CN115369335A - 铁基非晶合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铁基非晶合金及其制备方法和应用。按重量百分比计，该铁基非晶合金中，Fe元素的重量含量为81.78～84.68wt％、Si元素的重量含量为1.24～2.54wt％、B元素的重量含量为11.75～14.99wt％、Al元素的重量含量为0.40～0.83wt％、Li元素的重量含量为0.24～0.46wt％。基于此，本申请在成本更低、制备工艺更便捷的基础上即可得到较高磁感应强度的铁基非晶合金，工业应用前景更好。
Description
技术领域
本发明涉及非晶合金软磁材料领域，具体而言，涉及一种铁基非晶合金及其制备方法和应用。
背景技术
软磁材料及其相关设备(电感器、变压器和电机)在全世界的能源转换中发挥着关键作用。硅钢自1900年问世以来，一直主导着全球软磁市场，是大型变压器和电机的首选材料。然而，硅钢由于自身的低电阻率，在使用过程中，尤其是随着工作频率的增加，会产生巨大的涡流损耗。于是，人们开始寻找其他软磁材料来满足新型高频设备的要求。非晶合金是目前最先进的一类软磁材料。1967年，Duwez开发出Fe-P-C系非晶软磁合金，引发了人们对铁基非晶合金的研究热潮。相较晶体合金，铁基非晶合金由于长程无序的原子排列结构，且不存在位错、晶界而导致不存在宏观磁晶各向异性，因而具有较高的电阻率、饱和磁感应强度以及低的矫顽力。
经过半个多世纪的发展，铁基非晶合金在高频电力电子和电机设备中获得了市场份额。尤其是，FeSiB系铁基非晶合金因具有优异的软磁性能、易成型优势以及有竞争力的价格，受到了广泛应用。
然而，现有的FeSiB系非晶合金成本高且难以制备，尤其是其还有一个重大不足是饱和磁感应强度低，如某商用非晶合金Metglas26SA01(国内牌号1K101)的饱和磁感应强度为1.56T，远低于硅钢的2.0T。这导致采用非晶合金铁芯的变压器比采用硅钢铁芯变压器的体积更大，耗材更多。因此，提高铁基非晶合金的饱和磁感应强度有助于实现电力电子设备的高效化和小型化。
故而，有必要提供一种新的铁基非晶合金，使其可以具有较高的饱和磁感应强度，且更易制备、成本更低，具有产业化生产能力，工业化应用前景更好。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种铁基非晶合金及其制备方法和应用，以解决现有技术中FeSiB系非晶合金存在的饱和磁感应强度低、成本较高及难制备等问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铁基非晶合金，按重量百分比计，铁基非晶合金中，Fe元素的重量含量为81.78～84.68wt％、Si元素的重量含量为1.24～2.54wt％、B元素的重量含量为11.75～14.99wt％、Al元素的重量含量为0.40～0.83wt％、Li元素的重量含量为0.24～0.46wt％。
进一步地，铁基非晶合金中，非晶占比为99～100wt％。
进一步地，铁基非晶合金的形状为条带状。
进一步地，铁基非晶合金的宽度为43～47mm，厚度为22～27μm。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种前述的铁基非晶合金的制备方法，制备方法包括以下步骤：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照化学计量比混合以进行熔炼，得到铁基非晶合金。
进一步地，铁源选自铁粉、铁片或铁颗粒中的一种或多种；硅源选自硅颗粒和/或硅片；硼源选自硼粉和/或硼颗粒；铝源选自铝锂合金颗粒、铝颗粒或铝丝中的一种或多种；锂源为铝锂合金颗粒。
进一步地，熔炼在高频感应炉中进行；熔炼过程中，熔炼温度为1200～1400℃，熔炼时间为1～2h。
进一步地，在熔炼之后，制备方法还包括以下步骤：采用单辊旋淬法将铁基非晶合金制成条带状铁基非晶合金。
进一步地，单辊旋淬过程中的线速度为30～60m/s，·3压力为0.03～0.1MPa。
根据本发明的另一方面，提供了一种前述的铁基非晶合金，或者由前述的铁基非晶合金的制备方法制备得到的铁基非晶合金作为电感器、变压器或电机中定子铁芯或转子铁芯的应用。
应用本发明上述技术方案，在成本更低、制备工艺更便捷的基础上即可得到较高磁感应强度的铁基非晶合金，工业应用前景更好。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明实施例1制备得到的铁基非晶合金照片图；
图2示出了本发明实施例1至4制备得到的铁基非晶合金的XRD图；
图3示出了本发明实施例2至4制备得到的铁基非晶合金的晶化部分的DSC加热曲线图；
图4示出了本发明实施例2至4制备得到的铁基非晶合金的熔化部分的DSC加热曲线图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
正如本发明背景技术部分所描述的，现有技术中的FeSiB系非晶合金存在饱和磁感应强度低、成本较高及难制备等问题。为了解决这一问题，本发明提供了一种铁基非晶合金，按重量百分比计，铁基非晶合金中，Fe元素的重量含量为81.78～84.68wt％、Si元素的重量含量为1.24～2.54wt％、B元素的重量含量为11.75～14.99wt％、Al元素的重量含量为0.40～0.83wt％、Li元素的重量含量为0.24～0.46wt％。基于此，本发明的铁基非晶合金的非晶占比更高、饱和磁感应强度更高，且其具有十分优异的产业化生产能力，工业化应用前景更好。为了进一步说明本发明的有益效果，对上述铁基非晶合金中的成分进行如下说明：
本发明基于相图热力学理论，选定Fe-B二元系的共晶成分。其中，其一，Fe元素为基础元素，且其为磁性元素，从而可以促使铁基非晶合金具有较高的饱和磁感应强度。本发明铁基非晶合金中Fe含量在81.78～84.68wt％之间，例如可以取81.78wt％、82.78wt％或84.68wt％。其二，B元素的原子半径远小于Fe元素，从而Fe-B二元系的共晶点附近的组分通常具有强的玻璃形成能力。例如，B元素的重量含量可以为11.75wt％、13.86wt％、14.04wt％或14.99wt％。其三，本发明以Si元素替代部分B元素，在制备铁基非晶合金时，其非晶形成能力较强，从而可以得到磁感应强度较高且非晶占比更高的铁基非晶合金。Si和B同为非晶形成元素，二者均与Fe元素之间有大的负混合焓。同时，Si和B元素的原子半径与Fe元素差别较大，通过对非晶形成元素的成分调整使合金接近共晶组分，从而可以使产品获得更高的非晶形成能力。而且，Fe元素和Si元素是互溶的，Si元素的添加，能够进一步降低合金的熔点。在磁学性能上，Si元素的添加还可以提高非晶合金的电阻率。例如，Si元素的重量含量可以为1.24wt％、2.01wt％、2.24wt％或2.54wt％。其四，本发明还突破性地在铁基非晶合金中添加Al及Li。Al元素的重量含量可以为0.40wt％、0.65wt％或0.83wt％，Li元素的重量含量可以为0.24wt％、0.33wt％或0.46wt％。这样，在满足铁基非晶合金优异的非晶占比及磁感应强度的同时，Al及Li的添加还提高了合金的熔体粘度，熔体粘度更高，合金熔体的稳定性更优，更容易制备，在后续制带过程中物料可以保持优异性能的均一稳定性。且其制备成本更低，仅需简单、便捷地工艺即可得到高非晶占比及磁感应强度的铁基非晶合金，工业应用前景更好。
额外还需补充的是，本发明正是将合金中各元素的含量控制在上述范围内，使得合金具有较高的饱和磁感应强度，且其成本更低、更易制备，而任一元素范围不在上述范围，都无法达到本发明上述效果。例如，通常来说，铁元素为磁性元素，可以提高合金的饱和磁感应强度。但实际情况中，如果铁元素含量过高，则会导致材料制备时非晶形成能力降低，从而导致产品非晶占比较低。产品中非晶占比降低会大幅度降低合金的饱和磁感应强度，从而导致产品最终表现出的饱和磁感应强度性能是呈下降状态。
本发明上述铁基非晶合金的结构式为(FeSiB)a(Al2Li)b，其中，0<a<1，0<b<1，a+b＝1。在一些可选的实施方式中，本发明上述铁基非晶合金的结构式可以举例为(FeSiB)98(Al2Li)2、(FeSiB)96(Al2Li)4或(FeSiB)94(Al2Li)6。在一种优选的实施方式中，0.1≤b≤0.4。基于此，在满足铁基非晶合金优异的非晶性能及磁感应强度的同时，成本更低且合金更容易制备，工业应用前景更好。
为了进一步使产品具有较高的电阻率、饱和磁感应强度以及低的矫顽力，在一种优选的实施方式中，本发明铁基非晶合金中，非晶占比为99～100wt％。
在一种优选的实施方式中，铁基非晶合金的形状为条带状。优选铁基非晶合金的宽度为43～47mm，厚度为22～27μm。基于此，铁基非晶合金在后续应用于电感器、变压器和电机时，适配性更好。
本发明还提供了一种前述的铁基非晶合金的制备方法，制备方法包括以下步骤：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照化学计量比混合以进行熔炼，得到铁基非晶合金。
基于前文的各项原因，本发明在制备过程中，产品非晶形成能力更强。由此制得的铁基非晶合金的磁感应强度更高、非晶占比更高，且其具有产业化生产能力，工业化应用前景更好。
在一些可选的实施方式中，铁源选自铁粉、铁片或铁颗粒中的一种或多种；硅源选自硅颗粒和/或硅片；硼源选自硼粉和/或硼颗粒；铝源选自铝锂合金颗粒、铝颗粒或铝丝中的一种或多种；锂源为铝锂合金颗粒。基于此，原料更易得，产品在满足优异的非晶形成能力及产品优异的磁感应强度的同时，合金更容易制备，仅需简单、便捷地工艺即可得到高非晶形成能力及磁感应强度的铁基非晶合金，工业应用前景更好。
为了进一步提高熔炼效率，优选熔炼在高频感应炉中进行，熔炼过程中，熔炼温度为1200～1400℃，熔炼时间为1～2h。在一种优选的实施方式中，在熔炼之后，制备方法还包括以下步骤：采用单辊旋淬法将铁基非晶合金制成条带状铁基非晶合金。单辊旋淬过程中的线速度为30～60m/s，压力为0.03～0.1MPa。基于此，铁基非晶合金在后续应用于电感器、变压器和电机时，适配性更好。
本发明还提供了一种前述的铁基非晶合金，或者由前述的铁基非晶合金的制备方法制备得到的铁基非晶合金作为电感器、变压器或电机中定子铁芯或转子铁芯的应用。
基于前文的各项原因，本发明的铁基非晶合金的磁感应强度更高、非晶占比更高，且其具有产业化生产能力，工业化应用前景更好，在作为电感器、变压器或电机中定子铁芯或转子铁芯的应用时，应用效果更优。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照Fe81.78B13.86Si2.01Al0.40Li0.24的化学计量比混合，送入高频感应炉中进行熔炼，得到铁基非晶合金。熔炼温度为1380℃，保温时间为1.5h。
将上述铁基非晶合金通过单辊旋淬法制成宽度为45mm，厚度为25μm的条带状非晶合金。样品编号为A5-1。
实施例2
和实施例1的区别仅在于：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照Fe82.78B14.04Si2.24Al0.65Li0.33的化学计量比混合，样品编号为A5-2。
实施例3
和实施例1的区别仅在于：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照Fe84.68B14.99Si2.54Al0.83Li0.46的化学计量比混合，样品编号为A5-3。
对比例1
和实施例1的区别仅在于：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照Fe80B10Si10的化学计量比混合，样品编号为A5-4。
对比例2
和实施例1的区别仅在于：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照Fe87B5Si8的化学计量比混合，样品编号为A5-5。
对比例3
和实施例1的区别仅在于：将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照Fe78.11Si1.24B11.75的化学计量比混合，样品编号为A5-0。
性能测试
1、物相分析
本发明自由面及贴辊面具有下述释义：将条带状铁基非晶合金划分为相对平行设置的第一表面和第二表面。其中，在单辊旋淬法处理过程中，将产品与铜辊直接接触的表面记为第一表面，与其相对平行设置的第二表面则对应不与铜辊直接接触。上述第一表面即为贴辊面，第二表面则为自由面。
实施例1制得的铁基非晶合金条带外观如图1所示。实施例1至3及对比例3中产品的XRD结果如图2所示。
2、热分析
采用差示扫描量热方法获得上述实施例1-3及对比例3中铁基非晶合金的热力学参数(包括非晶的居里温度Tc、起始晶化温度Tx)，结果如图3所示。采用差示扫描量热方法获得上述实施例中铁基非晶合金的高温区热力学参数(熔点Tm)，结果如图4所示。结果表明，实施例中铁基非晶合金均呈现明显的结构弛豫和晶化过程，反映了典型的非晶材料特征。且Al2Li合金的微量添加对铁基非晶合金的热力学参数(包括Tc、Tx以及Tm)影响不大。
3、软磁性能分析
采用振动样品磁强计VSM测试实施例1至3及对比例1至3制得的铁基非晶合金条带的饱和磁感应强度，测试结果如表1所示。
表1
本发明实施例1至3中铁基非晶合金的饱和磁感应强度≥1.63T，这一结果远高于商业牌号非晶合金Metglas2605SA1(饱和磁感应强度为1.56T)。同时，结合上述XRD结果表明，本发明将铁基非晶合金中Fe元素的重量含量为81.78～84.68wt％、Si元素的重量含量为1.24～2.54wt％、B元素的重量含量为11.75～14.99wt％、Al元素的重量含量为0.40～0.83wt％、Li元素的重量含量为0.24～0.46wt％。铁基非晶合金的饱和磁感应强度更高，且其成本更低、更易制备，具有产业化生产能力，工业化应用前景更好。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铁基非晶合金，其特征在于，按重量百分比计，所述铁基非晶合金中，Fe元素的重量含量为81.78～84.68wt％、Si元素的重量含量为1.24～2.54wt％、B元素的重量含量为11.75～14.99wt％、Al元素的重量含量为0.40～0.83wt％、Li元素的重量含量为0.24～0.46wt％。
2.根据权利要求1所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金中，非晶占比为99～100wt％。
3.根据权利要求1或2所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的形状为条带状。
4.根据权利要求3所述的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的宽度为43～47mm，厚度为22～27μm。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将铁源、硅源、硼源、铝源及锂源按照化学计量比混合以进行熔炼，得到所述铁基非晶合金。
6.根据权利要求5所述的铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，所述铁源选自铁粉、铁片或铁颗粒中的一种或多种；所述硅源选自硅颗粒和/或硅片；所述硼源选自硼粉和/或硼颗粒；所述铝源选自铝锂合金颗粒、铝颗粒或铝丝中的一种或多种；所述锂源为铝锂合金颗粒。
7.根据权利要求5或6所述的铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼在高频感应炉中进行；所述熔炼过程中，熔炼温度为1200～1400℃，熔炼时间为1～2h。
8.根据权利要求7所述的铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，在所述熔炼之后，所述制备方法还包括以下步骤：
采用单辊旋淬法将所述铁基非晶合金制成条带状铁基非晶合金。
9.根据权利要求8所述的铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，所述单辊旋淬过程中的线速度为30～60m/s，压力为0.03～0.1MPa。
10.一种权利要求1至4中任一项所述的铁基非晶合金，或者由权利要求5至9中任一项所述的铁基非晶合金的制备方法制备得到的铁基非晶合金作为电感器、变压器或电机中定子铁芯或转子铁芯的应用。
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