CN109468540A - 一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法 - Google Patents

一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法，属于合金制备技术领域，铁基纳米晶软磁合金的分子式为FeaCobSicBdPeCufMg，M为Nb；其中，a、b、c、d、e、f和g原子百分比，72≤a≤84，2≤b≤12，3≤c≤5，7≤d≤9.5，1≤e≤2，0.5≤f≤1，0≤g≤1，且a+b+c+d+e+f+g＝100。本发明软磁合金具有高饱和磁感应强度和低矫顽力等优良的软磁性能；合金薄带具有较宽的单相纳米晶晶化热处理温度区间，同时该合金成分具有良好的非晶形成能力，保证了生产的稳定性。

Description

一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，尤其涉及一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法。
背景技术
自20世纪70年代铁基非晶纳米晶软磁合金材料研究成功以来，其优越的软磁性能受到众多研究者的青睐，铁基非晶/纳米晶软磁合金具有优良的软磁性能，如：高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率、低损耗和高且稳定的居里转变温度。数十年来，铁基非晶纳米晶软磁合金已成为材料和凝聚态物理领域内的研究热点。此外，铁基非晶纳米晶软磁合金的制备工艺简单、成本低廉，其被广泛地应用在变压器、电感器、传感器等领域。
纳米晶软磁合金主要有三个体系：Fe-Si-B-Cu-M系FINEMET合金(M为Nb、 Mo、W或Ta等)、Fe-B-M-(Cu)系NANOPERM合金(M为Zr、Hf或Nb等)以及(Fe，Co)-M-B-Cu系HITPERM合金(M为Zr、Hf或Nb等)。FINEMET合金因高磁导率、低损耗等特点，其在工业生产中得到广泛应用；但是其饱和磁化强度较低，如综合磁性能最好的Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1饱和磁化强度也仅为1.24T，很大程度上限制了其使用范围。NANOPERM合金与HITPERM合金虽然提高了材料的饱和磁感应强度，但由于其易被氧化、加工性较差且具有较大的矫顽力，因此很难得到大范围的应用推广。上述三种纳米晶软磁合金共同具有缺点是：合金体系中均含有高比例的贵金属元素如Nb、Zr、Hf等，这增加了生产成本高。那么为了适应轻量化、小型化的发展要求，势必要设计出新型的具有高饱和磁感应强度、低成本和低矫顽力的软磁合金，以便更好地适应生产应用。
中国专利发明CN102304669A公开了高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金，Fe82.7B10C6Cu1.3的饱和磁感应强度合金为1.83T，矫顽力为15.5A/m； Fe83B10C6Si1Cu1的饱和磁感应强度为1.78T，矫顽力为4.5A/m；不能同时保证高饱和磁感应强度与低矫顽力。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种铁基纳米软磁合金及其制备方法，制备出的软磁合金具有高饱和磁感应强度和低矫顽力的性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种铁基纳米晶软磁合金，所述铁基非晶纳米晶软磁合金的分子式为FeaCobSicBdPeCufMg，所述M为Nb；其中，a、b、c、d、e、f和g原子百分比，72≤a≤84，2≤b≤12，3≤c≤5，7≤d≤9.5， 1≤e≤2，0.5≤f≤1，0≤g≤1，且a+b+c+d+e+f+g＝100。
作为上述技术方案的改进，74≤a≤82，3≤b≤11，c＝4，d＝8，1.5≤e≤2，f＝1， 0≤g≤0.5。
作为上述技术方案的进一步改进，当g＝0时，所述铁基纳米晶软磁合金的分子式为Fe74Co11Si4B8P2Cu1、Fe76Co9Si4B8P2Cu1、Fe78Co7Si4B8P2Cu1、 Fe80Co5Si4B8P2Cu1、Fe82Co3Si4B8P2Cu1、Fe79Co6Si4.5B8P1.5Cu1或Fe79Co6Si4B8.5P1.5 Cu1。
作为上述技术方案的进一步改进，当g＝0.5时，所述软磁合金的分子式为Fe79Co6Si4B8P1.5Cu1Nb0.5。
另外，本发明还提供所述的铁基纳米晶软磁合金的制备方法，其包括以下步骤：
S1)按铁基纳米晶软磁合金中的原子比准备原料，并将原料装入真空熔炼炉制备成母合金锭；
S2)将所述母合金锭破碎后放入丙酮或无水乙醇溶液中，超声波中清洗，晾干待用；
S3)采用单辊急冷甩带法将干燥的母合金锭制备成合金薄带，所述合金薄带为非晶态；
S4)将所述合金薄带放入热处理炉中，在真空或氮气气体下进行退火热处理，冷却后即得到铁基纳米晶软磁合金。
作为上述技术方案的改进，在步骤S1)中，原料至少要反复熔炼4次，以保证合金成分均匀。
作为上述技术方案的改进，在步骤S3)中，铜辊的转速控制为45～55m/s，制得合金薄带的厚度为25～30μm。
作为上述技术方案的改进，在步骤S4)中，退火热处理方式为：以10～20℃ /min的升温速率将温度升高至500～540℃，保温8～15min，冷却的方式为：随熔炼炉冷却至200℃后空冷。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法，本发明软磁合金具有以下优点：
1)该软磁合金具有高饱和磁感应强度、低矫顽力等优良的软磁性能；
2)贵金属Nb含量至多1at％，Cu含量≤1at％，P含量≤2at％，这降低了易挥发性元素P的含量和杂质元素的引入，大大的降低了生产成本，同时优化了合金熔炼；
3)制备得到合金薄带具有较宽的单相纳米晶晶化热处理温度区间，Co元素的添加提高了合金成分的非晶形成能力，保证了生产的稳定性；
4)软磁合金的饱和磁感应强度保持在195emu/g以上，最高达到217emu/g；矫顽力在10A/m以下，最低可达1.9A/m。
附图说明
图1显示本发明软磁合金的制备过程；
图2为本发明实施例1～5制备的合金薄带的非晶态XRD图谱；
图3为本发明实施例6～8制备的合金薄带的非晶态XRD图谱；
图4为本发明实施例9～12制备的合金薄带的非晶态XRD图谱；
图5为本发明实施例1～12制备的软磁合金的纳米晶态XRD图谱。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明铁基纳米晶软磁合金的制备方法包括以下步骤：
S1)按铁基纳米晶软磁合金中的原子比准备原料，并将原料装入真空熔炼炉制备成母合金锭；
S2)将母合金锭破碎后放入丙酮或无水乙醇溶液中，超声波中清洗，晾干待用；
S3)采用单辊急冷甩带法将干燥的母合金锭制备成合金薄带，合金薄带为非晶态；
S4)将合金薄带放入热处理炉中，在真空或氮气下进行退火热处理，冷却后即得到铁基纳米晶软磁合金。
如图1所示，通过XRD测试来鉴定合金薄带是否是非晶薄带，若不是，则重新制备合金薄带；对非晶态的合金薄带进行热分析，确定二级晶化起始温度 Tx2、一次晶化起始温度Tx1以及两温度的差值ΔT(Tx2-Tx1)，以初步制定退火热处理的最优工艺参数；另外，对软磁合金进行VSM测试和DC直流测试，以确定饱和磁感应强度Ms、矫顽力Hc。
实施例1
本实施例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其分子式为Fe74Co11Si4B8P2Cu1，铁基非晶纳米晶软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴。
本实施例软磁合金的制备方法包括以下步骤：
S1)按铁基纳米晶软磁合金中的原子比准备原料，并将原料装入真空熔炼炉至少要熔炼4次，即得母合金锭；
S2)将母合金锭破碎后放入丙酮溶液中，超声波中清洗，晾干待用；
S3)采用单辊急冷甩带法将干燥的母合金锭制备成合金薄带，铜辊的转速控制45～55m/s，制得合金薄带的厚度为25～30μm；
S4)将合金薄带放入热处理炉中，在真空或氮气下进行退火热处理，随熔炼炉冷却至200℃后空冷，即制备铁基纳米晶软磁合金；退火热处理方式为：以 10～20℃/min的升温速率将温度升高至500～540℃，保温8～15min。
实施例2
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe76Co9Si4B8P2Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例3
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe78Co7Si4B8P2Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例4
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe80Co5Si4B8P2Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例5
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe82Co3Si4B8P2Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例6
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe79Co6Si4.5B8P1.5 Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例7
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe79Co6Si4B8P1.5
Cu1Nb0.5，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁、钴和铌；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例8
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe79Co6Si4B8.5
P1.5Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例9
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe72Co12Si5B9.5P1 Cu0.5，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例10
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe84Co2Si3B8P2Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例11
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe84Co2Si4B7P2 Cu1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁和钴；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实施例12
本实施例提供一种铁基纳米晶的软磁合金，其分子式为Fe84Co2Si3B8P1 Cu1Nb1，软磁合金的原料为硅、硼铁、磷铁、铜、铁、钴和铌；本实施例软磁合金的制备方法可参考实施例1。
实验测试
1)将实施例1～5制备的软磁合金进行XRD测试(X射线衍射)，获得样品结构如图2所示；将实施例6～8制备的软磁合金进行XRD测试，获得样品结构如图3所示，将实施例9～12制备的软磁合金进行XRD测试，获得样品结构如图4所示。如图2～4所示，本发明实施例1～12制备软磁合金薄带均为非晶结构。
2)对实施例1～5制备的软磁合金进行VSM(振动样品磁强计)测试、DC 直流电测试和差示扫描量热法测试，测试结果如表1所示；对实施例6～8制备的软磁合金进行VSM(振动样品磁强计)测试、DC直流电测试和差示扫描量热法测试，测试结果如表2所示；其中，饱和磁感应强度Ms与矫顽力Hc均在最佳热处理温度520℃等温热处理12min后测得。
表1
表2
表3
如表1～3所示，本发明实施例1～12制备的软磁合金具有高饱和磁感应强度 (198～217emu/g，相当于1.90～2.0T)和低矫顽力(1.9～5.4A/m)等优良的软磁性能；二级晶化起始温度与一次晶化起始温度的差值ΔT较大(130～163℃)，使制备得到合金带材具有较宽的退火热处理温度区间，同时合金成分具有较强的的非晶形成能力，保证了生产的稳定性。
另外，对实施例1～12制备的软磁合金进行XRD测试，发现本发明制备的软磁合金为纳米晶结构。
最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述铁基纳米晶软磁合金的分子式为FeaCobSicBdPeCufMg，所述M为Nb；其中，a、b、c、d、e、f和g原子百分比，72≤a≤84，2≤b≤12，3≤c≤5，7≤d≤9.5，1≤e≤2，0.5≤f≤1，0≤g≤1，且a+b+c+d+e+f+g＝100。
2.如权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，74≤a≤82，3≤b≤11，4≤c≤4.5，8≤d≤8.5，1.5≤e≤2，f＝1，0≤g≤0.5。
3.如权利要求2所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，当g＝0时，所述铁基纳米晶软磁合金的分子式为Fe74Co11Si4B8P2Cu1、Fe76Co9Si4B8P2Cu1、Fe78Co7Si4B8P2Cu1、Fe80Co5Si4B8P2Cu1、Fe82Co3Si4B8P2Cu1、Fe79Co6Si4.5B8P1.5Cu1或Fe79Co6Si4B8.5P1.5Cu1。
4.如权利要求2所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，当g＝0.5时，所述铁基纳米晶软磁合金的分子式为Fe79Co6Si4B8P1.5Cu1Nb0.5。
5.如权利要求1～4任一项所述的铁基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)按铁基纳米晶软磁合金中的原子比准备原料，并将原料装入真空熔炼炉制备成母合金锭；
S2)将所述母合金锭破碎后放入丙酮或无水乙醇溶液中，超声波中清洗，晾干待用；
S3)采用单辊急冷甩带法将干燥的母合金锭制备成合金薄带，所述合金薄带为非晶态；
S4)将所述合金薄带放入热处理炉中，在真空或氮气下进行退火热处理，冷却后即得到铁基纳米晶软磁合金。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1)中，原料至少要重复熔炼4次。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3)中，铜辊的转速控制为45～55m/s，制得合金薄带的厚度为25～30μm。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4)中，退火热处理方式为：以10～20℃/min的升温速率将温度升高至500～540℃，保温8～15min，冷却的方式为：随熔炼炉冷却至200℃后空冷。
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