CN109754975B - 具有良好韧性的纳米晶合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有良好韧性的纳米晶合金及其制备方法，属于磁性材料制备技术领域。所述纳米晶合金由以下质量百分比的元素成分组成：Ni：2.5～7.5％；Si：6.2～10.5％；B：1.5～3.8％；Nb：3.2～7.5％；Cu：0.6～2.0％；Co：0.5～2.5％；余量为Fe。本发明通过优化合金元素成分及配比及热处理方式，获得了兼具优异的软磁性能及良好韧性的纳米晶合金带材。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料制备技术领域，具体涉及一种具有良好韧性的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。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。
纳米晶合金常需要制备成带材薄片卷叠成多层后使用于磁头、变压器、扼流线圈、高效电机、电抗器等，纳米晶合金作为软磁材料使用时，必须要进行热处理来提高其软磁性能，但热处理过程会使得合金产生明显的脆性，这将导致卷叠成多层使用的纳米晶合金在受到外部机械力作用时会由于脆性而发生脱落，进而导致磁路不完整和变压器击穿等不利现象。因此如何兼顾铁基纳米晶合金的软磁性能和其韧性是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提供了一种具有良好韧性的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，获得了兼具优异的软磁性能及良好韧性的纳米晶合金带材。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种具有良好韧性的纳米晶合金的制备方法，所述的纳米晶合金由以下质量百分比的元素成分组成：Ni：2.5～7.5％；Si：6.2～10.5％；B：1.5～3.8％；Nb：3.2～7.5％；Cu：0.6～2.0％；Co：0.5～2.5％；余量为Fe；所述的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，得到软磁合金带材；喷带温度为1350～1400℃；
(4)将步骤(3)得到的软磁合金带材装入热处理炉内，通入流量为10～25m3/h的惰性保护气体，在320～380℃下保温1～3h，稳定后在550～600℃保温2～4h，得到纳米晶合金带材。
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：
由于纳米晶合金中含有大量的Si、B、P等类金属元素，这些元素在合金内部会产生大量的共价键，这决定了纳米晶合金内在的脆性，本发明通过优化合金成分及配比，在兼顾软磁性能的基础上从根本上改善了纳米晶合金内在的脆性，此外，通过优化热处理方式，进一步提高了纳米晶合金的韧性和软磁性能，最终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(1.8W/kg左右)，且具有良好韧性(断裂应变0.4T左右)的纳米晶合金带材。
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，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1～7：
(1)按表1所示的质量比将原料加入熔炼炉内，熔融后在1540℃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，得到软磁合金带材；其中，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；
(4)将步骤(3)得到的软磁合金带材装入热处理炉内，通入流量为20m3/h的惰性保护气体，在350℃下保温2h，稳定后在575℃保温3h，得到纳米晶合金带材。
表1(单位：％)
对比例1～3：
制备方法同实施例1～6，各原料元素质量百分比如表1所示。
对比例4：
将实施例6制备方法中步骤(5)的热处理方式替换为：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6相同。
对比例5：
将实施例6制备方法中步骤(5)的热处理方式替换为：在400℃下保温2h后在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6相同。
测试例1：软磁性能测试
按GB/T 19346.1的规定对各实施例和对比例制备的纳米晶合金的软磁性能进行测试，测试数据如表2所示。
测试例2：韧性测试
采用平板弯曲法测量纳米晶合金带材的韧性，该方法将厚度为t的纳米晶合金带材样品置于两平行板之间，缩小平板间距，使带材弯曲，当板间距为d时，带材断裂，则非晶合金的韧性用断裂应变εf来表示：εf＝t/(d-t)，其中，当εf＝1时，非晶合金带材完全表现为韧性，即对折180°不断裂。韧性测试数据如表2所示。
由表1和表2可以看到，Si、B和Ni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，Si和B的含量越高，产品的磁性越好，二者之间起协同作用；但是随着Si和B含量的增加，纳米晶合金具有的共价键数量上升，共价键呈各向异性，不利于受到外部应力时纳米晶合金内部的原子的滑移，从而会降低纳米晶合金带材的韧性，因此Si和B的用量需要控制在一定范围内；
在一定范围内，Ni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，增加Ni、Co的含量有利于提高纳米晶合金带材的韧性，这可能是由于Ni、Co与金属原子Fe的原子大小接近，原子之间的匹配度高，原子之间不易出现密堆，从而使得阻止裂纹扩展的障碍中心增多的缘故。但Ni、Co含量过高可能会使得纳米晶的铁含量降低而影响纳米晶合金的软磁性能和韧性；
适量Nb的加入不仅可以提高纳米晶合金的软磁性能，还能改善纳米晶合金的韧性，这可能是因为Nb可以提高纳米晶合金的非晶形成能力且能抑制纳米晶颗粒的过度长大，减小析出的α-Fe纳米晶的粒径，增加其表面积，从而能更均匀的分散外部的接触应力，减少纳米晶合金表面裂纹的产生；但Nb的过量加入会造成合金母液的流动性降低，使得α-Fe纳米晶颗粒难以均匀析出，因此Nb的加入量需保持在一定范围内。
热处理方式对纳米晶合金带材的软磁性能和韧性有一定影响，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纳米晶合金带材的韧性和软磁性能的提高。究其原因，这可能是由于非晶基材表面纳米晶颗粒的存在会造成外部机械力作用时纳米晶合金表面的应力集中，而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，非晶合金基材在低温下结构驰豫去除部分应力，一方面，应力的释放使得非晶合金基材结构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，提高纳米晶合金的软磁性能的同时可以使得外部的接触应力更均匀的分散在纳米晶合金表面，从而减少纳米晶合金产品表面裂纹的产生，另一方面，适量应力的释放可以给非晶合金基材内部留有一定的空间，利于外力作用时内部原子的滑移，从而提高纳米晶合金的韧性；不去除应力或者高温下过量去除应力都会降低纳米晶合金的韧性。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有良好韧性的纳米晶合金的制备方法，其特征在于，所述的纳米晶合金由以下质量百分比的元素成分组成：Ni：2.5～7.5％；Si：6.2～10.5％；B：1.5～3.8％；Nb：3.2～7.5％；Cu：0.6～2.0％；Co：0.5～2.5％；余量为Fe；所述的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，得到软磁合金带材；喷带温度为1350～1400℃；
(4)将步骤(3)得到的软磁合金带材装入热处理炉内，通入流量为10～25m3/h的惰性保护气体，在320～380℃下保温1～3h，稳定后在550～600℃保温2～4h，得到纳米晶合金带材。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1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。
4.根据权利要求1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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Nanocrystalline alloy with good toughness and its preparation method Effective date of registration: 20220328 Granted publication date: 20200724 Pledgee: Fuyang Yingquan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: ANHUI ZHICI NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980003333 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231121 Granted publication date: 20200724 Pledgee: Fuyang Yingquan rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: ANHUI ZHICI NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980003333 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |