CN111636039A - 一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法 - Google Patents

一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111636039A
CN111636039A CN202010391601.5A CN202010391601A CN111636039A CN 111636039 A CN111636039 A CN 111636039A CN 202010391601 A CN202010391601 A CN 202010391601A CN 111636039 A CN111636039 A CN 111636039A
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy
equal
less
purity
amorphous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010391601.5A
Other languages
English (en)
Inventor
惠希东
李育洛
吕旷
窦正旭
白瑞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN202010391601.5A priority Critical patent/CN111636039A/zh
Publication of CN111636039A publication Critical patent/CN111636039A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys
    • C22C45/02—Amorphous alloys with iron as the major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/003—Making ferrous alloys making amorphous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/04—Making ferrous alloys by melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/04—Making ferrous alloys by melting
    • C22C33/06—Making ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/16—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing copper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15308—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals based on Fe/Ni
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15333—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals containing nanocrystallites, e.g. obtained by annealing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15341—Preparation processes therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2201/00—Treatment for obtaining particular effects
    • C21D2201/03—Amorphous or microcrystalline structure

Abstract

一种高饱和磁化强度Fe‑B‑P‑C‑Cu‑M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法。具有如下所示的通式：FexByPzCaCubMc，式中x,y,x,a,b,c分别表示各对应组分Fe、B、P、C、Cu、M的原子百分比，并满足下列条件：80≤x≤85，4≤y≤10，2≤z≤10，3.5≤a≤7.5，0.7≤b≤1.5，0≤c≤2，其中x+y+z+a+b+c＝100，M为Nb，Zr，V，Hf，Mo等中的一种或多种。本发明所涉及的合金系中不含Si元素，以具有更小原子尺寸半径和更高非晶形成能力的C元素作为重要添加元素，开发了一系列具有高饱和磁化强度(Bs)和低矫顽力(Hc)的铁基非晶纳米晶软磁合金。本发明所开发的铁基非晶纳米晶合金可作为电机铁芯、互感器铁芯，同时，也可用于电力工业变压器铁芯、逆变焊机、新能源、无线充电、数码及自动化等领域。

Description

一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金 及制备方法
技术领域
本发明属于软磁功能材料技术领域，涉及一种无硅高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金及制备方法，尤其涉及一种高碳含量、高非晶形成能力的无硅型铁基非晶纳米晶软磁合金及制备方法。
背景技术
在能源短缺和环境问题的双重压力下。提高设备的转化效率和降低自身的损耗显得尤为重要。在电子电力行业，电器元器件向小型化、轻量化和高效化发展以成为趋势，所以，对其使用的软磁功能材料提出了更高的要求。1988年日本的Yoshizawa等人首先报道了Fe-Si-B-Cu-Nb合金体系。经过20多年的研究发展，目前铁基非晶/纳米晶合金已经主要发展成为三大体系，即Finemet(Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3)系合金、Nanoperm(Fe-M-B，M＝Zr，Hf，Nb等)系合金和HITPERM(Fe-Co-M-B，M＝Zr，Hf，Nb等)系合金。由于Nanoperm和HITPERM合金中加入了大量的Hf、Zr、Nb等元素，导致合金的生产成本和制备工艺难度增加，难以在市场竞争中获胜，所以没有达到工业化生产。目前只有Finemet(Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3)纳米晶软磁合金得到了工业化生产和应用。高的初始磁导率、低的矫顽力和损耗是Finemet合金最大的优点，但是其相对较低的饱和磁感应强度(Bs＝1.24T)限制了其在电器元器件中的进一步使用。所以开发具有高饱和磁感应强度(Bs)的铁基非晶纳米晶软磁合金对推动电器元器件向小型化、轻量化和高效化发展具有重大的意义。2009年日本的Makino等人开发了NANOMET(Fe-Si-B-P-Cu)纳米晶软磁合金，其饱和磁感应强度(Bs)高达1.80T以上，极大的推动了非晶纳米晶软磁合金材料的发展，但是由于这个合金体系具有高达83at.％的铁含量，导致合金在淬态时就有3nm左右的原子团簇，其非晶带材的厚度只有18μm左右，说明合金具有低的非晶形成能力。所以开发兼具有高饱和磁感应强度(Bs)和高非晶形成能力的铁基非晶态软磁合金显得尤为重要。
目前开发的非晶纳米软磁合金中或多或少的都含有一定的硅元素，目的是提高合金的非晶形成能力、细化晶粒和降低矫顽力(Hc)。但是在含硅元素的合金中，当铁含量大于80at.％时，此类合金都具有低的非晶形成能力。同时，在晶化过程中，硅元素固溶在α-Fe的晶格中，降低了铁磁性元素之间的交换耦合作用，不利于实现高的饱和磁化强度(Bs)。申请公布号为CN 106756643A的专利说明书中提供了一种高饱和磁化强度的Fe-Si-B-P-Cu-C合金系，其实施例中Fe84.2Si2B9P4Cu0.5C0.3合金，在50m/s下制备了34μm厚的非晶带材，在450℃退火热处理后，其饱和强度强度(Bs)可达1.81T，矫顽力为17A/m。这就说明微量的C元素添加对合金的非晶形成能力的提高有极大的作用，但是该合金的矫顽力相对较高，增加了软磁材料在使用过程中的自身损耗。申请公布号为JP2013-185162A的日本专利说明书中提供了一种高饱和磁化强度(Bs)的Fe-Si-B-P-Cu-合金系，实施例中6中提供的Fe85.1B5P9Cu0.9合金的饱和磁化强度(Bs)可达1.75T，但是本合金具有相对较低的非晶形成能力。所以开发一种具有高非晶形成能力的高铁含量的铁基非晶纳米晶软磁合金需要有创新性、颠覆性的成分设计思路。
铁元素的原子半径为117pm，而碳元素的原子半径为77pm，其相对原子半径差为15.2％，二者的混合就使得非晶合金拓扑无序原子排列的可能性增加，同时，铁元素与碳元素之间具有-50kJ/mol，具有较强的结合力，碳元素含量的增加非晶合金原子之间交互作用的复杂性，对非晶形成能力、饱和磁化强度和矫顽力都将产生显著影响。基于以上分析，申请人发明了一种无硅、高碳、高饱和磁化强度的铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法。
发明内容
针对Fe-Si-B-P-Cu合金系非晶形成能力低和Fe-Si-B-P-C-Cu合金系高的矫顽力问题，本发明专利提出了一种无硅、高碳、高饱和磁化强度的Fe-B-P-C-Cu-M系铁基非晶纳米晶软磁合金，并发明了适合该合金成分的非晶薄带急冷工艺和热处理工艺。本合金系具有生产工艺简单、成本低、工艺成熟和产品质量可控以及适合大规模生产等优点，可广泛用于在电力、电子和信息传输与转换等领域。
一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，其特征在于软磁合金化学成分表达式为FexByPzCaCubMc，式中x,y,x,a,b,c分别表示各对应组分Fe、B、P、C、Cu、M的原子百分比，并满足下列条件：80≤x≤85，4≤y≤10，2≤z≤10，3.5≤a≤7.5，0.7≤b≤1.5，0≤c≤2，x+y+z+a+b+c＝100，M为Nb，Zr，V，Hf，Mo等中的一种或多种；具有高的非晶形成能力、高的饱和磁感应强度(Bs)和低的矫顽力(Hc)。
进一步地，所述软磁合金为无硅低磷型高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，其化学成分表达式为FexByPzCaCub，其中：x＝83.3,8≤y≤9,3≤z≤4,3.7≤a≤4.2,0.7≤b≤0.8，x+y+z+a+b＝100，该合金薄带成形性能优异，淬态为非晶薄带，在480℃退火6min后，其饱和磁化强度(Bs)可达1.87T，矫顽力(Hc)低至10A/m。
进一步地，所述软磁合金为一种无硅高磷型高饱和磁化强度的非晶纳米晶合金，其化学成分表达式为FexByPzCaCub，其中：x＝83,4.5≤y≤5.5,7.5≤z≤8.2,3.7≤a≤4.2,0.9≤b≤1.1，x+y+z+a+b＝100，该合金薄带成形性能优异，淬态为非晶态，在480℃退火6min后，其饱和磁化强度(Bs)可达1.76T，矫顽力低至5.1A/m。
进一步地，所述软磁合金其化学成分表达式为FexByPzCaCubMc，式中，M为Nb，Zr，V，Hf，Mo中的一种或多种，x,y,x,a,b,c分别表示各对应组分Fe、B、P、C、Cu、M的原子百分比，82.5≤x≤83.5，4≤y≤9.5，2≤z≤9，3.5≤a≤6，0.8≤b≤1.1，0.4≤c≤0.8，x+y+z+a+b＝100。
进一步地，所述软磁合金其化学成分表达式为FexByPzCaCubMc，其中：x＝83,8≤y≤9,2.35≤z≤2.55,3.7≤a≤4.2,0.9≤b≤1.1，x+y+z+a+b+c＝100，该合金薄带成形性能优异，淬态为非晶态，在480℃退火6min后，其饱和磁化强度(Bs)可达1.89T，矫顽力为17.07A/m。
如上所述一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)配料：采用纯Fe、纯B或工业FeB合金，工业FeP合金或纯P、纯Cu、纯C或工业FeC合金和纯金属M；
2)母合金熔炼：将配好的原料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至5×10-3Pa，再在纯度为99.99％的氩气气氛下熔炼合金，每个合金锭至少反复熔炼4次以上；
3)带材的制备：将单辊旋淬炉抽真空至5×10-2Pa，于氩气保护下将母合金锭重熔，喷射在高速旋转的铜辊上；铜辊线速度40～50m/s，喷带压力为20～30kPa；制备的薄带厚度为18～23μm，宽度为1～1.5mm；
4)薄带热处理：将退火炉升温至所需晶化温度，然后将封装有薄带的石英玻璃管放入炉中，保温一定时长后取出水淬或空冷。
优选的，所述原材料为纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B或含量为18.38wt％的工业FeB合金(杂质含量低于0.8wt％)、P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C或工业用FeC合金和纯度为99.95wt％的Nb，Zr，V，Hf，Mo等中的一种或多种金属元素。
优选的，所述合金熔炼的关键步骤为：将易挥发的FeP合金和易飞溅的纯硼放在铜坩埚底，然后放相对质量较轻的纯碳，再放纯铁，最后把熔点相对较高和相对原子质量相对较大的Nb，Zr，V，Hf，Mo中的一种或多种元素放在最上面进行熔炼；为保证母合金铸锭成分均匀，所述电弧炉熔炼为大于4次。
优选的，所述热处理的温度为470～490℃；所述热处理的时间为5～10min。
本发明合金与现有铁基非晶纳米晶合金相比，主要有下列优点：
(1)本发明中的Fe-B-P-C-Cu-M合金系中不含Si元素，可以有效的保证了磁性元素Fe的质量百分比含量的提高，从进一步提高合金的饱和磁化强度；
(2)本发明中的Fe-B-P-C-Cu-M合金系中含有相对较高的C元素，可以显著提高合金的非晶形成能力和降低合金的熔点，因此在合金熔炼时可以降低熔炼温度，节约能源，降低成本，有利于工业化应用。
(3)本发明中的Fe-B-P-C-Cu-M合金系中含有相对较高的C元素，可以显著提高合金的非晶形成能力，因此，非晶合金带临界厚度就可以增加，在随后将非晶带绕成铁芯时，就可以增加铁芯的叠片系数，提高铁芯的损耗降低。
(4)本发明的Fe-B-P-C-Cu-M合金系中，Nb，Zr，V，Hf，Mo元素的添加，不仅可以细化合金的晶粒尺寸和提高Fe-B化合物的稳定性，适量添加还会进一步提高合金的非晶形成能力。
综上所述，本发明的Fe-B-P-C-Cu-M合金在提高合金的饱和磁通密度和非晶形成能力的同时，还降低了铁芯的损耗和合金的生产成本，利于市场化大规模生产和市场的竞争，最大程度地满足了目前电子电力器件向小型化、高效化、轻量化和绿色化发展的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1(Fe83.3B9P3C4Cu0.7)，实施例2(Fe82.9B9P3C4Cu1.1)，实施例3(Fe83B9P2.4C4Cu1V0.6)，实施例4(Fe83B4P8C4Cu1)和对比例1(Fe83.3Si4B9P3Cu0.7)合金的铸态XRD曲线；
图2为本发明实施例1(Fe83.3B9P3C4Cu0.7)，实施例2(Fe82.9B9P3C4Cu1.1)，实施例3(Fe83B9P2.4C4Cu1V0.6)，实施例4(Fe83C4B4P8Cu1)和对比例1(Fe83.3Si4B9P3Cu0.7)合金的DSC曲线；
图3为本发明实施例1(Fe83.3B9P3C4Cu0.7)，实施例2(Fe82.9B9P3C4Cu1.1)，实施例3(Fe83B9P2.4C4Cu1V0.6)，实施例4(Fe83C4B4P8Cu1)和对比例1(Fe83.3Si4B9P3Cu0.7)合金在350℃～480℃退火之后的矫顽力(Hc)曲线；
图4为本发明实施例1(Fe83.3B9P3C4Cu0.7)，实施例2(Fe82.9B9P3C4Cu1.1)，实施例3(Fe83B9P2.4C4Cu1V0.6)，实施例4(Fe83C4B4P8Cu1)和对比例1(Fe83.3Si4B9P3Cu0.7)合金在350℃～480℃退火之后的饱和磁感应强度(Bs)曲线。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，以下结合实施例进一步阐述本发明提供的一种铁基非晶纳米晶合金的制备方法。应理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
制备高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，化学分子式为Fe83.3B9P3C4Cu0.7。
(1)母合金原料配制：利用纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B，P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C配制所要求的原子百分比的材料。
(2)母合金熔炼：将上述(1)中配好的原料放入非自耗真空电弧炉的铜坩埚中，放置时将易挥发的FeP合金和易飞溅的纯硼放在铜坩埚底，然后放相对质量较轻的纯碳，再放纯铁和纯铜。关闭炉门，用机械泵和分子泵抽真空至5×10-3Pa以下，充入纯度为99.99％的氩气至0.05MPa。熔炼合金前，先熔炼Ti锭以吸收炉内残余的氧气，再对合金原料进行熔炼。为保证母合金锭成分均匀，每次熔炼后用翻料铲将合金锭翻转再次熔炼，每个合金锭至少反复熔炼4次以上，得到成分均匀的铁基母合金铸锭。
(3)带材的制备：将上述(2)熔炼好的母合金表面进行打磨后装入石英管里，关闭单辊旋淬炉炉门，抽真空至2×10-2Pa，再在氩气保护下将母合金锭重将熔，喷射在高速旋转的铜辊上，制成非晶态带材。带材的工艺条件为：铜辊线速度控制在40m/s左右，喷带压力控制在20～25kPa,制备厚度为20～25μm、宽度为1～1.5mm的非晶薄带。
(4)结构检测：用X射线衍射仪对上述(3)制备的合金带材进行结构检测，从而确定合金的非晶形成能力。
(5)晶化退火处理：将上述(3)制备薄带密封在玻璃中，玻璃管内的真空度保持在3.0×10-1MPa以下，退火温度区间控制在350℃-480℃之间，保温时间为6min。
(6)用振动样品磁强计(VSM)和软磁直流测试仪分别对退火后的薄带进行饱和磁通密度(Bs)及矫顽力(Hc)性能测试，其饱和磁化强度(Bs)为1.87T及矫顽力(Hc)为10.0A/m。
实施例2
制备高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，化学分子式为Fe82.9B9P3C4Cu1.1。
(1)母合金原料配制：利用纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B，P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C配制所要求的原子百分比的材料。
(2)母合金熔炼：将上述(1)中配好的原料放入非自耗真空电弧炉的铜坩埚中，放置时将易挥发的FeP合金和易飞溅的纯硼放在铜坩埚底，然后放相对质量较轻的纯碳，再放纯铁和纯铜。关闭炉门，用机械泵和分子泵抽真空至5×10-3Pa以下，充入纯度为99.99％的氩气至0.05MPa。熔炼合金前，先熔炼Ti锭以吸收炉内残余的氧气，再对合金原料进行熔炼。为保证母合金锭成分均匀，每次熔炼后用翻料铲将合金锭翻转再次熔炼，每个合金锭至少反复熔炼4次以上，得到成分均匀的铁基母合金铸锭。
(3)带材的制备：将上述(2)熔炼好的母合金表面进行打磨后装入石英管里，关闭单辊旋淬炉炉门，抽真空至2×10-2Pa，再在氩气保护下将母合金锭重将熔，喷射在高速旋转的铜辊上，制成非晶态带材。带材的工艺条件为：铜辊线速度控制在40m/s左右，喷带压力控制在20～25kPa,制备厚度为20～25μm、宽度为1～1.5mm的非晶薄带。
(4)结构检测：用X射线衍射仪对上述(3)制备的合金带材进行结构检测，从而确定合金的非晶形成能力。
(5)晶化退火处理：将上述(3)制备薄带密封在玻璃中，玻璃管内的真空度保持在3.0×10-1MPa以下，退火温度区间控制在350℃-480℃之间，保温时间为6min。
(6)用振动样品磁强计(VSM)和软磁直流测试仪分别对退火后的薄带进行饱和磁通密度(Bs)及矫顽力(Hc)性能测试，其饱和磁化强度(Bs)为1.85T及矫顽力(Hc)为8.9A/m。
实施例3
制备高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，化学分子式为Fe83B9P2.4C4Cu1V0.6。
(1)母合金原料配制：利用纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B，P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C和纯度为99.95％的V配制所要求的原子百分比的原料。
(2)母合金熔炼：将上述(1)中配好的原料放入非自耗真空电弧炉的铜坩埚中，放置时将易挥发的FeP合金和易飞溅的纯硼放在铜坩埚底，然后放相对质量较轻的纯碳，再放纯铁、纯铜和纯钒。关闭炉门，用机械泵和分子泵抽真空至5×10-3Pa以下，充入纯度为99.99％的氩气至0.05MPa。熔炼合金前，先熔炼Ti锭以吸收炉内残余的氧气，再对合金原料进行熔炼。为保证母合金锭成分均匀，每次熔炼后用翻料铲将合金锭翻转再次熔炼，每个合金锭至少反复熔炼4次以上，得到成分均匀的铁基母合金铸锭。
(3)带材的制备：将上述(2)熔炼好的母合金表面进行打磨后装入石英管里，关闭单辊旋淬炉炉门，抽真空至2×10-2Pa，再在氩气保护下将母合金锭重将熔，喷射在高速旋转的铜辊上，制成非晶态带材。带材的工艺条件为：铜辊线速度控制在40m/s左右，喷带压力控制在20～25kPa,制备厚度为20～25μm、宽度为1～1.5mm的非晶薄带。
(4)结构检测：用X射线衍射仪对上述(3)制备的合金带材进行结构检测，从而确定合金的非晶形成能力。
(5)晶化退火处理：将上述(3)制备薄带密封在玻璃中，玻璃管内的真空度保持在3.0×10-1MPa以下，退火温度区间控制在350℃-480℃之间，保温时间为6min。
(6)用振动样品磁强计(VSM)和软磁直流测试仪分别对退火后的薄带进行饱和磁通密度(Bs)及矫顽力(Hc)性能测试，其饱和磁化强度(Bs)为1.89T及矫顽力(Hc)为17.07A/m。
实施例4
制备高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，化学分子式为Fe83C4B4P8Cu1。
(1)母合金原料配制：利用纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B，P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C配制所要求的原子百分比的材料。
(2)母合金熔炼：将上述(1)中配好的原料放入非自耗真空电弧炉的铜坩埚中，放置时将易挥发的FeP合金和易飞溅的纯硼放在铜坩埚底，然后放相对质量较轻的纯碳，再放纯铁和纯铜。关闭炉门，用机械泵和分子泵抽真空至5×10-3Pa以下，充入纯度为99.99％的氩气至0.05MPa。熔炼合金前，先熔炼Ti锭以吸收炉内残余的氧气，再对合金原料进行熔炼。为保证母合金锭成分均匀，每次熔炼后用翻料铲将合金锭翻转再次熔炼，每个合金锭至少反复熔炼4次以上，得到成分均匀的铁基母合金铸锭。
(3)带材的制备：将上述(2)熔炼好的母合金表面进行打磨后装入石英管里，关闭单辊旋淬炉炉门，抽真空至2×10-2Pa，再在氩气保护下将母合金锭重将熔，喷射在高速旋转的铜辊上，制成非晶态带材。带材的工艺条件为：铜辊线速度控制在40m/s左右，喷带压力控制在20～25kPa,制备厚度为20～25μm、宽度为1～1.5mm的非晶薄带。
(4)结构检测：用X射线衍射仪对上述(3)制备的合金带材进行结构检测，从而确定合金的非晶形成能力。
(5)晶化退火处理：将上述(3)制备薄带密封在玻璃中，玻璃管内的真空度保持在3.0×10-1MPa以下，退火温度区间控制在350℃-480℃之间，保温时间为6min。
(6)用振动样品磁强计(VSM)和软磁直流测试仪分别对退火后的薄带进行饱和磁通密度(Bs)及矫顽力(Hc)性能测试，其饱和磁化强度(Bs)为1.76T及矫顽力(Hc)为5.1A/m。
对比例1
制备高饱和磁感应强度的铁Fe-Si-B-P-Cu非晶纳米晶软磁合金，化学分子式为Fe83.3Si4B9P3Cu0.7。
制备上述成分的铁基非晶纳米晶软磁合金，制备步骤同实施例1。
参见图1，图1为本发明实施例和对比例制备的非晶薄带的XRD曲线。由图1可知，对比例除了在约45°左右有宽化弥散的衍射峰以外，在65°左右还可以观察到α-Fe相的峰，表明所制备的合金有一定的晶化，而所用实施例XRD图谱上只有在约45°有宽化的衍射峰，表明所的合金具有良好的非晶形成能力。
参见图2，图2为本发明实施例和对比例制备的非晶薄带的DSC曲线。由图2可知，相对于对比例所有实施例的初始晶化温度(Tx1)和第二晶化温度(Tx2)都移向低温。可以看出，实施例4具有最低的第二晶化温度(Tx2)。
参见图3，图3为本发明实施例和对比例在350℃～490℃晶化退火后的矫顽力曲线。由图3可知，除了实施例3以外，其余实施例相对于对比例都有更小的最佳矫顽力值，对比例1的最佳矫顽力为Hc＝15.0A/m，实施例1的最佳矫顽力为Hc＝10.0A/m，实施例2的最佳矫顽力为Hc＝8.9A/m，实施例3的最佳矫顽力为Hc＝17.07A/m，实施例4的最佳矫顽力为Hc＝5.1A/m。
参见图4，图4为本发明实施例和对比例在350℃～500℃晶化退火后的饱和磁化强度(Bs)曲线。由图4可知，除了实施例4外，实施例1、实施例2和实施例3都具有比对比例1高的饱和磁通密度，其中对比例的饱和磁化强度Bs＝1.79T，实施例1的饱和磁化强度Bs＝1.87T，实施例2的饱和磁化强度Bs＝1.85T，实施例3的饱和磁化强度Bs＝1.89T，实施例4的饱和磁通密度Bs＝1.76T。

Claims (9)

1.一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，其特征在于软磁合金化学成分表达式为FexByPzCaCubMc，式中x,y,x,a,b,c分别表示各对应组分Fe、B、P、C、Cu、M的原子百分比，并满足下列条件：80≤x≤85，4≤y≤10，2≤z≤10，3.5≤a≤7.5，0.7≤b≤1.5，0≤c≤2，x+y+z+a+b+c＝100，M为Nb，Zr，V，Hf，Mo中的一种或多种；具有高的非晶形成能力、高的饱和磁感应强度(Bs)和低的矫顽力(Hc)。
2.根据权利要求1所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，其特征在于所述软磁合金为无硅低磷型高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，其化学成分表达式为FexByPzCaCub，其中：x＝83.3,8≤y≤9,3≤z≤4,3.7≤a≤4.2,0.7≤b≤0.8，x+y+z+a+b＝100，该合金薄带成形性能优异，淬态为非晶薄带，在480℃退火6min后，其饱和磁化强度(Bs)可达1.87T，矫顽力(Hc)低至10A/m。
3.根据权利要求1所述的一种无硅高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，其特征在于所述软磁合金为一种无硅高磷型高饱和磁化强度的非晶纳米晶合金，其化学成分表达式为FexByPzCaCub，其中：x＝83,4.5≤y≤5.5,7.5≤z≤8.2,3.7≤a≤4.2,0.9≤b≤1.1，x+y+z+a+b＝100，该合金薄带成形性能优异，淬态为非晶态，在480℃退火6min后，其饱和磁化强度(Bs)可达1.76T，矫顽力低至5.1A/m。
4.根据权利要求1所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，其特征在于其化学成分表达式为FexByPzCaCubMc，式中，M为Nb，Zr，V，Hf，Mo中的一种或多种，x,y,x,a,b,c分别表示各对应组分Fe、B、P、C、Cu、M的原子百分比，82.5≤x≤83.5，4≤y≤9.5，2≤z≤9，3.5≤a≤6，0.8≤b≤1.1，0.4≤c≤0.8，x+y+z+a+b＝100。
5.根据权利要求1或4所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，其化学成分表达式为FexByPzCaCubMc，其中：x＝83,8≤y≤9,2.35≤z≤2.55,3.7≤a≤4.2,0.9≤b≤1.1，x+y+z+a+b+c＝100，该合金薄带成形性能优异，淬态为非晶态，在480℃退火6min后，其饱和磁化强度(Bs)可达1.89T，矫顽力为17.07A/m。
6.一种如权利要求1-5所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)配料：采用纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B或工业FeB合金(杂质含量低于0.8wt％)，P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)或纯度为99.95的P、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C或工业FeC合金(杂质含量低于1.0wt％)和纯度达到99.90％的M(Nb，Zr，V，Hf，Mo)；
2)母合金熔炼：将配好的原料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空至5×10-3Pa，再在纯度为99.99％的氩气气氛下熔炼合金，每个合金锭至少反复熔炼4次以上；
3)带材的制备：将单辊旋淬炉抽真空至5×10-2Pa，于氩气保护下将母合金锭重熔，喷射在高速旋转的铜辊上；铜辊线速度40～50m/s，喷带压力为20～30kPa；制备的薄带厚度为18～23μm，宽度为1～1.5mm；
4)薄带热处理：将退火炉升温至所需晶化温度，然后将封装有薄带的石英玻璃管放入炉中，保温一定时长后取出水淬或空冷。
7.如权利要求6所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于所述原材料为纯度为99.98wt％的Fe、纯度为99.95wt％的B或含量为18.38wt％的工业FeB合金(杂质含量低于0.8wt％)、P含量为27.1wt％的工业FeP合金(杂质含量低于1.6wt％)、纯度为99.95wt％的Cu、纯度为99.95wt％的C或工业用FeC合金和M纯度为99.95wt％的Nb，Zr，V，Hf，Mo中的一种或多种金属元素。
8.如权利要求6所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于所述合金熔炼的关键步骤为：将易挥发的FeP合金和易飞溅的纯硼放在铜坩埚底，然后放相对质量较轻的纯碳，再放纯铁，最后把熔点相对较高和相对原子质量相对较大的Nb，Zr，V，Hf，Mo中的一种或多种元素放在最上面进行熔炼；为保证母合金铸锭成分均匀，所述电弧炉熔炼为大于4次。
9.如权利要求6所述的一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于所述热处理的温度为470～490℃；所述热处理的时间为5～10min。
CN202010391601.5A 2020-05-11 2020-05-11 一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法 Pending CN111636039A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010391601.5A CN111636039A (zh) 2020-05-11 2020-05-11 一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010391601.5A CN111636039A (zh) 2020-05-11 2020-05-11 一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111636039A true CN111636039A (zh) 2020-09-08

Family

ID=72325482

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010391601.5A Pending CN111636039A (zh) 2020-05-11 2020-05-11 一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111636039A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113789487A (zh) * 2021-08-11 2021-12-14 北京航空航天大学 一种高碳高电阻率软磁铁基非晶合金及其制备方法
CN114250426A (zh) * 2021-12-22 2022-03-29 青岛云路先进材料技术股份有限公司 一种铁基非晶纳米晶合金及其制备方法
CN115141981A (zh) * 2022-08-16 2022-10-04 北京航空航天大学 FePCBCuM纳米晶合金及其制备方法
CN115992334A (zh) * 2022-12-28 2023-04-21 广东咏旺新材料科技有限公司 一种高Bs的铁基非晶/纳米晶材料及其制备方法和应用
CN116403825A (zh) * 2023-06-07 2023-07-07 常州创明磁性材料科技有限公司 一种软磁铁基纳米晶合金带材及其制备方法和应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070079907A1 (en) * 2003-10-01 2007-04-12 Johnson William L Fe-base in-situ compisite alloys comprising amorphous phase
CN102471856A (zh) * 2009-08-24 2012-05-23 Nec东金株式会社 合金组成物、铁基纳米结晶合金及其制造方法
CN102741437A (zh) * 2008-08-22 2012-10-17 牧野彰宏 合金组合物、Fe基纳米晶合金及其制造方法和磁性部件
CN104078180A (zh) * 2014-05-28 2014-10-01 浙江大学 一种纳米晶软磁复合材料及其制备方法
WO2016009696A1 (ja) * 2014-07-14 2016-01-21 愛知時計電機株式会社 電磁流量計およびコア

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070079907A1 (en) * 2003-10-01 2007-04-12 Johnson William L Fe-base in-situ compisite alloys comprising amorphous phase
CN102741437A (zh) * 2008-08-22 2012-10-17 牧野彰宏 合金组合物、Fe基纳米晶合金及其制造方法和磁性部件
CN102471856A (zh) * 2009-08-24 2012-05-23 Nec东金株式会社 合金组成物、铁基纳米结晶合金及其制造方法
CN104078180A (zh) * 2014-05-28 2014-10-01 浙江大学 一种纳米晶软磁复合材料及其制备方法
WO2016009696A1 (ja) * 2014-07-14 2016-01-21 愛知時計電機株式会社 電磁流量計およびコア

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
T. TAKAHASHI等: ""Fe-Si-B-P-C-Cu nanocrystalline soft magnetic powders with high Bs and low core loss"", 《AIP ADVANCES》 *
ZEQIANG ZHANG，PARMANAND SHARMA，AKIHIRO MAKINO: ""Role of Si in high Bs and low core-loss Fe85.2B10-XP4Cu0.8SiX nano-crystalline alloys"", 《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 *
惠希东等: ""高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金发展概况"", 《工程科学学报》 *
杜晨曦等: ""铁基非晶合金的辐照性能"", 《工程科学学报》 *
王东斌: ""钛基非晶复合材料磨损性能研究与实验"", 《装备制造技术》 *
赵浩峰等编著: "《物理功能复合材料及其性能》", 31 October 2010, 冶金工业出版社 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113789487A (zh) * 2021-08-11 2021-12-14 北京航空航天大学 一种高碳高电阻率软磁铁基非晶合金及其制备方法
CN114250426A (zh) * 2021-12-22 2022-03-29 青岛云路先进材料技术股份有限公司 一种铁基非晶纳米晶合金及其制备方法
CN115141981A (zh) * 2022-08-16 2022-10-04 北京航空航天大学 FePCBCuM纳米晶合金及其制备方法
CN115141981B (zh) * 2022-08-16 2023-09-22 北京航空航天大学 FePCBCuM纳米晶合金及其制备方法
CN115992334A (zh) * 2022-12-28 2023-04-21 广东咏旺新材料科技有限公司 一种高Bs的铁基非晶/纳米晶材料及其制备方法和应用
CN116403825A (zh) * 2023-06-07 2023-07-07 常州创明磁性材料科技有限公司 一种软磁铁基纳米晶合金带材及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111636039A (zh) 一种高饱和磁化强度Fe-B-P-C-Cu-M系非晶纳米晶软磁合金及制备方法
CN104934179B (zh) 强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法
CN102304669B (zh) 高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金
CN106756643B (zh) 一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法
CN111057970B (zh) 一种高磁导率的非晶纳米晶合金的制备方法
CN110306130B (zh) 一种高铁含量Fe-Si-B-P-Cu-Nb非晶纳米晶软磁合金及制备方法
CN107393673B (zh) 一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法
JP7387008B2 (ja) サブナノスケールの秩序クラスターを含む鉄基アモルファス合金、その調製方法及びそれを用いたナノ結晶合金誘導体
CN101840763A (zh) 一种高饱和磁感应强度的铁基纳米晶软磁合金
CN109930080B (zh) 一种无铜纳米晶软磁合金及其制备方法
CN105825991B (zh) 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
CN109778083B (zh) 高饱和磁感应强度铁基非晶合金及其制备方法
CN110670001A (zh) 富硅含p型铁基非晶纳米晶合金及铁基非晶合金纳米晶磁芯的制备方法
CN110571009A (zh) 一种铁基球化微纳磁粉芯及其制备方法
CN110093565B (zh) 晶化窗口宽、软磁性能可控的铁基纳米晶合金及其制备方法
CN115732160A (zh) 一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯
CN112962024B (zh) 一种类Finemet型Fe基纳米晶软磁合金及其制备方法
CN105702408B (zh) 一种纳米晶软磁材料的制备方法
CN103305771B (zh) 铁基双相耦合合金及其制备方法
CN111910135A (zh) 一种铁基软磁合金Fe-Co-Si-B-P-Ti及其制备方法
CN108950434B (zh) 一种激磁功率小的铁基非晶带材及其制备方法
CN111276311B (zh) 一种Fe-B-P-C-Cu-N-Cr系非晶纳米晶软磁合金及制备方法
CN113337692B (zh) 一种提高Fe基纳米晶软磁合金高频磁导率的方法
CN113278897B (zh) 一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法
CN111411312B (zh) 一种具有择优取向的Fe-Si-B-P-Cu纳米晶软磁合金材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200908