CN109754973A

CN109754973A - 一种防锈纳米晶合金及其制备方法

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Publication number: CN109754973A
Application number: CN201910142448.XA
Authority: CN
Inventors: 邓毕力; 罗顶飞; 晋立丛; 冯英杰
Original assignee: Anhui Zhimagnetic New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Anhui Zhimagnetic New Material Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: CN109754973B

Abstract

本发明提供了一种防锈纳米晶合金及其制备方法，属于磁性材料制备技术领域。所述防锈纳米晶合金由以下质量百分比的元素成分组成：Cr：4.5～6.8％；Si：6.2～10.5％；B：1.5～3.6％；Mn：1.0～2.5％；Nb：3.2～7.5％；Cu：0.6～2.0％；Ni：0.5～1.2％；余量为Fe。本发明通过优化合金元素成分、配比及改进热处理方式，获得了兼具优异的防锈性能及优良的软磁性能的纳米晶合金产品。

Description

一种防锈纳米晶合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁性材料制备技术领域，尤其是涉及一种防锈纳米晶合金及其制备方法。

背景技术

纳米晶软磁合金是指在非晶合金的基础上通过热处理获得的纳米晶结构的软磁合金，具有更加优异的软磁性能。在电力电子领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率，减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大，已不能满足使用要求；铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条件下仍然存在很多问题，一是饱和磁感低，无法减小变压器的体积；二是居里温度低，热稳定性差；三是制作大尺寸铁芯成品率低，成本高。采用功率铁氧体的单个变压器的转换功率不超过20kW。

纳米晶软磁合金同时具有高饱和磁感和很低的高频损耗，且热稳定性好，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择。采用纳米晶铁芯的变压器的转换功率可达500kW，体积比功率铁氧体变压器减少50％以上。在逆变焊机电源中纳米晶合金已经获得广泛应用，在通讯、电动交通工具、电解电镀等领域的开关电源中的应用也正在积极开发之中。目前国内普通纳米晶带材约6％用于逆变焊机领域。

铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为纳米级的Fe晶粒析出，弥散分布在非晶态基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。

铁基纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.6T)、高初始磁导率(8×10⁴)、低Hc(0.32A/M)，高磁感下的高频损耗低(P0.5T/20kHz＝30W/kg)，电阻率为80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高，经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9)或低Br值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料，最佳频率范围：20kHz-50kHz。广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电保护开关、共模电感铁芯。

铁基纳米晶合金的磁导率、Hc值接近晶态高坡莫合金及钴基非晶，且饱和磁感Bs与中镍坡莫合金相当，热处理工艺简单，是一种理想的廉价高性能软磁材料；虽然纳米晶合金的Bs值低于铁基非晶和硅钢，但其在高磁感下的高频损耗远低于它们，并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶合金与铁氧体相比，在低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯体积可小一倍以上。

纳米晶合金常用于磁头、变压器、扼流线圈、高效电机、电抗器等，因此经常需要将其制备成薄片卷叠成多层使用，这对纳米晶合金的防锈和防腐性能提出了更高的要求。常规的防锈、防腐方法如涂覆防锈涂料，不适用于多层卷叠的纳米晶合金。一来涂层会影响纳米晶合金本身的磁性能；二来加上涂层后纳米晶合金的厚度增加，卷叠后的总厚度会远大于不加涂层的厚度；三来施加涂层还需要高温固化，对纳米晶合金制成的磁头等部件的性质有一定的负面作用。

又如抛光后的合金具有防锈防腐性能。但是抛光的过程复杂，包括机械前处理、碱洗除油、热水洗、稀硝酸、水洗、烘干等，整个过程会严重损害薄片状纳米晶合金的各项性能指标。因此，需要寻求一种自身具有良好的防锈防腐性能的纳米晶合金。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请提供了一种防锈纳米晶合金及其制备方法。本发明通过优化合金元素成分、配比及热处理方式，获得了兼具优异的防锈性能及优良的软磁性能的纳米晶合金铁芯产品。

本发明的技术方案如下：

一种防锈纳米晶合金，由以下质量百分比的元素成分组成：

Cr：4.5～6.8％；Si：6.2～10.5％；B：1.5～3.6％；Mn：1.0～2.5％；Nb：3.2～7.5％；Cu：0.6～2.0％；Ni：0.5～1.2％；余量为Fe。

所述的防锈纳米晶合金的制备方法包括以下步骤：

(1)按配比将原料加入熔炼炉内，熔融后在1520～1560℃下保温10～30min，加入净化剂，多次静置打渣，最终使合金母液中各成分均匀分布，其Al、O、N各自含量在10ppm以下；

(2)将熔炼炉内合金母液导入中间包内，采用塞杆进行水口密封，静置30～40min，使母液温度均匀；

(3)然后抬起塞杆，母液进入喷嘴包内，经过喷嘴射到高速旋转的冷却辊上，使合金母液以10⁶～10⁷℃/sec的速度冷却并成型，喷带温度为1350～1400℃；

(4)采用在线自动卷取机构对得到的合金带材进行收取，获得合金带材卷产品；

(5)将带材卷产品卷绕成所需规格的铁芯，然后将铁芯装入磁场热处理炉后，通入流量为10～25m³/h的保护气体，在320-380℃下保温1～3h,稳定后在550-600℃下保温2-4h，获得纳米晶合金铁芯产品。

步骤(1)所述净化剂由50～55％二氧化硅、35～40％氧化钙、10～15％铁鳞组成。

步骤(3)所述喷嘴缝宽度为80～200微米；喷嘴与冷却辊的间距为50～200微米。步骤(3)所述冷却辊的粗糙度Ra不大于1微米。

本发明有益的技术效果在于：

本发明通过重新设计合金成分，优化合金元素配方，采用耐氧化、耐腐蚀且能提高非晶形成能力、阻碍形成的纳米晶过度长大的元素，可以得到高饱和磁感应强度(磁通量1.6T左右)，低矫顽力(0.3A/m左右)，低铁损(0.04W/kg左右)，并且有显著的防锈、抗锈性能的纳米晶合金铁芯产品。

由于纳米晶合金中的非晶合金基材是在很高的冷却速率下急冷制备得到，这样会使得其结构中存在很大的内应力和残余应力，能量高。本发明通过改进热处理方式，采用先低温后高温的分段热处理方式对得到的非晶合金带材卷进行热处理，非晶合金在低温下结构驰豫去除应力后结构更趋于稳定可使在高温下析出的纳米晶更均匀的分布于非晶合金基材上，在提高纳米晶合金的软磁性能的同时还可以大大提高其防锈性能。

此外，纳米晶合金中的非晶合金基材与纳米晶之间强烈的界面效应与晶体缺陷的存在会加速纳米晶合金中耐氧化、耐腐蚀的元素如Cr、Mn的扩散，使其在合金表面分布更加均匀，形成分布更加均匀致密的钝化薄膜，从而进一步提高纳米晶合金的抗氧化及防锈性能。

具体实施方式

下面结合实施例及测试例，对本发明进行具体描述。

实施例1～6：

(1)按表1所示的质量比将原料加入熔炼炉内，熔融后在1540℃左右下保温20min左右，加入净化剂，多次静置打渣，最终使合金母液中各成分均匀分布，其Al、O、N各自含量在10ppm以下；所述净化剂由55％二氧化硅、35％氧化钙、10％铁鳞组成；

(2)将熔炼炉内合金母液导入中间包内，采用塞杆进行水口密封，静置30min左右，使母液温度均匀；

(3)然后抬起塞杆，母液进入喷嘴包内，经过喷嘴射到高速旋转的冷却辊上(采用水冷铜辊)，使合金母液以10⁶～10⁷℃/sec的速度冷却并成型，喷铸压力1.2Mpa左右，冷却辊线速度25m/s，喷带温度为1375℃左右；喷嘴缝宽度为100微米；喷嘴前沿与其正下方的冷却辊间距50微米，喷嘴后沿与其正下方的冷却辊间距150微米；冷却辊粗糙度Ra为0.5微米；

(5)将带材卷产品卷绕成所需规格的铁芯，然后将铁芯装入磁场热处理炉后，通入流量为20m³/h的保护气体，在360℃下保温2h,稳定后在575℃下保温3h，获得纳米晶合金铁芯产品。

表1(单位：％)

对比例1：

采用公开号为WO2017201749A1的中国发明专利中的方法制备纳米晶合金带材卷。

对比例2：

将本发明实施例1制备方法中步骤(5)的热处理方式替换为：直接在575℃下保温3h。其他各步骤及各原料元素质量百分比与实施例1相同。

测试例1：软磁性能测试

按GB/T 19346.1的规定实施例和对比例制备得到的纳米晶合金的磁性能测试数据如表2所示。

表2

从表2的数据可以看到，Si、B、Nb三者对产品的磁性能影响较大，其中，Si和B均可以提高纳米晶合金的非晶形成能力，在一定范围内，Si和B的含量越高，产品的磁性越好，二者之间起协同作用；Nb可以提高纳米晶合金的非晶形成能力且能阻碍纳米晶过度长大，但由于Nb的加入会造成合金母液的流动性降低，在一定范围内，Nb的用量与Si、B的含量在互补的情况下可以保持产品磁性较好。此外，热处理方式对产品磁性能也有一定影响，相比于直接高温热处理，先低温后高温分的分段热处理方式对所得产品的磁性更好。

测试例2：防锈性能测试

实施例和对比例制备得到的纳米晶合金带材摊平，各自在随机的位置上裁下10份试样，每份均为10cm长，不做任何防护处理，放入温度为40℃、湿度为80％、通风的环境中，在一定时间后检查试样表面生锈的情况，将属于同一带材的10片试样的锈点面积相加，除以10片试样的总面积，得到实施例和对比例各自制备的带材的生锈面积百分数，结果如表3所示。

表3(单位：％)

	5天	10天	20天	30天	60天	90天
							实施例1	0	0.3	1.4	4.7	9.3	19.4
实施例2	0	0.2	1.2	4.4	8.9	18.8
							实施例3	0	0.1	1.0	4.1	8.5	18.2
实施例4	0	0.1	1.0	4.0	8.3	17.8
							实施例5	0	0	0.8	3.7	7.8	17.1
实施例6	0	0	0.7	3.5	7.1	16.8
							对比例1	0.3	0.8	2.1	7.8	16.7	28.3
对比例2	0.1	0.6	1.6	6.5	13.3	24.8

从表3的数据可以看到，金属元素Cr、Mn及热处理方式对纳米晶合金的防锈性能均有较大影响，其中，Cr和Mn均可以提高产品的防锈性能，在一定范围内，Cr和Mn的含量越高，产品的防锈性能越好；相比于直接高温热处理，先低温后高温的分段热处理方式有利于提高产品的防锈性能。

Claims

1.一种防锈纳米晶合金，其特征在于由以下质量百分比的元素成分组成：

2.一种权利要求1所述的防锈纳米晶合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(1)所述净化剂由50～55％二氧化硅、35～40％氧化钙、10～15％铁鳞组成。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(3)所述喷嘴缝宽度为80～200微米；喷嘴与冷却辊的间距为50～200微米。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(3)所述冷却辊的粗糙度Ra不大于1微米。