米晶软磁合金已广泛用于工程领域，如电感器，开关磁芯，变压器和传感器等。
然而，与传统的硅钢铁芯材料相比，非晶态合金软磁材料仍然存在一些不足，最大的不足在于其饱和磁感应强度较低。传统的取向硅钢的Bs值可以达到2.0T，而典型的铁基非晶合金Fe78Si9B13的Bs值仅为1.5T左右。
此外，传统的铁基非晶纳米晶软磁合金含Co、Nb、Zr、Cu、Si等纯净贵重元素或含有不易熔炼的C和P元素，因此较高的原材料成本以及复杂的生产工艺限制了其大规模推广应用。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的问题，提供一种低成本、高软磁性能的铁基非晶软磁合金的制备方法。该合金用商用灰铸铁200代替现在商业生产中的主要原料纯Fe和纯Si，添加适量的B元素，以制备出连续的完全非晶薄带。本发明合金拥有优异的软磁性能，更适合大规模生产。
本发明的技术方案如下：
一种基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带，该合金薄带的成分为(HT200)aBb，元素组成成分的原子百分数为a＝94～98，b＝2～6，a+b＝100；其中，所述HT200为GB/T 9439-2010所表述的牌号，灰铁200，其化学成分的质量百分比为：C:3.0～3.6、S:≤0.12、P:<0.15、Mn:0.6～1.0、Si:1.4～2.0，其余为Fe；
所述的铁基非晶合金带材的厚度为15～40μm，宽度为1～5mm。
所述的基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，包括如下步骤：
(1)按所述的原子百分比称取HT200和单质B；
(2)抽真空，在保护气氛下将步骤(1)配好的原料在电弧熔炼炉加热到1200～1400℃熔炼5～30min，并重复熔炼5～8遍；
(3)将步骤(2)熔炼的合金锭破碎、洗涤、干燥后装入石英管，在保护气氛下，采用单辊甩带法，于1000～1400℃下喷射于铜辊，制得铁基非晶软磁合金薄带。
所述步骤(2)和(3)中所述抽真空至≤5×10-3Pa。
所述步骤(2)和(3)中所述保护气体为氩气或氮气。
所述步骤(3)中铜辊的表面线速度为20～60m/s。
本发明的有益效果：
本发明合金成分中由于市售灰铁200中已经含有非金属Si、P、C元素，这些元素与外加的B元素一起增强了合金成分之间的原子结合力，同时不同尺寸的非金属原子的加入有利于提高非晶微观结构中原子排列的致密性，易于在快淬过程中形成非晶态合金。在本发明中，B元素的主要作用是提高非晶形成能力，适当提高合金热稳定性和居里温度，B元素过低，难以发挥其提高非晶形成能的作用，而含量过高，则可能降低铁磁性元素的含量，从而降低合金的饱和磁感应强度。
在本发明中，Fe是磁性元素，高含量的Fe元素可以获得较高的磁感应强度，但是Fe含量过高，会导致非晶形成元素的降低，非晶形成能力下降，无法获得最佳的综合性能。
本发明方法有别于现有商用铁基非晶/纳米晶软磁合金中采用高纯原料，只采用商用灰铁200以及B元素，不含有贵重的纯净元素，以及不便实际生产的纯净C和P元素，有效降低了生产成本(每吨约节省成本1000元左右)和简化了生产工艺。在未进一步退火处理得到纳米晶情况下，最优成分的饱和磁感应强度Bs即可达到1.65T，高于市售批量生产的1.56T。矫顽力Hc最低可至7.41A/m。因此本发明合金拥有优异的软磁性能，更适合大规模生产，以取代硅钢片以及现有铁基非晶/纳米晶软磁材料，应用于电机、变压器、电抗器或互感器等领域。
附图说明
附图1为本发明实施例1，2，3，4，5，即(HT200)98B2；(HT200)97B3；(HT200)96B4；(HT200)95B5；(HT200)94B6非晶合金的XRD检测图。
具体实施方式
下面通过几组实施例和对比例来对本发明作进一步的说明，本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
本发明所述的铁基非晶/纳米晶软磁合金薄带，该合金薄带的元素组成的化学表达式为(HT200)aBb，其中元素组成成分的原子百分数为a＝94～98，b＝2～6，a+b＝100；所述HT200为GB/T 9439-2010所表述的牌号，灰铁200，其化学成分(质量百分比)为：C:3.0～3.6、S:≤0.12、P:<0.15、Mn:0.6～1.0、Si:1.4～2.0，其余为Fe。
根据本发明基于HT200的铁基非晶软磁合金的成分范围，我们制备了5组本发明实施例，即(HT200)98B2；(HT200)97B3；(HT200)96B4；(HT200)95B5；(HT200)94B6。
各实施例和对比例的制备工艺以及性能检测方法如下：
实施例1
(1)按(HT200)98B2成分配比称取纯度大于99.9％的晶体B以及市售HT200，即若配料10g，称取HT200合金9.9548g，B单质0.0452g；称取原料后将原料放入电弧熔炼炉；
(2)对电弧熔炼炉抽真空到5×10-3Pa后充入氩气，将步骤(1)配好的原料在电弧熔炼炉加热到1200～1400℃，使其熔化，反复熔炼5次，保证组分分布均匀，然后将熔炼好的母合金破碎，用蒸馏水、酒精清洗干净；
(3)将(2)中干燥后的样品装入石英管，并置于真空甩带炉中，对真空甩带炉真空抽至小于5×10-3Pa后充入氩气，炉体和储气罐之间压差为0.04MPa，用氩气将熔化的液体合金于1000℃下喷射到高速旋转的铜辊上，铜辊表面线速度为40m/s，从而制备成铁基非晶软磁合金薄带。
采用X射线衍射仪表征合金的非晶结构，采用阿基米德原理测试合金的密度，采用B-H回线仪测试非晶软磁合金的饱和磁感应强度Bs和矫顽力Hc，各实施例的Bs和Hc见表1。
实施例2
其他步骤同实施例1，不同之处为按(HT200)97B3成分配比称取纯度大于99.9％的晶体B以及市售HT200，即若配料10g，称取HT200合金9.9316g，B单质0.0684g。
实施例3
其他步骤同实施例1，不同之处为按(HT200)96B4成分配比称取纯度大于99.9％的晶体B以及市售HT200，即若配料10g，称取HT200合金9.9081g，B单质0.0919g。
实施例4
其他步骤同实施例1，不同之处为按(HT200)95B5成分配比称取纯度大于99.9％的晶体B以及市售HT200，即若配料10g，称取HT200合金9.8842g，B单质0.1158g。
实施例5
其他步骤同实施例1，不同之处为按(HT200)94B6成分配比称取纯度大于99.9％的晶体B以及市售HT200，即若配料10g，称取HT200合金9.8599g，B单质0.1401g。
表1本发明实施例的软磁性能数据。
实施例 成分 Bs(T) Hc(A/m)
1 (HT200)98B2 1.3 14.225
2 (HT200)97B3 1.65 13.47
3 (HT200)96B4 1.58 12.62
4 (HT200)95B5 1.50 11.61
5 (HT200)94B6 1.48 7.41
通过上面实施例并结合附图1可以看出，在HT200中添加纯净的晶体B可以制备出完全非晶结构的非晶薄带。此外，实施例2和实施例3饱和磁感应强度分别达到了1.65T和1.58T，高于经典的非晶合金Fe78Si9B13的Bs值1.51T。说明本发明权利要求的合金成分具有优良的软磁性能。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (5)

1.一种基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，其特征为该合金薄带的成分为（HT200）aBb，元素组成成分的原子百分数为a=94～98，b=2～6，a+b=100；其中，所述HT200为灰铁200；
所述的基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，包括如下步骤：
(1)按所述的原子百分比称取HT200和单质B；
(2)抽真空，在保护气氛下将步骤(1)配好的原料在电弧熔炼炉加热到1200～1400℃熔炼5～30min，并重复熔炼5～8遍；
(3)将步骤(2)熔炼的合金锭破碎、洗涤、干燥后装入石英管，在保护气氛下，采用单辊甩带法，于1000～1400℃下喷射于铜辊，制得铁基非晶软磁合金薄带。
2.如权利要求1所述的基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，其特征为所述步骤(2)和(3)中所述抽真空至≤5×10-3Pa。
3.如权利要求1所述的基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，其特征为所述步骤(2)和(3)中所述保护气体为氩气或氮气。
4.如权利要求1所述的基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，其特征为所述步骤(3)中铜辊的表面线速度为20～60m/s。
5.如权利要求1所述的基于HT200的铁基非晶软磁合金薄带的制备方法，其特征为所述的铁基非晶合金带材的厚度为15～40μm，宽度为1～5mm。
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