CN116895417A - 一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法与应用，所述铁基纳米晶软磁合金的化学式为：FeSiaBbCucNbdMe；式中，M为Zr、Co或Ce中的至少两种的组合；下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分比，且a、b、c、d分别大于0at％，0at％＜e≤0.5at％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过对传统Fe‑Si‑B‑Cu‑Nb系的铁基纳米晶材料进行组分优化设计，所得铁基纳米晶软磁合金兼具良好的磁学性能和力学性能，即便应用于低频领域也不存在性能过剩的问题，可用于大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，涉及一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法与应用。
背景技术
目前，新型高性能软磁材料的应用促进了剩余电流互感器朝着体积小型化的方向发展，这一类互感器在剩余电流保护器领域中得到了广泛应用。高性能剩余电流互感器主要由镍基的坡莫合金或Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料制成，经过合理的工艺制备所得互感器铁芯具有极高的磁导率、低矫顽力。高性能互感器铁芯不仅能够在较低漏电电流输入的条件下感应出较高的电动势，还具备良好的温度适应性及耐大电流冲击性。高灵敏度剩余电流保护器的核心部件便是剩余电流互感器。
然而，纳米晶型软磁材料也有其缺点。一方面，其性能对成分具有较高的依赖性；另一方面，其配套的甩带制备方法加上其高Si含量的设计为其工业化应用带来了不少挑战。典型的纳米晶软磁材料存在如下问题：①批量应用时性能波动大，导致出品率波动；②工艺窗口敏感，往往需要一批次一工艺微调，容错率低；③生产使用性能差，无法配合工艺流程实现高程度的自动化。
上述问题的核心原因在于现有技术一味地追求高磁导率和高频使用性能，而在低频技术领域的应用往往并不需要十分极限的性能，大批量的工业化生产，要求纳米级软磁材料兼顾较高磁学性能与极佳的可加工性。
由此可见，如何提供一种纳米晶软磁材料，兼具良好的磁学性能和力学性能，实现大规模工业化生产，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法与应用，通过对传统Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料进行组分优化设计，所得铁基纳米晶软磁合金兼具良好的磁学性能和力学性能，即便应用于低频领域也不存在性能过剩的问题，可用于大规模工业化生产。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种铁基纳米晶软磁合金，所述铁基纳米晶软磁合金的化学式为：FeSiaBbCucNbdMe。
式中，M为Zr、Co或Ce中的至少两种的组合，例如可以是Zr与Co的组合，Co与Ce的组合，Zr与Ce的组合，或Zr、Co与Ce的组合。
下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分比，且a、b、c、d分别大于0at％，0at％＜e≤0.5at％，余量为Fe及不可避免的杂质。
示例性地，下标e可以是0.05at％、0.1at％、0.15at％、0.2at％、0.25at％、0.3at％、0.35at％、0.4at％、0.45at％或0.5at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，下标e仅仅指代对应单一合金元素的原子百分比，即当M为至少两种元素的组合时，每一种M元素的原子百分比均满足小于或等于0.5at％，而非指代多种M元素的原子百分比之和。
本发明通过对传统Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料进行组分优化设计，掺杂特定含量的Zr、Co或Ce中的至少两种的组合，其中，Zr作为Cu的结晶核心，有利于纳米晶相的充分析出，从而进一步促进了α-Fe颗粒呈现均匀分布；Co提高了居里点，使得合金具有更高的韧性；Ce与残余氧进行结合，促进了纳米相的均匀分布，提升了形核率，抑制了晶粒不稳定长大。上述多种合金元素发挥协同作用，最终使得铁基纳米晶软磁合金兼具良好的磁学性能和力学性能，即便应用于低频领域也不存在性能过剩的问题，可用于大规模工业化生产。
可选地，所述合金元素的原子百分比满足以下条件：
14at％≤a≤16at％，7.5at％≤b≤8.5at％，0.7at％≤c≤1at％，2at％≤d≤2.5at％，例如可以是a＝14at％、14.5at％、15at％、15.5at％或16at％，b＝7.5at％、7.6at％、7.8at％、8at％、8.2at％、8.4at％或8.5at％，c＝0.7at％、0.75at％、0.8at％、0.85at％、0.9at％、0.95at％或1at％，d＝2at％、2.1at％、2.2at％、2.3at％、2.4at％或2.5at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
可选地，所述M包括Zr，所述Zr元素的原子百分比e≤0.03at％，例如可以是0.005at％、0.01at％、0.015at％、0.02at％、0.025at％或0.03at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
可选地，所述M包括Co，所述Co元素的原子百分比e≤0.5at％，例如可以是0.05at％、0.1at％、0.15at％、0.2at％、0.25at％、0.3at％、0.35at％、0.4at％、0.45at％或0.5at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
可选地，所述M包括Ce，所述Ce元素的原子百分比e≤0.025at％，例如可以是0.005at％、0.01at％、0.015at％、0.02at％或0.025at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明在对传统Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料进行特定种类元素协同掺杂的基础上，进一步限定了每一种元素的含量，避免了元素掺杂过多对合金性能的不利影响。
具体地，当Si元素过多时，合金脆性升高，不利于生产；当B元素过多时，合金经过晶化退火处理后的剩磁增大，从而影响互感器的稳定、可靠运行及准确计量、测量；当Cu元素过多时，影响微观纳米晶结构的顺利形成；当Nb元素过多时，原料价格升高，制造成本大幅提升，且容易造成性能过剩；当Zr元素过多时，过量的Zr与Cu之间的共存会导致饱和磁化强度降低，且在工业制备过程中需要更为严格的气氛保护；当Co元素过多时，原料价格升高，制造成本大幅提升，且在工业制备过程中需要更高的热稳定性；当Ce元素过多时，影响微观纳米晶结构的顺利形成，且制备过程中产生的熔渣影响冶炼效果。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
制备铁基非晶态带材；
将所述铁基非晶态带材卷绕成磁环；
按照预设的工艺参数对所述磁环进行退火晶化处理，得到铁基纳米晶软磁合金。
示例性地，本发明在真空炉中对磁环进行退火晶化处理，且在处理之前依次进行抽真空和洗气步骤，以去除环境中的氧气，避免合金元素在晶化处理过程中产生氧化。
可选地，所述制备铁基非晶态带材，包括：
在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照预设的冷却速率进行冷却，得到预设尺寸的铁基非晶态带材。
本发明中，所述单辊甩带处理为本领域常规使用的带材制备方法，只要能够实现铁基非晶态带材的制备即可，故在此不对其具体流程做特别限定。
可选地，所述预设的冷却速率大于或等于104K/s，以缩短冷却时间，提高处理效率。
可选地，所述铁基非晶态带材的预设尺寸包括：厚度为20-40μm，宽度为15-20mm。
可选地，所述磁环的规格包括：内径为10-15mm、外径为20-25mm、高度为15-20mm和/或叠片系数大于或等于0.83。
可选地，所述预设的工艺参数包括：向真空炉中通入氮气和/或惰性气体作为保护气体，在360-380℃保温30-60min、升温至460-480℃保温60-80min，在545-560℃晶化处理60-90min，在15-25min内冷却至小于或等于300℃，随炉冷却至室温后出炉。示例性地，所述惰性气体包括氦气和/或氩气。
其中，晶化处理的温度为545-560℃，例如可以是545℃、548℃、550℃、552℃、555℃、558℃或560℃，晶化处理的时间为60-90min，例如可以是60min、65min、70min、75min、80min、85min或90min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述退火晶化处理的温度及时间对铁基纳米晶软磁合金的磁学性能和力学性能均影响显著。当晶化处理的温度过低或时间过短时，晶化程度不完全，含有较多的非晶相，导致合金硬度上升，内应力增大，塑性变差，同时还会导致所得合金的磁性能不足或不稳定；当晶化处理的温度过高或时间过长时，晶粒尺寸异常粗大，严重影响合金的软磁性能及高温环境下的服役性能。
不同于现有技术中的退火晶化处理，本发明提供的处理方法不仅工艺流程简单，可操作性强，而且适配于多种类型的带材，普适性好，有利于大规模推广应用。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述铁基纳米晶软磁合金的应用，所述铁基纳米晶软磁合金用于制作剩余电流互感器。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过对传统Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料进行组分优化设计，掺杂特定含量的Zr、Co或Ce中的至少两种的组合，借助合金元素之间的协同作用，最终使得铁基纳米晶软磁合金兼具良好的磁学性能和力学性能，即便应用于低频领域也不存在性能过剩的问题，可用于大规模工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
第一方面，本发明的实施例提供一种铁基纳米晶软磁合金，所述铁基纳米晶软磁合金的化学式为：FeSiaBbCucNbdMe。式中，M为Zr、Co或Ce中的至少两种的组合，例如可以是Zr与Co的组合，Co与Ce的组合，Zr与Ce的组合，或Zr、Co与Ce的组合。下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分比，且a、b、c、d分别大于0at％，0at％＜e≤0.5at％，余量为Fe及不可避免的杂质，例如下标e可以是0.05at％、0.1at％、0.15at％、0.2at％、0.25at％、0.3at％、0.35at％、0.4at％、0.45at％或0.5at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在某些实施例中，所述合金元素的原子百分比满足以下条件：
14at％≤a≤16at％，7.5at％≤b≤8.5at％，0.7at％≤c≤1at％，2at％≤d≤2.5at％，例如可以是a＝14at％、14.5at％、15at％、15.5at％或16at％，b＝7.5at％、7.6at％、7.8at％、8at％、8.2at％、8.4at％或8.5at％，c＝0.7at％、0.75at％、0.8at％、0.85at％、0.9at％、0.95at％或1at％，d＝2at％、2.1at％、2.2at％、2.3at％、2.4at％或2.5at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在某些实施例中，所述M包括Zr，所述Zr元素的原子百分比e≤0.03at％，例如可以是0.005at％、0.01at％、0.015at％、0.02at％、0.025at％或0.03at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在某些实施例中，所述M包括Co，所述Co元素的原子百分比e≤0.5at％，例如可以是0.05at％、0.1at％、0.15at％、0.2at％、0.25at％、0.3at％、0.35at％、0.4at％、0.45at％或0.5at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在某些实施例中，所述M包括Ce，所述Ce元素的原子百分比e≤0.025at％，例如可以是0.005at％、0.01at％、0.015at％、0.02at％或0.025at％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明的实施例提供一种如第一方面所述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1：制备铁基非晶态带材。
在某些实施例中，在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照预设的冷却速率进行冷却，得到预设尺寸的铁基非晶态带材。
在某些实施例中，所述预设的冷却速率大于或等于104K/s，例如可以是104K/s、5×104K/s、105K/s、5×105K/s、106K/s或5×106K/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在某些实施例中，所述铁基非晶态带材的预设尺寸包括：厚度为20-40μm，宽度为15-20mm。
示例性地，所述厚度可以是20μm、22μm、24μm、26μm、28μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm或40μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
示例性地，所述宽度可以是15mm、15.5mm、16mm、16.5mm、17mm、17.5mm、18mm、18.5mm、19mm、19.5mm或20mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
步骤2：将所述铁基非晶态带材卷绕成磁环。
在某些实施例中，所述磁环的规格包括：内径为10-15mm、外径为20-25mm、高度为15-20mm和/或叠片系数大于或等于0.83。
示例性地，所述内径可以是10mm、10.5mm、11mm、11.5mm、12mm、12.5mm、13mm、13.5mm、14mm、14.5mm或15mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
示例性地，所述外径可以是20mm、20.5mm、21mm、21.5mm、22mm、22.5mm、23mm、23.5mm、24mm、24.5mm或25mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
示例性地，所述高度可以是15mm、15.5mm、16mm、16.5mm、17mm、17.5mm、18mm、18.5mm、19mm、19.5mm或20mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
示例性地，所述叠片系数可以是0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88、0.89或0.90，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
步骤3：按照预设的工艺参数对所述磁环进行退火晶化处理，得到铁基纳米晶软磁合金。
示例性地，本发明在真空炉中对磁环进行退火晶化处理，且在处理之前依次进行抽真空和洗气步骤，以去除环境中的氧气，避免合金元素在晶化处理过程中产生氧化。
为了便于表述本发明实施例所述预设的工艺参数，所述预设的工艺参数包括：向真空炉中通入氮气和/或惰性气体作为保护气体，在第一温度保温第一时间、升温至第二温度保温第二时间，在第三温度晶化处理第三时间，在第四时间内冷却至小于或等于300℃，随炉冷却至室温后出炉。
示例性地，所述惰性气体包括氦气和/或氩气。
所述第一温度为360-380℃，例如可以是360℃、362℃、364℃、366℃、368℃、370℃、372℃、374℃、376℃、378℃或380℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第二温度为460-480℃，例如可以是460℃、462℃、464℃、466℃、468℃、470℃、472℃、474℃、476℃、478℃或480℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第一时间为30-60min，例如可以是30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第二时间为60-80min，例如可以是60min、62min、64min、66min、68min、70min、72min、74min、76min、78min或80min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第三温度为545-560℃，例如可以是545℃、548℃、550℃、552℃、555℃、558℃或560℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第三时间为60-90min，例如可以是60min、65min、70min、75min、80min、85min或90min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述第四时间为15-25min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min或25min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
示例性地，冷却至小于或等于300℃，例如可以是50℃、100℃、150℃、200℃、250℃或300℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明的实施例提供一种如第一方面所述铁基纳米晶软磁合金的应用，所述铁基纳米晶软磁合金用于制作剩余电流互感器。
本发明的实施例通过对传统Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料进行组分优化设计，掺杂特定含量的Zr、Co或Ce中的至少两种的组合，借助合金元素之间的协同作用，最终使得铁基纳米晶软磁合金兼具良好的磁学性能和力学性能，即便应用于低频领域也不存在性能过剩的问题，可用于大规模工业化生产。
上述限定只是为了更好地说明本发明的技术方案，不应视为对技术方案的进一步限定。
实施例1
本实施例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe75.36Si14B7.5Cu0.7Nb2Co0.4Ce0.025，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe75.36at％，Si 14at％，B 7.5at％，Cu0.7at％，Nb 2at％，Co 0.4at％，Ce 0.025at％，余量(1.5at％)为不可避免的杂质。
本实施例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照104K/s的冷却速率进行冷却，得到厚度为30μm，宽度为17mm的铁基非晶态带材；
将所述铁基非晶态带材卷绕成内径为13mm，外径为23mm，高度为17mm，叠片系数等于0.92的磁环；
将所述磁环放入真空炉中，并依次进行抽真空和洗气步骤，通入纯度为99.999％的氮气作为保护气体，在360℃保温30min、升温至480℃保温60min，在545℃晶化处理90min，在15min内冷却至300℃，随炉冷却至室温后出炉，即得铁基纳米晶软磁合金Fe75.36Si14B7.5Cu0.7Nb2Co0.4Ce0.025。
实施例2
本实施例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe71.48Si16B8.5CuNb2.5Zr0.02Co0.5，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe 71.48at％，Si 16at％，B 8.5at％，Cu1at％，Nb 2.5at％，Zr 0.02at％，Co 0.5at％。
本实施例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照104K/s的冷却速率进行冷却，得到厚度为30μm，宽度为17mm的铁基非晶态带材；
将所述铁基非晶态带材卷绕成内径为13mm，外径为23mm，高度为17mm，叠片系数等于0.92的磁环；
将所述磁环放入真空炉中，并依次进行抽真空和洗气步骤，通入纯度为99.999％的氮气作为保护气体，在380℃保温60min、升温至460℃保温60min，在560℃晶化处理80min，在25min内冷却至300℃，随炉冷却至室温后出炉，即得铁基纳米晶软磁合金Fe71.56Si16B8.5CuNb2.5Zr0.02Co0.5。
实施例3
本实施例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe72.76Si15.1B8.2CuNb2.5Zr0.03Ce0.02，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe72.76at％，Si 15.1at％，B 8.2at％，Cu1at％，Nb 2.5at％，Zr 0.03at％，Ce 0.02at％，余量(0.39at％)为不可避免的杂质。
本实施例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照104K/s的冷却速率进行冷却，得到厚度为30μm，宽度为17mm的铁基非晶态带材；
将所述铁基非晶态带材卷绕成内径为13mm，外径为23mm，高度为17mm，叠片系数等于0.92的磁环；
将所述磁环放入真空炉中，并依次进行抽真空和洗气步骤，通入纯度为99.999％的氮气作为保护气体，在380℃保温30min、升温至480℃保温80min，在550℃晶化处理70min，在20min内快速冷却至300℃，随炉冷却至室温后出炉，即得铁基纳米晶软磁合金Fe72.76Si15.1B8.2CuNb2.5Zr0.03Ce0.02。
实施例4
本实施例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe71.955Si16B8.5Cu0.8Nb2.3Zr0.02Co0.4Ce0.025，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe71.955at％，Si 16at％，B8.5at％，Cu 0.8at％，Nb 2.3at％，Zr 0.02at％，Co 0.4at％，Ce 0.025at％。
本实施例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照104K/s的冷却速率进行冷却，得到厚度为30μm，宽度为17mm的铁基非晶态带材；
将所述铁基非晶态带材卷绕成内径为13mm，外径为23mm，高度为17mm，叠片系数等于0.92的磁环；
将所述磁环放入真空炉中，并依次进行抽真空和洗气步骤，通入纯度为99.999％的氮气作为保护气体，在370℃保温30min、升温至480℃保温70min，在555℃晶化处理60min，在20min内冷却至300℃，随炉冷却至室温后出炉，即得铁基纳米晶软磁合金Fe71.96Si16B8.5Cu0.8Nb2.3Zr0.02Co0.4Ce0.025。
对比例1
本对比例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe75.4Si14B7.5Cu0.7Nb2Co0.4，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe 75.4at％，Si14at％，B 7.5at％，Cu 0.7at％，Nb2at％，Co 0.4at％。
本对比例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，除了将熔炼态母合金中各合金元素的种类及其原子百分比进行适应性调整，其余步骤及条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
对比例2
本对比例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe71.98Si16B8.5CuNb2.5Zr0.02，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe 71.98at％，Si 16at％，B 8.5at％，Cu 1at％，Nb2.5at％，Zr 0.02at％。
本对比例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，除了将熔炼态母合金中各合金元素的种类及其原子百分比进行适应性调整，其余步骤及条件均与实施例2相同，故在此不做赘述。
对比例3
本对比例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe73.18Si15.1B8.2CuNb2.5Ce0.02，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe 73.18at％，Si15.1at％，B 8.2at％，Cu 1at％，Nb 2.5at％，Ce 0.02at％。
本对比例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，除了将熔炼态母合金中各合金元素的种类及其原子百分比进行适应性调整，其余步骤及条件均与实施例3相同，故在此不做赘述。
对比例4
本对比例提供一种铁基纳米晶软磁合金，其化学式为：Fe72.4Si16B8.5Cu0.8Nb2.3，即其中各合金元素的原子百分比为：Fe 72.4at％，Si16at％，B 8.5at％，Cu 0.8at％，Nb2.3at％。
本对比例还提供一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，除了将熔炼态母合金中各合金元素的种类及其原子百分比进行适应性调整，其余步骤及条件均与实施例4相同，故在此不做赘述。
性能测试
将实施例1-4与对比例1-4所得铁基纳米晶软磁合金制成的磁环分别串入通交流50Hz电流的主边和副边回路，当主边42mA匝时，副边1匝，并联0.21Ω的电阻时，测得初始磁导率、最大磁导率及副边输出电压见下表1。
表1
由表1可知：对比例1在实施例1的基础上仅掺杂元素Co，对比例2在实施例2的基础上仅掺杂元素Zr，对比例3在实施例3的基础上仅掺杂元素Ce，对比例4在实施例4的基础上并不进行元素掺杂，且通过调变元素Fe的含量控制各对比例与相应实施例的其余元素含量相一致，最终对比例1-3所得磁环的电磁性能均不及对应的实施例1-3，而高硅硼含量的对比例4由于缺少与限定成分的耦合，则表现出过高的磁性能。
此外，本发明对上述磁环分别进行力学性能相关测试，具体的测试条件为：测量弯曲韧性的试验样长度为2000mm的连续带材，自由面向内，沿带材铸造方向每隔100mm对折，对折线垂直于铸造方向，用一对宽度大于试样宽度的金属平板将对折线压紧，直至金属平板之间的间隙等于试样最大厚度的2倍，共计对折19个点，观察对折线上是否有目视可见的开裂，记录开裂的对折线数量。相关测试结果见下表2。
表2
由表2可知：对比例1-4所得磁环的力学性能均明显不及对应的实施例1-4，且尤以对比例4所得磁环的力学性能最差。
由此可见，本发明通过对传统Fe-Si-B-Cu-Nb系的铁基纳米晶材料进行组分优化设计，掺杂特定含量的Zr、Co或Ce中的至少两种的组合，其中，Zr作为Cu的结晶核心，有利于纳米晶相的充分析出，从而进一步促进了α-Fe颗粒呈现均匀分布；Co提高了居里点，使得合金具有更高的韧性；Ce与残余氧进行结合，促进了纳米相的均匀分布，提升了形核率，抑制了晶粒不稳定长大。上述多种合金元素发挥协同作用，最终使得铁基纳米晶软磁合金兼具良好的磁学性能和力学性能，即便应用于低频领域也不存在性能过剩的问题，可用于大规模工业化生产。
本发明中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述铁基纳米晶软磁合金的化学式为：FeSiaBbCucNbdMe；
式中，M为Zr、Co或Ce中的至少两种的组合；
下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分比，且a、b、c、d分别大于0at％，0at％＜e≤0.5at％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述合金元素的原子百分比满足以下条件：
14at％≤a≤16at％，7.5at％≤b≤8.5at％，0.7at％≤c≤1at％，2at％≤d≤2.5at％。
3.根据权利要求2所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述M包括Zr，所述Zr元素的原子百分比e≤0.03at％。
4.根据权利要求2所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述M包括Co，所述Co元素的原子百分比e≤0.5at％。
5.根据权利要求2所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述M包括Ce，所述Ce元素的原子百分比e≤0.025at％。
6.一种如权利要求1-5任一项所述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
制备铁基非晶态带材；
将所述铁基非晶态带材卷绕成磁环；
按照预设的工艺参数对所述磁环进行退火晶化处理，得到铁基纳米晶软磁合金。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备铁基非晶态带材，包括：
在大气环境中，将包含所述合金元素的熔炼态母合金进行单辊甩带处理，按照预设的冷却速率进行冷却，得到预设尺寸的铁基非晶态带材；
其中，所述预设的冷却速率大于或等于104K/s；所述铁基非晶态带材的预设尺寸包括：厚度为20-40μm，宽度为15-20mm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磁环的规格包括：内径为10-15mm、外径为20-25mm、高度为15-20mm和/或叠片系数大于或等于0.83。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述预设的工艺参数包括：向真空炉中通入氮气和/或惰性气体作为保护气体，在360-380℃保温30-60min、升温至460-480℃保温60-80min，在545-560℃晶化处理60-90min，在15-25min内冷却至小于或等于300℃，随炉冷却至室温后出炉。
10.一种如权利要求1-5任一项所述铁基纳米晶软磁合金的应用，其特征在于，所述铁基纳米晶软磁合金用于制作剩余电流互感器。
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