CN116168914B - 一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纳米晶软磁合金，所述纳米晶软磁合金的化学式为FeaSibBcNbdCueAlfMg，M为稀土元素Ce或Gd中的一种；其中，a+b+c+d+e+f+g＝100，74≤a≤80，10≤b≤12，4≤c≤6，1≤d≤3，0.5≤e≤1.5，0.5≤f≤2.5，0.5≤g≤2.5。本发明还公开了上述纳米晶软磁合金其制备方法和应用。本发明公开的纳米晶软磁合金限定了软磁合金的组成，同时在高温热处理的基础上加入微刻痕技术，进一步改善带材的磁畴结构，降低铁损，优化合金的软磁性能，其应用于高频变压器或无线充电时具有优异的效果。
Description
技术领域
本发明涉及磁性功能材料领域，具体涉及一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用。
背景技术
随着全球变暖、能源危机，全世界都在推行能源管理措施以改善环境质量，我国也提出“双碳”政策，以降低碳排放，引导绿色技术创新，提高产业和经济全球竞争力。在电力电子领域，则要求高端感抗类磁性元器件不断向大容量、小型化、高频率、低损耗方向发展。传统软磁材料如硅钢，由于磁特性主要由磁晶各向异性决定，且厚度较大(＞50μm)，适合于中低频应用，而在高频下应用时其损耗会急剧升高。
铁基纳米晶合金是一种新型的软磁材料，由Yoshizawa等在1988年首次报道，其标准成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，并以商标牌号Finemet获得专利。该合金一问世就凭借高磁导率、低矫顽力、低损耗开启了新型软磁材料的大门。但由于饱和磁感应强度较低，研发人员也在不断改进。
中国专利文献CN102412045A公开了一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于该合金的成分组成由化学式表示为FegSiaPbCcCudMneAlf，该合金因不含有B、Nb、Co等价格昂贵的金属，因此成本较低，且经过最佳热处理后，合金饱和磁感应强度能达到1.71T，矫顽力最低为0.9A/m，软磁性能优异。但由于此合金不含大尺寸元素金属，在热处理工程中极易发生晶核过度长大，引发软磁性能恶化，因此对热处理工艺要求高。
中国专利文献CN103060722A公开了一种铁基非晶或纳米晶软磁合金，合金成分可表述为FeaSibBcCudNbeMf，M为Mo或W或Cr，其利用单辊甩带法制备出非晶带后，再将薄带置入真空退火炉中退火，制备的铁基非晶或纳米晶具有1.564T的高饱和磁感应强度和1.2A/mm的低矫顽力，但这种纳米晶合金没有考虑利用磁场热处理，软磁性能还有提高的空间。
研究发现，纳米晶软磁合金饱和磁感应强度主要由铁磁性元素决定，类金属元素决定了其非晶形成能力，提高了饱和磁感应强度的同时，矫顽力和损耗也会同时提高，从而恶化磁性能，因此饱和磁感应强度与低损耗呈相互制约的关系，因此开发出一种维持高饱和磁感应强度，同时具有低矫顽力、低损耗的纳米晶软磁合金，具有良好的应用前景。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术难以兼顾高饱和磁感应强度与低损耗的缺陷，从而提供一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用。
为此，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种纳米晶软磁合金，所述纳米晶软磁合金的化学式为FeaSibBcNbdCueAlfMg，M为稀土元素Ce或Gd中的一种；
其中，所述a、b、c、d、e、f、g为对应元素的原子百分数，a+b+c+d+e+f+g＝100，74≤a≤80，10≤b≤12，4≤c≤6，1≤d≤3，0.5≤e≤1.5，0.5≤f≤2.5，0.5≤g≤2.5。
优选地，76≤a≤80，10≤b≤12，4≤c≤6，1≤d≤3，0.5≤e≤1.5，1≤f≤2，1≤g≤2。
本发明还提供上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括熔炼、快淬、磁场热处理和微刻痕；
所述磁场热处理包括去应力阶段和纳米晶化阶段。
进一步地，所述去应力阶段为，将快淬后降温至常温的合金以40～60℃/min的速度升温至350～450℃，保温20～40min，在保温时加入磁场强度为40～60mT的横向磁场；
所述纳米晶化阶段为将保温后的合金以80～120℃/min升温至520～580℃，保温10～30min后带材随炉冷却至200℃取出，所述纳米晶化阶段全程加入磁场强度为40～60mT的横向磁场。
所述微刻痕为通过激光磁畴细化系统在经过热处理后的带材上进行刻痕，带材刻痕沟槽宽度为10～50nm，刻痕沟槽的深度为20～50nm，相邻两刻痕沟槽的间隔为1～10mm；考虑到微刻痕技术对带材的铁损受多个因素的影响，如激光器件、刻痕工艺等，本发明采用低功率YAG激光器进行微刻痕实验，同时利用氩气作为泵浦源介质，有效提高了激光器的效率和寿命，通过调节脉冲频率改变脉冲能量，在200Hz～1kHz的脉冲频率下，单脉冲能量可低于4mJ，易于控制刻痕沟槽的宽度、深度；通过调节刻痕速度可以控制激光的移动轨迹，确定带材两沟槽间隔，刻痕速度在20～80mm/s范围内调节，刻痕沟槽的连续性会更好，带材表面无凹凸，平整光滑，磁畴更加细化。
优选地，带材刻痕沟槽宽度为20～30nm，刻痕沟槽的深度为30～50nm，相邻两刻痕沟槽的间隔为3～5mm。
本发明还提供上述纳米晶软磁合金在高频变压器或无线充电的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
(1)在本发明中，对于制备纳米晶软磁合金的非晶前驱体带材成分的化学式为：FeaSibBcNbdCueAlfMg，M为稀土元素Ce或Gd。a、b、c、d、e、f、g为对应元素的原子百分数，a+b+c+d+e+f+g＝100，74≤a≤80，10≤b≤12，4≤c≤6，1≤d≤3，0.5≤e≤1.5，0.5≤f≤2.5，0.5≤g≤2.5，实验发现元素用量在此范围内合金整体性能处于最优状态，高于或低于这个范围性能会出现恶化。其中，Al元素的添加，有助于提高合金的非晶形成能力，Ce或Gd稀土元素较活泼，相比于其他稀土元素，更容易与合金中硫、氧等杂质元素反应生成化合物上浮到渣中，同时在材料表面形成一层致密的氧化膜，微量Cu元素的添加，也会提高氧化膜的致密性和均匀性，从而提高了合金的耐腐蚀性，不易被激光损坏结构，同时添加适量的稀土元素还可以有效地细化晶粒，使得该合金兼具高饱和磁感和低矫顽力以及低的损耗。
(2)本发明在热处理步骤分为两个阶段，去应力阶段温度未达到带材的结晶温度，可以在材料内部产生结构弛豫，增强材料的结构稳定性，未达到晶化温度施加的横向磁场有助于进一步改善材料的内应力，同时可以使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁畴壁发生移动，进而改善磁畴结构，提升材料的高频性能，在磁场强度为40～60mT时，磁畴结构表现得最均匀。
纳米晶化阶段中第二次保温温度需在一次结晶和二次结晶温度之间，在此期间非晶基体中会析出α-Fe晶粒。通过第一阶段的去应力，第二阶段晶粒内部没有残余应力，析出晶粒更加细小均匀，性能更加稳定，热处理后带材依然保持较好的韧性，对于之后的微刻痕处理有积极的作用。
(3)本发明在热处理后对带材进行微刻痕，刻痕的宽度和深度对于铁损的降低具有双向性，过小的话铁损变化不明显，过大的话会恶化纳米晶基体组织，甚至造成带材的断裂；而沟槽间隔也与脉冲能量存在交互作用，合适的间隔可细化磁畴结构，降低180°主磁畴宽度，从而在磁场热处理的基础上降低铁损，同时刻痕后由于磁畴间角度的减小，改善了带材磁致伸缩性能，降低了噪声。
(4)本发明限定了软磁合金的组成，同时在高温热处理的基础上加入微刻痕技术，进一步改善带材的磁畴结构，降低铁损，优化合金的软磁性能，最终制备出的纳米晶软磁合金饱和磁感Bs达到1.38T～1.46T，矫顽力为2.4A/m～3.1A/m，损耗为P1T/1kHz＝1.59W/kg～2.01W/kg，其应用于高频变压器或无线充电时具有优异的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中前驱体带材的X射线衍射图；
图2是本发明实施例1中前驱体带材的透射电子显微镜图；
图3是本发明实施例1中前驱体带材的磁畴结构图；
图4是本发明实施例1中微刻痕后的纳米晶软磁合金的磁畴结构图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。
实施例1
本实施例提供一种纳米晶软磁合金，其化学式为Fe79Si10B6Nb1Cu1Al1Ce2，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，如图1所示，可看出该带材呈完全的非晶态，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)，如图2所示，为通过透射电子显微镜观察纳米晶前驱体带材的微观结构，表现出随机取向的无序结构，和XRD结果一致。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到450℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到550℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为30nm，深度为40nm，两个相邻沟槽的间距为3mm。
图3和图4分别为实施例1中快淬后得到的前驱体带材和微刻痕后的纳米晶软磁合金的磁畴照片，可以看出，图3中的磁畴表现出不规则、多分支的磁畴结构，而经过横磁热处理以及微刻痕处理后，图4中的磁畴表现得平齐且光滑，降低180°主磁畴宽度，表现出良好的软磁性能。
实施例2
本实施例提供一种纳米晶软磁合金，其化学式为Fe80Si11B4Nb2Cu1Al1Ce1，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到460℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到560℃，保温30min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为40nm，深度为50nm，两个相邻沟槽的间距为3mm。
实施例3
本实施例提供一种纳米晶软磁合金，其化学式为Fe78Si11B5Nb2Cu1Al2Ce1，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到440℃，保温40min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到540℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为20nm，深度为30nm，两个相邻沟槽的间距为4mm。
实施例4
本实施例提供一种纳米晶软磁合金，其化学式为Fe76Si12B6Nb1Cu1Al2Gd2，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、钆铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到460℃，保温40min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到560℃，保温30min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为40nm，深度为40nm，两个相邻沟槽的间距为5mm。
实施例5
本实施例提供一种纳米晶软磁合金，其化学式为Fe77Si11B5Nb3Cu1Al2Gd1，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、钆铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到440℃，保温20min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到540℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为30nm，深度为30nm，两个相邻沟槽的间距为4mm。
对比例1
本对比例提供一种纳米晶软磁合金，和实施例1采用同样的合金成分，为Fe79Si10B6Nb1Cu1Al1Ce2，不同之处在于对比例不添加微刻痕步骤。所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本对比例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。随后，将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到450℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到550℃，保温30min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。
对比例2
本对比例提供一种纳米晶软磁合金，选用和实施例2同样的合金成分，为Fe80Si11B4Nb2Cu1Al1Ce1，不同之处在于对比例不添加微刻痕步骤。所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本对比例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。随后，将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到460℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到560℃，保温30min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。
对比例3
本对比例提供一种纳米晶软磁合金，，采用和实施例1不同的稀土元素，其成分为Fe79Si10B6Nb1Cu1Al1Nd2，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、钕铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到450℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到550℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为30nm，深度为40nm，两个相邻沟槽的间距为3mm。
对比例4
本对比例提供提供一种纳米晶软磁合金，和实施例1采用同样的合金成分，为Fe79Si10B6Nb1Cu1Al1Ce2，不同之处在于对比例通过修改微刻痕参数使刻痕过小，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到450℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到550℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为5nm，深度为8nm，两个相邻沟槽的间距为3mm。
对比例5
本对比例提供提供一种纳米晶软磁合金，和实施例1采用同样的合金成分，为Fe79Si10B6Nb1Cu1Al1Ce2，不同之处在于对比例通过修改微刻痕参数使刻痕过大，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到450℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到550℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，沟槽宽度为80nm，深度为100nm，两个相邻沟槽的间距为5mm。
对比例6
本对比例提供一种纳米晶软磁合金，和实施例1采用同样的合金成分，不同的是元素比例不同，其成分为Fe81Si7B3Nb1Cu2Al3Ce3，所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，退火分为两个阶段，先是50℃/min的速度快速升温到450℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，这是去应力阶段，接着100℃/min快速升温到550℃，保温20min，这是纳米晶化阶段，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为30nm，深度为40nm，两个相邻沟槽的间距为3mm。
对比例7
本对比例提供一种纳米晶软磁合金，和实施例1采用同样的合金成分，为Fe79Si10B6Nb1Cu1Al1Ce2，不同之处在于热处理方法不同。所需原材料包括工业纯铁、纯硅、硼铁合金、铌铁合金、纯铜、纯铝、铈铁合金均为市场采购，具体制备方法为：对原材料成分配比后利用感应熔炼炉制备出成分均匀的母合金，再利用单辊快淬法制备出厚度为14μm、宽度为130mm、横向厚度偏差小于±0.001mm的非晶前驱体带材。本实施例前驱体带材是否晶化用X射线衍射仪(XRD)观察，同时对照标准PDF卡片可对物相进行分析，如图1所示，可看出该带材呈完全的非晶态，带材的热力学分析利用差示扫描量热仪(DSC)，如图2所示，为通过透射电子显微镜观察纳米晶前驱体带材的微观结构，表现出随机取向的无序结构，和XRD结果一致。接着将非晶前驱体带材放入磁场热处理炉中，抽真空后冲入氮气保护，以10℃/min的速度慢速升温到550℃，保温30min，保温开始的同时施加横向磁场，使带材的易磁化方向与磁场方向一致，磁场强度为50mT，保温结束后降温至200℃关闭磁场将带材取出。热处理后对纳米晶带材进行微刻痕处理，采用低功率YAG激光器对前驱体带材自由面进行刻痕，通过调节脉冲频率、刻痕速度等参数，形成均匀的平行沟槽，沟槽宽度为30nm，深度为40nm，两个相邻沟槽的间距为3mm。
试验例
对实施例和对比例得到的纳米晶软磁合金带材使用振动样品磁强计(VSM)测量带材的饱和磁感应强度，使用交直流B-H仪测量带材的矫顽力和损耗，如表1所示。
表1实施例1～5和对比例1～7测试结果
由表1可知，对比例1、2相比于实施例1、2，无微刻痕处理的带材软磁性能不如加入微刻痕处理后带材的性能，这是因为微刻痕可以在热处理的基础上进一步细化磁畴，降低铁损，提高带材性能；对比例3相比于实施例1，从软磁性能上看，添加Nd元素的带材稍弱于Ce元素的带材，这是因为Ce或Gd稀土元素相比于其他稀土元素，更容易在材料表面形成一层致密的氧化膜，从而提高了合金的耐腐蚀性，确保不被激光损坏结构；对比例4相比于实施例1，微刻痕处理时过小，可以看出，过小的话软磁性能和对比例1接近，没有太大的变化，其性能不如实施例1；对比例5相比于实施例1，微刻痕处理时过大，会恶化纳米晶基体组织，带材表现为较脆易断，性能明显低于实施例1；对比例6相比于实施例1，元素比例不同导致带材性能较差，说明元素用量在本发明提出的合适的范围内合金整体性能才能处于最优状态；对比例7相比于实施例1，热处理采用传统的热处理方式，但其对于材料内应力和磁畴的改善不如实施例1，进而影响后续微刻痕处理后带材的软磁性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，包括熔炼、快淬、磁场热处理和微刻痕；
所述磁场热处理包括去应力阶段和纳米晶化阶段；
所述去应力阶段为，将快淬后降温至常温的合金以40～60℃/min的速度升温至350～450℃，保温20～40min，在保温时加入磁场强度为40～60mT的横向磁场；
所述纳米晶化阶段为将保温后的合金以80～120℃/min升温至520～580℃，保温10～30min后带材随炉冷却至200℃取出，所述纳米晶化阶段全程加入磁场强度为40～60mT的横向磁场；
所述纳米晶软磁合金的化学式为FeaSibBcNbdCueAlfMg，M为稀土元素Ce或Gd中的一种；
其中，所述a、b、c、d、e、f、g为对应元素的原子百分数，a+b+c+d+e+f+g＝100，74≤a≤80，10≤b≤12，4≤c≤6，1≤d≤3，0.5≤e≤1.5，0.5≤f≤2.5，0.5≤g≤2.5。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微刻痕为通过激光磁畴细化系统在经过热处理后的合金上进行刻痕，刻痕沟槽宽度为10～50nm，刻痕沟槽的深度为20～50nm，相邻两刻痕沟槽的间隔为1～10mm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述刻痕沟槽宽度为20～30nm，刻痕沟槽的深度为30～50nm，相邻两刻痕沟槽的间隔为3～5mm。
4.权利要求1-3任一项制备方法得到的纳米晶软磁合金在高频变压器或无线充电的应用。
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