CN108648892A - 一种少组元低成本高饱和磁感应强度的FeBC软磁非晶合金及其制备工艺 - Google Patents

一种少组元低成本高饱和磁感应强度的FeBC软磁非晶合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种少组元低成本高饱和磁感应强度的FeBC软磁非晶合金及其制备工艺。本发明FeBC软磁非晶合金中各元素的原子百分比如下：6％≤硼≤13％，5％≤碳≤12％，80％≤铁≤86％。本发明生产成本低、工艺简单；制备的软磁非晶合金具有饱和磁化强度高、矫顽力低的特点，适合用于变压器铁芯、非晶电机等器件，应用于电力、电子、信息、通讯等领域。

Description

一种少组元低成本高饱和磁感应强度的FeBC软磁非晶合金及 其制备工艺
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别是涉及了一种少组元、低成本、高饱和磁感应强度的FeBC软磁非晶合金及其制备工艺。
背景技术
Fe-X(X为类金属B、Si、P、C等)非晶合金，是综合性能较为优异的软磁材料，广泛应用于输配电、电子信息、新能源汽车等行业，满足我国节能减排的重大需求。但目前生产的FeSiB非晶的饱和磁感应强度较低，其应用受到局限。通过合适的成分设计，目前在FeBSiP和Fe83(BSiPC)17均获得了优异的软磁性能，但这些优异的软磁性能是使用高纯Fe-P中间合金获得的，成本太高，不利于工业应用。
增加Fe含量是提高饱和磁感应强度的有效手段，但近年来研究结果表明，类金属对铁基非晶合金的饱和磁感应强度也有较大影响。本发明的发明人之前的专利文件CN105825991A公开了一种少组元低成本高饱和磁感应强度的铁基软磁非晶合金及其制备工艺，所述的合金中各元素的原子百分比如下：5％≤硼≤12％，3％≤磷≤10％，0.5％≤锡≤5％，80％≤铁≤84.5％。该合金主要是添加硼、磷、锡元素。然而Sn的添加虽然在一定程度上能改善软磁性能，但是它也具有一定的负面作用，比如使带材易碎，限制其应用场合；而且添加的元素也较多，不利于降低成本，简化工艺。
小原子半径的元素(如B、C等)有利于饱和磁感应强度的提高，同时B、C的原子半径远小于Fe，与铁基软磁非晶中的组元可形成较大的错配熵，有利于提高非晶形成能力。目前公布的专利文件及发表的文章中，如中国专利文件CN1124362C、CN101935812A、CN103882347A、CN101705443A，上述专利文件中的合金材料，大多含有碳，但并未给出碳的添加方式。由于碳熔点高、密度低等特点，直接熔炼不易加入，含量不易控制。专利CN104946962A给出了合金中碳源的添加工艺，但需先将铁源和碳源通过电弧炉熔融1-3小时，制备工艺复杂，不利于成本的控制。
此外，中国专利文件CN102965597A一种高耐蚀性铁基软磁非晶合金及其制备方法，该铁基软磁非晶合金的分子式为FeaCrbNicModPeCfBgSih，式中a、b、c、d、e、f、g、h表示各对应原子的摩尔百分含量，60≤a≤80，0.5≤b≤4，2≤c≤12，2.5≤d≤4.5，8.5≤e≤11.5，2.5≤f≤5.5，3≤g≤6，1≤h≤4，且满足a+b+c+d+e+f+g+h＝100。该铁基软磁非晶合金主要解决耐腐蚀问题，尽管也添加了碳元素，但是组元数量仍然较多，不利于成分的控制。
因此，寻找组元数量少，熔炼工艺简单，同时具有较高的饱和磁感应强度，较低的矫顽力的软磁非晶合金，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种少组元、成本低、饱和磁化强度高的FeBC软磁非晶合金及其制备工艺。
本发明的技术方案如下：
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：6％≤硼≤13％，5％≤碳≤12％，80％≤铁≤86％。
根据本发明，优选的，所述的合金中各元素的原子百分比如下：8％≤硼≤12％，5％≤碳≤10％，80％≤铁≤84％。
根据本发明，优选的，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼9％，碳9％，铁82％。
根据本发明，上述FeBC软磁非晶合金的制备工艺，包括以下步骤：
(1)按原子百分比Fe80％-86％、B6％-13％、C5％-12％，称取纯铁、工业级铁硼中间合金、工业级铁碳中间合金，得混合料；
(2)在高纯氩气保护气氛中将步骤(1)配好的混合料熔炼均匀，得母合金锭；将母合金锭表面磨光、破碎，备用；
(3)将破碎的母合金锭熔化，制得固定形状或粉末状的FeBC非晶合金材料。
根据本发明制备工艺，优选的，步骤(2)中熔炼过程在真空过程中进行，进一步优选的，真空度为(2-3)×10-3Pa。
根据本发明制备工艺，优选的，步骤(2)中熔炼后自然冷却或浇注入模具中获得母合金锭。
根据本发明制备工艺，优选的，步骤(3)中在氩气气氛下将母合金锭熔化，熔化温度为1400-1550℃；母合金锭熔化后制得带材、棒材、块体或粉末的FeBC非晶合金材料。可采用单辊甩带法、铸造法或雾化法，按现有技术即可。
本发明的有益效果：
本发明通过合理的成分配比和工艺，制得少组元、低成本、高饱和磁感应强度的FeBC软磁非晶材料。B、C的原子半径远小于Fe，与铁基软磁非晶中的组元可形成较大的错配熵，有利于提高非晶形成能力。因此在提高Fe含量的前提下，也可维持非晶形成能力，获得较好的饱和磁感应强度和较低的矫顽力。获得的非晶条带退火后矫顽力低至4A/m，在Fe含量为82％左右时饱和磁感应强度可达1.7T以上，说明小原子半径的B、C元素确实有利于饱和磁感应强度的提高。组元少，可简化熔炼工艺，降低设备要求，更重要的是便于控制熔炼过程中的杂质，不需添加净化剂即可获得良好的韧性和软磁性能，保证条带质量，易于实现工业化。可用于制备非晶变压器铁心、非晶电机等器件，应用于电力、电子、信息、通讯等领域。
附图说明
图1为本发明对比例1-3得到的产品的XRD曲线图。
图2为本发明实施例1-9和对比例4、5得到的产品的XRD曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼8％，碳9％，铁83％。
制备步骤如下：
(1)原材料为纯铁(99.9％)、工业级铁碳合金(碳质量百分比为4.2％)、工业级铁硼中间合金(B质量百分比为18.9％)；
用天平按Fe83％、B8％、C9％的原子百分比称取原料，分别为Fe：5.59g，Fe-C中间合金：7.99g，Fe-B中间合金：1.42g；
(2)将原料放入真空感应熔炼炉中的玻璃管，用机械泵和分子泵抽真空至2×10- 3Pa，充入高纯氩气进行电弧熔炼；熔炼取出后敲碎，检查是否还有未熔原料，如有未熔料进行第二次熔炼；
(3)取出锭料，用锉刀或砂纸将锭料表面清理干净，然后做成块料以备熔体甩带用；
(4)将小块锭料放入底端有1mm小孔的石英管中进行甩带，甩带过程中采用高频重熔甩带设备，熔体的喷射压力为0.5MPa，熔体的喷射温度为1200℃，220mm直径铜轮转速为3000转/分，甩带过程在氩气保护下进行。
按上述工艺得到的Fe83B8C9非晶薄带。
实施例2
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼8％，碳8％，铁84％。
制备步骤如下：
(1)原材料为纯铁(99.9％)、工业级铁碳中间合金(碳质量百分比为4.16％)、工业级铁硼中间合金(B质量百分比为18.87％)；
用天平按Fe82％、B9％、C9％的原子百分比称取原料，分别为Fe：6.45g，Fe-C中间合金：7.12g，Fe-B中间合金：1.42g；
(2)将原料放入真空感应熔炼炉中的玻璃管，用机械泵和分子泵抽真空至2×10- 3Pa，充入高纯氩气进行电弧熔炼；熔炼取出后敲碎，检查是否还有未熔原料，如有未熔料进行第二次熔炼；
(3)取出锭料，用锉刀或砂纸将锭料表面清理干净，然后做成块料以备熔体甩带用；
(4)将小块锭料放入底端有1mm小孔的石英管中进行甩带，甩带过程中采用高频重熔甩带设备，熔体的喷射压力为0.5MPa，熔体的喷射温度为1250℃，220mm直径铜轮转速为3200转/分，甩带过程在氩气保护下进行。
按上述工艺得到的Fe84B8C8非晶薄带。
实施例3
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼9％，碳8％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83B9C8非晶薄带。
实施例4
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼9％，碳9％，铁82％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe82B9C9非晶薄带。
实施例5
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼10％，碳8％，铁82％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe82B10C8非晶薄带。
实施例6
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼12％，碳5％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83B12C5非晶薄带。
实施例7
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼10％，碳7％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83B10C7非晶薄带。
实施例8
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼8％，碳10％，铁82％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe82B8C10非晶薄带。
实施例9
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼10％，碳9％，铁81％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe81B10C9非晶薄带。
对比例1
如实施例1所述，不同的是：
合金中各元素的原子百分比如下：硼11％，磷5％，碳1％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83P5B11C1薄带，为不完全非晶薄带。
对比例2
如实施例1所述，不同的是：
合金中各元素的原子百分比如下：硼10％，磷5％，碳2％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83P5B10C2薄带，为不完全非晶薄带。
对比例3
如实施例1所述，不同的是：
合金中各元素的原子百分比如下：硼9％，磷5％，碳3％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83P5B9C3薄带，为不完全非晶薄带。
对比例4
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼13％，C4％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83B13C4不完全非晶薄带。
对比例5
一种FeBC软磁非晶合金，由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼4％，C13％，铁83％。
制备步骤同实施例1，得到的Fe83B4C13，得不到非晶薄带。
试验例1
对比例1-3得到的产品的XRD曲线图，结果如图1所示。由图1可知，四组元的非晶形成能力未必强于三组元，C元素对非晶形成能力的贡献较大。
试验例2
测试实施例1-9和对比例4、5得到的产品的XRD曲线图，结果如图2所示。由图2可知，该三元合金体系可在Fe含量达84at.％时仍能获得完全非晶条带。
测试实施例1-9和对比例4、5得到的产品的磁性能，所有软磁性能测试均在初始晶化温度减100K退火15分钟的条件下测得，其中饱和磁感应强度通过振动样品磁强计VSM测得，矫顽力通过直流B-H仪测得；结果如表1所示。
表1
由表1可知，所获得非晶条带在维持较低矫顽力的基础上获得了较高的饱和磁感应强度；当C含量小于5at.％或大于12at.％时，如Fe83B4C13和Fe83B13C4均难以获得完全非晶，所获得的非晶条带矫顽力也非常高，条带较脆。本发明的FeBC韧性较好。

Claims (8)

1.一种FeBC软磁非晶合金，其特征在于，该软磁非晶合金由铁、硼和碳元素组成，所述的合金中各元素的原子百分比如下：6％≤硼≤13％，5％≤碳≤12％，80％≤铁≤86％。
2.根据权利要求1所述的FeBC软磁非晶合金，其特征在于，所述的合金中各元素的原子百分比如下：8％≤硼≤12％，5％≤碳≤10％，80％≤铁≤84％。
3.根据权利要求1所述的FeBC软磁非晶合金，其特征在于，所述的合金中各元素的原子百分比如下：硼9％，碳9％，铁82％。
4.权利要求1-3任一项所述的FeBC软磁非晶合金的制备工艺，包括以下步骤：
(1)按原子百分比Fe80％-86％、B6％-13％、C5％-12％，称取纯铁、工业级铁硼中间合金、工业级铁碳中间合金，得混合料；
(2)在高纯氩气保护气氛中将步骤(1)配好的混合料熔炼均匀，得母合金锭；将母合金锭表面磨光、破碎，备用；
(3)将破碎的母合金锭熔化，制得固定形状或粉末状的FeBC非晶合金材料。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中熔炼过程在真空过程中进行。
6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中真空过程的真空度为(2-3)×10-3Pa。
7.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中熔炼后自然冷却或浇注入模具中获得母合金锭。
8.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中在氩气气氛下将母合金锭熔化，熔化温度为1400-1550℃。
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