CN109321784A

CN109321784A - 含钐的软磁合金

Info

Publication number: CN109321784A
Application number: CN201810833652.1A
Authority: CN
Inventors: 黄坤祥; 殳国俊; 周方正
Original assignee: TAIYAO SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Suzhou Zhongyao Technology Co ltd; TAIWAN POWDER TECHNOLOGIES CO LTD; Yanlin Powder Technology Research Co.,Ltd.
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2019-02-12
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: TWI652356B; US10982305B2; JP2019049048A; JP6539937B2; DE102018118207A1; US20190048442A1; CN109321784B; TW201910533A

Abstract

本发明提供一种含钐的软磁合金，包括15wt％至55wt％的Co；少于2.5wt％的Sm；至少一种0.001wt％至10wt％的X；以及35wt％至75wt％的Fe，其中X选自由V、B、C、Cr、Mn、Mo、Nb、Ni、Ti、W、及Si所组成的群组，该Fe‑Co‑X‑Sm合金不仅具有高磁通密度(Bs)，也具有改善的机械性能。

Description

含钐的软磁合金

技术领域

本发明为涉及一种含钐(Sm)的软磁合金，特别是一种具有高磁通密度的含钐(Sm)的软磁合金。

背景技术

目前的软磁铁中，如美国专利US 1,739,752中所公开的，Fe-Co合金可能具有最高的磁通密度(Bs)。然而，由于在约730℃下存有α’相，使上述的Fe-Co二元合金非常脆。因此，在1920年代发明的Fe-Co软磁铁材料并不适用在板材、片材、棒材、管材及其他需要良好加工性能的产品的制作上。

在1930年代，研究人员发现钒(V)的添加不仅可有效抑制相至α’相的相转变，也可增加Fe-Co合金的电阻率，有助减少材料的涡电流损耗。上述的Fe-Co-V合金公开在美国专利US 1,862,559中，虽然钒(V)的添加具有上述效果，但钒(V)的添加也会降低磁通密度(Bs)。事实上，在Fe-Co合金中添加其他合金元素也会出现类似的不利影响，然而，因为添加钒(V)所导致的磁通密度降低并不明显，且与其他材料相比，Fe-Co-V合金的整体机械性能及可加工性大幅提升，故Fe-Co-V合金目前已被工业界广泛接受，用以制造需要高Bs、低涡电流损耗、良好机械性能、以及高加工性的软磁铁。在Bs、电阻率及机械性能之间表现出良好平衡的Fe-Co-V合金的组成包括：47wt％至52wt％的Co、约2wt％的V以及不可避免的不纯物，其余为Fe。

涉及传统前述的Fe-Co-V合金，已出现许多改良，以进一步改善上述合金的能量性能、拉伸强度、降伏强度、以及在室温下的伸长率。例如，美国专利公告号US 5,252,940中，Tanaka公开一种Fe-Co-(2.1wt％-5wt％)-V合金，可在极大波动的直流条件下经由增加电阻率及减少涡电流来改善能量效率。另Rawlings等人的美国专利US 4,933,026则教示含有0.1wt％至2wt％的Nb并具有良好延展性的Fe-Co-V合金；美国专利公告号US 7,776,259、US6,946,097、以及US 6,685,882则教示通过添加B、C、Mo、Nb、Ni、Ti、及W以提供高强度及高温抗潜变性能。

传统的Fe-Co-V软磁材料在工业中已被广泛使用。商规的实例为Hiperco 50HS合金，该合金包括48.75wt％的Co、1.90wt％的V、0.30wt％的Nb、0.05wt％的Si、0.05wt％的Mn、0.01wt％的C、其余为Fe；以及Hiperco 50A合金，该合金包含48.75wt％的Co、2.00wt％的V、0.05wt％的Si、0.05wt％的Mn、0.004wt％的C、其余为Fe，上述两种合金均来自Carpenter Technology Corporation。另有来自Vacuumschmelze Gmbh&Co.的Vacoflux 48合金，包括49wt％的Fe、49wt％的Co、以及2wt％的V；以及Vacodur 49合金，包括49wt％的Fe、49wt％的Co、2wt％的V及Nb。

添加如上所述的其他合金元素的Fe-Co-V可改善合金的电性和机械性能，然而，该些性能的改善往往建立在牺牲磁通密度(Bs)等磁性的基础上，对于Fe-Co-V合金的应用产生不利的限制。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决已知软磁合金需牺牲磁通密度(Bs)方能改善合金的电性和机械性能的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供一种铁钴软磁合金，其特征在于含有0.1wt％至2.5wt％的Sm且具有至少2.5T的Bs。该软磁合金具有良好机械性能的同时也具有良好的Bs。因此，本发明通过添加钐(Sm)以实现上述目的，且所提供的软磁合金的Bs甚至超过了目前已知的软磁材料的Bs值。

为达到上述目的，本发明还提供一种含钐软磁合金，包括：15wt％至55wt％的Co；少于2.5wt％的Sm；以及35wt％至75wt％的Fe。

本发明的另一目的，在于解决已知Fe-Co-V软磁合金，在添加其他能改善电性和机械性能的合金元素后，导致磁通密度(Bs)下降的问题。

为达到上述目的，本发明进一步提供一种含钐软磁合金，包括：15wt％至55wt％的Co；少于2.5wt％的Sm；0.001wt％至10wt％的V；以及35wt％至75wt％的Fe。

本发明的软磁合金具有较高的饱和磁通密度Bs并具有较高的电阻率，而不会如已知的Fe-Co-V合金产生Bs劣化的现象。

附图说明

图1为本发明的Fe-Co-V-Sm合金与Fe-Co-V合金在磁通密度Bs方面的比较实验结果。

图2为本发明一实施例中形成软磁合金的流程图。

具体实施方式

涉及本发明的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：

本发明提供一种软磁合金，特别是一种能够克服已知Fe-Co-V软磁合金种种限制的软磁合金。更具体地，本发明关于一种可以解决已知Fe-Co-V软磁合金在添加其他能改善电性和机械性能的合金元素后，导致磁通密度(Bs)下降的问题的软磁合金。

在本发明一实施例中，是将Sm加入该软磁合金中。相较于已知Fe-Co-V软磁合金，添加Sm之后的软磁合金不仅具有改善的磁通密度及电阻率，也具有良好的机械特性，故适用在诸如笔记型电脑的触控垫、高级耳机、电动汽车的高性能马达、以及先进发电机组等应用中。

在本发明一实施例中，该含钐的软磁合金含有0.1wt％至2.5wt％的Sm且具有至少约2.5T的磁通密度(Bs)。在另一实施例中，该含钐的软磁合金可更包含Co及Fe。如此一来，该含钐的软磁合金不仅具有良好的机械性能及电性，也具有良好的磁性，如，大于2.5T的磁通密度。

在另一实施例，该含钐的软磁合金可包含：15wt％至55wt％的Co；少于2.5wt％的Sm；35wt％至75wt％的Fe，且该合金中也包括不可避免的杂质。其中，该软磁合金可进一步包含至少一种0.001wt％至10wt％的X，其中X选自由V、B、C、Cr、Mn、Mo、Nb、Ni、Ti、W、及Si所组成的群组，且Sm介于0.1wt％至2.5wt％之间。

本发明又一实施例进一步提供一种含钐的软磁合金，包括：15wt％至55wt％的Co；少于2.5wt％的Sm；0.001wt％至10wt％的V；以及35wt％至75wt％的Fe。其中，该软磁合金可进一步包含至少一种0.001wt％至10wt％的X，其中X是选自由B、C、Cr、Mn、Mo、Nb、Ni、Ti、W、及Si所组成的群组。

以下所用以说明本发明的实施例的样品是利用电弧熔化法制备，但本发明并不限于此，也可以使用其他制造方式制备其他形态的合金，例如粉末冶金或感应熔炼，然后再进行轧制或锻造；或者根据本发明揭示的组成制造为粉末、薄膜、纳米晶粒或非晶材料等，本发明对于制造方法及合金的形式并没有特别的限制。

实施例

以下实施例使用低温超导量子干涉仪(superconducting quantum interferencedevice magnetometer-SQUID-VSM)进行磁化率的测量。电阻率则是使用四点探针法测量，标准的试样尺寸为4mm×1.5mm×0.3mm。

下表1a及表1b分别显示了本发明各实施例(S1～S8)及比较例(C1～C8)的重量百分比(wt％)及原子百分比(at％)。

表1a

表1b

实施例S1至S8为根据本发明所制得的样品，主要组成包括有Fe、Co、V、Sm，并包含其它如Mn、Mo、Nb及Si等元素，其中，Sm的含量少于2.5wt％，较佳为0.25wt％至2.0wt％。相较之下，比较例C1至C8除了不含Sm外，其余组成大致相同。以下将说明Sm对磁性及电阻率的影响。顺带一提的是，本领域具有通常知识者应理解，因为样品之间的微量变化，上表及本说明书所列的值可为近似值，譬如，Sm的量可为0.25wt％至2.0wt％，误差范围是±σ，其中的σ可以通过实验确定。在一非限制性实例中，σ可以等于0.1至0.5wt％，但并不仅限于此。

表1a可分为四组：第一组、第二组、第三组、及第四组。其中，第一组是Fe系，Fe含量大于50wt％，如S1、S2；第二组中，Fe及Co的含量都不超过50wt％，如S3、S4；第三组为Co系，Co含量大于50wt％，如S5、S6；第四组则是以前三组任一为基准，但另外添加其他元素，如Nb、Mo、Mn、或Si，以改善机械性能，譬如，实施例S7、S8。

比较例C1-C8除了不含Sm外，组成成分可各自约略地对应实施例S1-S8。其中，C1为Fe-Co合金，组成包括58.70wt％的Fe、41.30wt％的Co，C1的Fe/Co的原子比为60/40(或1.5)。C1的Bs和电阻率分别为2.50T(特斯拉)及0.15μΩ·m。材料的磁通密度对应于将穿过材料表面的磁场线的量。因此，磁通密度与通过一材料的特定表面的磁场大小及一表面的面积(以及该表面相对于法线的角度)有关。材料的电阻率代表所述材料允许电流流动的程度。材料的电阻可与材料的电阻率和材料长度与面积的比率等因素有关。

第一组比较

比较例C2是以C1为基础加入2wt％的V，组成包括57.53wt％的Fe、40.47wt％的Co以及2.00wt％的V，在C2中，Fe/Co的原子比(58.66/39.11)维持接近1.5。请参考图1，比较例C1与比较例C2相比，Bs从比较例C1的2.5T降至比较例C2的2.29T，电阻率由0.15μΩ·m增加至0.34μΩ·m。推测上述电阻率增加是因为溶解在合金中的元素变多而提高其电阻率，高电阻率具有减少涡电流损耗的优点。

比较例C3的组成包括57.82wt％的Fe、40.68wt％的Co以及1.5wt％的V；而实施例S1是以比较例C3为基础并加入0.25wt％的Sm，实施例S1的组成包括57.67wt％的Fe、40.58wt％的Co、1.50wt％的V以及0.25wt％的Sm。由图1结果可发现，在加入0.25wt％的Sm后，Bs由比较例C3的2.28T增加到实施例S1的2.90T。电阻率也从比较例C3的0.33μΩ·m增加到实施例S1的0.38μΩ·m。综上可知实施例S1的Bs的增加归因于Sm的添加。

接下来针对比较例C4以及实施例S2进行比较。其中，比较例C4的组成包括58.41wt％的Fe、41.09wt％的Co以及0.50wt％的V；而实施例S2是以比较例C4为基础并加入0.75wt％的Sm，实施例S2具有57.97wt％的Fe、40.78wt％的Co、0.50wt％的V以及0.75wt％的Sm。图1显示，比较例C4的Bs为2.28T，而实施例S2的Bs增加至2.86T；至于电阻率则由比较例C4的0.24μΩ·m增加到实施例S2的0.31μΩ·m。

上述比较例C3、C4及实施例S1、S2均为第一组的Fe系Fe-Co-V材料，并具有1.5的Fe/Co原子比。实施例S1及S2的高饱和磁通密度和高电阻率的结果证明了在Fe-Co-V合金中添加少量Sm的有利效果。

第二组比较

接下来，针对第二组，即Fe和Co都不超过50wt％的比较例及实施例进行比较。

比较例C5的组成包括49.64wt％的Fe、48.36wt％的Co以及2.00wt％的V，其中Fe/Co的原子比(50.83/46.92)为1.083＝52/48。该材料类似Vacoflux 48合金，因为具有良好的磁性及机械性能，而为工业上广泛使用。

实施例S3是以比较例C5为基础添加1wt％的Sm，实施例S3的成分包括49.14wt％的Fe、47.86wt％的Co、2.00wt％的V以及1.00wt％的Sm；实施例S4则是以比较例C5为基础添加1.60wt％的Sm，实施例S4的成分包括48.83wt％的Fe、47.57wt％的Co、2.00wt％的V以及1.60wt％的Sm。

如图1所示，比较例C5的Bs和电阻率分别为2.47T及0.39μΩ。相比之下，实施例S3及S4的Bs值分别增加到2.89T及2.74T，电阻率分别增加到0.52μΩ·m及0.61μΩ·m。实施例S3及S4的Bs及电阻率均高于比较例C5。

然而，增加越多的Sm不必然持续增加磁通密度。当在比较例C5中添加2.5wt％Sm时，Bs值为2.48T，与C5相近，当在比较例C5中添加3.0wt％Sm时，Bs值降低至2.05T，显见Sm的添加量需在适当的范围内方可获得本发明所述的优点。

值得注意的是，实施例S1至S4的Bs值超过2.5T，这已是目前已知Fe-Co、Fe-Co-V合金及其它已知软磁材料的最高数值，比较例C5和实施例S3及S4之间的比较显示加入Sm对Fe-Co-V合金的Bs值提升具有正面影响。

第三组比较

接下来针对第三组，即Co含量大于50wt％的比较例及实施例进行比较。

比较例C6的组成包括45.26wt％的Fe、51.74wt％的Co及3.00wt％的V，Bs为2.32T。实施例S5及S6以比较例C6为基础分别添加1wt％的Sm及2wt％的Sm。

图1显示当加入Sm后，实施例S5及S6的Bs值分别增加至2.58T及2.35T。然而，当3wt％的Sm被添加到比较例C6时，Bs反而会降低到2.14T，显示在Fe-Co-V合金中加入适量的Sm可以提高Bs。

第四组比较

最后，针对第四组的比较例及实施例进行比较。

为了改善Fe-Co-V合金的机械性能(譬如，脆性)，已知技术中会在Fe-Co-V合金中添加少量如Al、C、Cr、Mn、Mo、Nb、Si、Ta、Ti、及/或W等元素。

比较例C7的组成包括48.83wt％的Fe、47.57wt％的Co、2.00wt％的V、0.8wt％的Nb、以及0.8wt％的Mo。比较例C7的Fe/Co原子比设计为接近52/48(或1.083)。实施例S7以比较例C7为基础并加入1.5wt％的Sm，组成包括48.07wt％的Fe、46.83wt％的Co、1.5wt％的Sm、2.00wt％的V、0.8wt％的Nb、以及0.8wt％的Mo，Bs由比较例C7的2.36T增加至实施例S7的2.57T，如图1所示。

比较例C8组成包括49.39wt％的Fe、48.11wt％的Co、1.8wt％的V、0.3wt％的Nb、0.3wt％的Mo、0.05wt％的Mn、以及0.05wt％的Si，比较例C8的Fe/Co原子比设计为接近52/48(或1.083)。实施例S8以比较例C8为基础并加入1.3wt％的Sm，组成包括48.07wt％的Fe、46.83wt％的Co、1.3wt％的Sm、1.8wt％的V、0.3wt％的Nb、0.3wt％的Mo、0.05wt％的Mn、以及0.05wt％的Si，Bs值由比较例C8的2.49增加到实施例S8的2.79T。

一般情况下，当在已知Fe-Co-V合金中添加包括B、C、Cr、Mn、Mo、Nb、Ni、Ti、W、及Si在内的元素来提高可加工性时，Bs通常会减少。具体商规合金的实例来自CarpenterTechnology Corporation的Hiperco系列以及来自Vacuumschmelze Gmbh&Co.的Vacoflux及Vacodur系列。然而，本发明发现将Sm加入Fe-Co-V合金中即可避免该Fe-Co-V合金因上述其它元素的添加所产生Bs降低的问题，且更发现当Sm添加量小于2.5wt％，更具体地，在0.25wt％至2.0wt％之间的情况下有最佳的效果。与已知无添加Sm的Fe-Co-V合金相比，实施例S1至S8的饱和磁通密度和电阻率都高于无添加Sm的Fe-Co-V合金的比较例，证明了添加Sm所能带来的优点。

根据本发明的含Sm的Fe-Co-V合金适用于高性能变压器、发动机的先进发电机组、笔记型电脑的手滑垫、高级电磁阀等。由于发明合金的磁性质佳，在相同磁性规格下，使用本发明合金可减少重量的优点，对于航天用及电动车的发动机、电磁阀、马达等相关应用尤其重要。

图2为本发明一实施例中形成软磁合金的流程图，上述的流程200可由步骤202开始。在步骤202中获得一第一含量的Co，举例来说，可获得一定量的Co使得一合金包含有15wt％至55wt％的Co；步骤204可获得一第二含量的Sm，举例来说，可获得一定量的Sm，使该合金包含0.1wt％至2.5wt％的Sm。在步骤206中获得一第三含量的Fe，举例来说，可以获得一定量的Fe，使该合金可包含35wt％至75wt％的Fe。在步骤208获得一第四含量的至少一个元素X，举例来说，可获得至少一种元素X，使该合金可包含0.001wt％至10wt％的X。在一些实施方案中，元素X可为一选自由包括V、B、C、Cr、Mn、Mo、Nb、Ni、Ti、W及Si所组成的群组。在步骤210形成一包括Co、Sm、Fe及X的软磁合金。在一实施例中，可使用电弧熔合以形成该软磁合金；在另一实施例中，可以经由粉末冶金和感应熔炼后进行轧制或锻造而形成该软磁合金。

以上已将本发明做一详细说明，以上所描述的，仅为本发明的一较佳实施例而已，但不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明申请范围所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围内。

Claims

1.一种含钐软磁合金，其技术特征在于包括：

15wt％至55wt％的钴(Co)；

少于2.5wt％的钐(Sm)；以及

35wt％至75wt％的铁(Fe)。

2.如权利要求1所述的含钐软磁合金，其技术特征在于还包括至少一种0.001wt％至10wt％的X，其中X选自由钒(V)、硼(B)、碳(C)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、铌(Nb)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)、及硅(Si)所组成的群组。

3.如权利要求2所述的含钐软磁合金，其技术特征在于还包括至少一选自由0.001wt％至10wt％的钒(V)、0.001wt％至0.1wt％的碳(C)、0.001wt％至0.1wt％的硼(B)、0.05wt％至10.0wt％的铬(Cr)、0.02wt％至1.0wt％的锰(Mn)、0.2wt％至2wt％的钼(Mo)、0.5wt％至2wt％的铌(Nb)、0.05wt％至2wt％的镍(Ni)、0.05wt％至1wt％的钛(Ti)、0.05wt％至1wt％的钨(W)、及0.02wt％至1.0wt％的硅(Si)所组成的群组。

4.如权利要求1所述的含钐软磁合金，其技术特征在于钐(Sm)的含量介于0.1wt％至2.5wt％。

5.如权利要求4所述的含钐软磁合金，其技术特征在于钐(Sm)的含量介于0.25wt％至2.0wt％。

6.如权利要求1所述的含钐软磁合金，其技术特征在于该软磁合金具有一至少2.5特斯拉(T)的磁通密度(Bs)。

7.一种含钐软磁合金，其技术特征在于包括：

15wt％至55wt％的钴(Co)；

少于2.5wt％的钐(Sm)；

0.001wt％至10wt％的钒(V)；以及

35wt％至70wt％的铁(Fe)。

8.如权利要求7所述的含钐软磁合金，其技术特征在于还包括至少一元素X，该元素X至少一选自由0.001wt％至0.1wt％的碳(C)、0.001wt％至0.1wt％的硼(B)、0.05wt％至10.0wt％的铬(Cr)、0.02wt％至1.0wt％的锰(Mn)、0.2wt％至2wt％的钼(Mo)、0.5wt％至2wt％的铌(Nb)、0.05wt％至2wt％的镍(Ni)、0.05wt％至1wt％的钛(Ti)、0.05wt％至1wt％的钨(W)、及0.02wt％至1.0wt％的硅(Si)所组成的群组。

9.如权利要求7所述的含钐软磁合金，其技术特征在于钐(Sm)的含量介于0.1wt％至2.5wt％。

10.如权利要求9所述的含钐软磁合金，其技术特征在于钐(Sm)的含量介于0.25wt％至2.0wt％。

11.如权利要求7所述的含钐软磁合金，其技术特征在于该软磁合金具有一至少2.5特斯拉(T)的磁通密度(Bs)。

12.一种铁钴软磁合金，其技术特征在于包括：

0.1wt％至2.5wt％的钐(Sm)；以及

一具有至少2.5特斯拉(T)的磁通密度(Bs)。

13.如权利要求12所述的铁钴软磁合金，其技术特征在于还包括15wt％至55wt％的钴(Co)以及35wt％至75wt％的铁(Fe)。

14.如权利要求12所述的铁钴软磁合金，其技术特征在于还包括至少一种0.001wt％至10wt％的元素X，且X至少一选自由钒(V)、硼(B)、碳(C)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、铌(Nb)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)、及硅(Si)所组成的群组。

15.如权利要求12所述的铁钴软磁合金，其技术特征在于钐(Sm)的含量介于0.25wt％至2.0wt％。