CN117026112A - 一种铁基非晶软磁合金及其应用 - Google Patents

一种铁基非晶软磁合金及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁基非晶软磁合金及其应用，涉及磁性材料技术领域。所述铁基非晶软磁合金的化学式为：FemCoxM100‑m‑x，其中，m和x分别表示Fe和Co的原子百分含量，m≠0，x≠0，M选自Si、B和C中的至少一种，100‑m‑x>0。本发明通过在铁基非晶软磁合金材料中增加Co元素，以提高饱和磁感应强度，解决现有技术中存在的铁基非晶软磁合金材料饱和磁感应强度低的问题。本发明铁基非晶软磁合金的饱和磁感应强度可以达到1.73T。

Description

一种铁基非晶软磁合金及其应用
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，特别涉及一种铁基非晶软磁合金及其应用。
背景技术
现有技术中铁基非晶软磁合金的饱和磁感应强度较低，为了提高饱和磁感应强度，通常采用如下的方法，但也都存在一定的缺陷，具体为：1.采用其他合金元素在铁基非晶软磁合金中来进行替代，但存在矫顽力较大和/或脆性高容易碎裂的问题，因而无法满足实际使用的需求；2.通过铁基非晶软磁合金在制备过程中采用渗碳的方法，可以获得较高的饱和磁感应强度，但是提高了生产成本，而且铁基非晶软磁合金性能不稳定。
因此提高铁基非晶软磁合金的饱和磁感应强度是本领域技术人员所期望的，也是仍需继续探索研究的。
发明内容
本发明目的在于提供一种铁基非晶软磁合金及其应用，通过在铁基非晶软磁合金材料中增加Co元素，以提高饱和磁感应强度，解决现有技术中存在的铁基非晶软磁合金材料饱和磁感应强度低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种铁基非晶软磁合金，所述铁基非晶软磁合金的化学式为：FemCoxM100-m-x，其中，m和x分别表示Fe和Co的原子百分含量，m≠0，x≠0，M选自Si、B和C中的至少一种，100-m-x>0。
进一步地，所述FemCoxM100-m-x中，m+x＝80～85。
进一步地，所述铁基非晶软磁合金材料经磁场退火后，其矫顽力随Co元素原子百分含量的增加呈先上升、后下降、再上升的趋势。
进一步地，所述铁基非晶软磁合金材料经磁场退火后，其矫顽力随Co元素原子百分含量的增加呈先上升、后下降的趋势。
进一步地，所述铁基非晶软磁合金材料经普通退火后，其饱和磁感应强度随着Co元素原子百分含量的增加呈现先上升、后下降的趋势。
进一步地，所述FemCoxM100-m-x中，47≤m≤82，和/或0<x≤35。
更进一步地，所述FemCoxM100-m-x中，57≤m≤75，和/或0<x≤30。
更进一步地，所述FemCoxM100-m-x中，0<x≤25，或10≤x≤20，或14≤x≤17。
更进一步地，所述FemCoxM100-m-x中，M包括Si、B和C，Si元素的原子百分含量为1～4.7；B元素的原子百分含量为9～14；C元素的原子百分含量为0.5～1.3。
第二方面，本发明提供一种上述铁基非晶软磁合金的应用，所述应用为所述铁基非晶软磁合金在电力电子元器件上的应用。
本发明与现有技术相比具有如下有效效果：
1、本发明的铁基非晶软磁合金，具有非晶形成能力强、饱和磁感应强度高等特点，且采用本发明的铁基非晶软磁合金为原料可以制备不同形貌的型材，应用范围广。
2、采用本发明的铁基非晶软磁合金所制备的产品与现有技术产品相比较，具有非晶形成能力强、饱和磁感应强度高等特点。
附图说明
图1为本发明实施例1-3、实施例7-21以及对比例4-6所得铁基非晶软磁合金的Hc数值以及Fe82-xCoxSi4B13C1(x＝0-30)合金经NA\TA\LA三种退火方式后Hc随Co含量变化曲线；
图2为本发明实施例1、实施例7、实施例10、实施例13、实施例16、实施例19以及对比例4所得铁基非晶软磁合金的Bs；
图3为图2中放大区域的放大图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例来对本发明进一步说明。本发明的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过程，本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制，而本发明的保护范围也不限于下述的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例中未注明具体条件的工艺参数，通常按照常规条件进行。除非另有规定和/或说明，自始至终，所有涉及组分用量的数值均为“重量或质量的数值或比值”。除非特别说明，本发明中所用到的原料均能从市售商品中获取。
本发明中，所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。
根据本发明的第一个方面，一种铁基非晶软磁合金，所述铁基非晶软磁合金的化学式为：FemCoxM100-m-x，其中，m和x分别表示Fe和Co的原子百分含量，m≠0，x≠0，M选自Si、B和C中的至少一种，100-m-x>0。
本发明铁基非晶软磁合金中含有Fe和Co这两种必不可少的元素，Fe是获得高饱和磁通密度(饱和磁感应强度)的必需元素，Co通过与Fe的相互作用能够使得铁基非晶软磁合金的非晶形成能力变强，同时饱和磁通密度大幅上升。本发明通过在铁基非晶软磁合金材料中增加Co元素，以提高饱和磁感应强度，解决现有技术中存在的铁基非晶软磁合金材料饱和磁感应强度低的问题。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，m+x＝80～85(例如81、82、83、84等)。
发明人研究发现，通过控制Fe和Co这两种必不可少的元素的原子百分含量之和在80～85之间，可以得到最佳的饱和磁感应强度(1.73T)，该饱和磁感应强度较现有技术(FeSiBC合金的1.64T)有了显著的提高。
作为本发明一种可选实施方式，所得铁基非晶软磁合金材料经磁场退火后，其矫顽力(Hc)随Co元素原子百分含量的增加呈先上升、后下降的趋势。
作为本发明一种可选实施方式，所述铁基非晶软磁合金材料经磁场退火后，其矫顽力(Hc)随Co元素原子百分含量的增加呈先上升、后下降、再上升的趋势。
采用上述技术方案，可通过在不同元素比例组成的铁基非晶软磁合金中调整Co元素含量以使Hc矫顽力达到最低。
作为本发明一种可选实施方式，所述铁基非晶软磁合金材料经普通退火后，其饱和磁感应强度(Bs)随着Co元素原子百分含量的增加呈现先上升、后下降的趋势。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，47≤m≤82(例如48、52、56、60、64、68、72、76、80等)，0<x≤35(例如0.5、1、3、5、10、15、20、25、30、31、32、33、34等)。
本发明铁基非晶软磁合金中，Fe元素的原子百分含量满足：47≤Fe≤82，当Fe原子百分含量大于82时，铁磁性元素含量相对较高，导致合金的非晶形成能力降低。而在Fe原子百分含量小于47时，铁元素含量较低，导致饱和磁感应强度降低。
在本发明的铁基非晶软磁合金中，Co通过与Fe的相互作用使饱和磁通密度大幅上升。Co元素的原子百分含量满足：0<Co≤35，当Co元素的原子百分含量大于35时，会因为过饱和反而使得饱和磁通密度降低。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，57≤m≤75(例如58、60、62、64、66、68、70、72、74等)，和/或0<x≤30(例如2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28等)。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，64≤m≤70(例如65、66、67、68、69等)，和/或0<x≤25(例如1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23等)。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，10≤x≤20(例如11、12、13、14、15、16、17、18、19等)。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，14≤x≤17(例如14.5、15、15.5、16、16.5等)。
作为本发明一种可选实施方式，所述FemCoxM100-m-x中，M包括Si、B和C，Si元素的原子百分含量为1～4.7(例如1.1、1.3、1.5、1.7、1.9、2.1、2.3、2.5、2.7、2.9、3.1、3.3、3.5、3.7、3.9、4.1、4.3、4.5等)；B元素的原子百分含量为9～14；C元素的原子百分含量为0.5～1.3(例如0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2等)。
在本发明的铁基非晶软磁合金中，B元素的原子百分含量要满足：9≤B≤14，进一步的范围是11≤B≤14，进一步的范围是12≤B≤13，当B原子百分含量大于14时，合金的饱和磁感应强度降低，且非晶形成能力低。而在B原子百分含量小于9时，合金的热稳定性低。
Si元素的原子百分含量要满足：1≤Si≤4.7，进一步的范围是2≤Si≤4，进一步的范围是3≤Si≤4。当Si原子百分含量大于4.7时，合金的非晶形成能力变差，且饱和磁感应强度降低。当Si原子百分含量小于1时，合金的热稳定性低。
在本发明的铁基非晶软磁合金中，适量C原子可以提高饱和磁感应强度。当C原子百分含量大于1.3时，合金的非晶形成能力变差，软磁性能恶化。因此C原子百分含量要满足：0.5≤C≤1.3，进一步的范围是0.8≤C≤1.2，进一步的范围是0.9≤C≤1.1。
根据本发明的第二个方面，一种上述铁基非晶软磁合金的应用。
具体地，所述应用为铁基非晶软磁合金在电动机的铁芯、电感等电力电子元器件上的应用。
采用本发明的铁基非晶软磁合金所制备的产品与现有技术产品相比较，具有非晶形成能力强、饱和磁感应强度高等特点。
下面结合具体实施例和对比例对本发明作进一步详细地描述。
实施例1-45及对比例1-6
母合金的熔炼：依据各合金的成分进行配料，然后在氮气或/和氩气气体保护下，采用感应炉将母合金锭熔炼，破碎；
型材成材：将熔炼破碎好的母合金采用单辊法以29m/s的辊速制备出宽2.5±0.2mm、厚度在18～20μm的非晶薄带。
热处理：将非晶薄带卷绕成外径为22mm、内径为21mm的铁芯。在氮气保护下，将铁芯经360℃等温退火10分钟，将合金随炉冷却至200℃以下后，空冷至室温，得到铁基非晶软磁合金。
其中，各实施例所得合金的化学式以及制备时的具体退火方式(退火方式包括未退火以及NA普通退火、TA横磁退火和LA纵磁退火，其中，TA横磁退火和LA纵磁退火时，磁场的强度均为20-100mT)列举于表1中，各对比例所得合金的化学式以及制备时的具体退火方式亦列举于表1中，具体表1如下：
表1
性能测试
对上述实施例和对比例所得铁基非晶软磁合金进行饱和磁感应强度(Bs，T)、矫顽力(Hc，A/m)以及损耗(P，W/kg)进行测试，具体如下：
铁基非晶软磁合金的饱和磁感应强度Bs采用振动样品磁强计(VSM)进行测量，以磁场为10000Oe时的磁感应强度作为合金的饱和磁感应强度；
损耗测量采用TD 8150交流B-H测试仪，例如测试条件为磁感1.6T，频率为50Hz，记为P16/50；
矫顽力Hc采用TD 8150直流B-H磁滞回线仪测得。
本发明具体实施方式中以Fe82-xCoxSi4B13C1(x＝0-30)合金为例(实施例1-3、实施例7-21以及对比例4-6)就分别采用NA普通退火、TA横磁退火和LA纵磁退火工艺对铁基非晶软磁合金进行退火，其中退火温度选择360℃，退火时间为10分钟，在退火完成后，测试在不同Co含量下的铁基非晶软磁合金的Hc矫顽力的变化状态，具体如图1所示，图1中具体展示了本发明实施例1-3、实施例7-21以及对比例4-6所得铁基非晶软磁合金的Hc数值以及Fe82- xCoxSi4B13C1(x＝0-30)合金经NA\TA\LA三种退火方式后，Hc随Co含量变化曲线。
从图中可以看出，经NA普通退火后铁基非晶软磁合金中Hc矫顽力随Co元素含量增加呈上升趋势；但是经LA纵磁退火和TA横磁退火后，Hc矫顽力随Co元素含量增加呈现先增加后减小直至再增加的趋势，在Co元素含量从0-5之间呈上升趋势，Co元素含量从5-15之间呈下降趋势，Co元素含量从15-30之间呈上升趋势，其中Co元素含量15这个点为Hc矫顽力最低的点。
且其中LA纵磁退火后15at.％Co铁基非晶软磁合金的Hc为最低，说明LA纵磁退火处理极大程度消除了Co添加导致的矫顽力增大的影响。NA\TA\LA三种退火后15at.％Co铁基非晶软磁合金的Hc分别为10.30A/m，4.60A/m和3.30A/m。
本发明具体实施方式中以Fe82-xCoxSi4B13C1(x＝0-30)合金为例(实施例1、实施例7、实施例10、实施例13、实施例16以及实施例19)就360℃普通退火10分钟后的Bs曲线进行测试，测试磁场为10000Oe。从图2、3中可以看出，本发明实施例1、实施例7、实施例10、实施例13、实施例16以及实施例19所得的铁基非晶软磁合金Bs值均在1.6T以上。按照Co含量的增加，对比例4、实施例1、实施例7、实施例10、实施例13、实施例16以及实施例19所得的铁基非晶软磁合金的Bs分别为1.64T，1.69T，1.71T，1.73T，1.70T，1.67T，1.63T，整体呈现先上升后降低的趋势，这说明适量的Co添加有益于提高Bs。然而，在Co含量为30at.％时，Bs低于Co元素含量为0的铁基非晶软磁合金，因此优选Co含量范围为0<Co<30；在Co含量为25at.％时，Bs明显高于Co元素含量为0的铁基非晶软磁合金，因此进一步优选Co含量范围为0<Co≤25，Bs得到大幅提升；在Co含量为15at.％时达到最高，因此最优范围为14≤Co≤17。
在本发明具体实施方式中选取性能最佳的FeCoSiBC的五元合金(实施例1-3，7-45)并同时选取FeCoSiB四元合金(实施例4-6)，进行详细分析与测试，其测试方法如上所述，其测试所得性能指标如表2所示。
表2
本发明的非晶态合金的饱和磁感应强度Bs较高。通过表2数据可以看出，本发明的FeCoSiBC铁基非晶软磁合金的工作点可以达到1.73T，在损耗略微增加的基础上，Bs明显高于Fe78Si9B13合金。同样相比于Fe-3.5wt％Si和硅钢(B15AT1000)，本成分合金虽然Bs略低，但是其矫顽力及损耗得到极大地降低。由此可见，本发明的FeCoSiBC合金，具有较高的饱和磁感应强度，而且经磁场退火后有较低的矫顽力和损耗。
通过表2数据对比可以看出，本发明的FeCoSiB铁基非晶软磁合金的工作点可以达到1.71T，在损耗略微增加的基础上，Bs明显高于Fe78Si9B13合金。同样相比于硅钢(B15AT1000)，本成分合金虽然Bs略低，但是其矫顽力及损耗大大低于硅钢。
综上所述，本发明铁基非晶软磁合金，通过添加适量Co元素以提高饱和磁感应强度，且铁基非晶软磁合金可以通过熔炼、甩带、雾化等生产技术制备出性能优异的铁基非晶软磁合金制品。例如采用优化的制带设备、制备工艺和优化纯度的原材料，可以进一步地制备得到性能更好的铁基非晶软磁合金制品，且其退火后的矫顽力可进一步地下降30-70％。
本发明的铁基非晶软磁合金可以用于诸如：电动机的铁芯、电感等电力电子元器件。采用本发明的铁基非晶软磁合金所制备的产品与现有技术产品相比较，具有非晶形成能力强、饱和磁感应强度高等特点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金的化学式为：FemCoxM100-m-x，其中，m和x分别表示Fe和Co的原子百分含量，m≠0，x≠0，M选自Si、B和C中的至少一种，100-m-x>0。
2.如权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述FemCoxM100-m-x中，m+x＝80～85。
3.如权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金材料经磁场退火后，其矫顽力随Co元素原子百分含量的增加呈先上升、后下降、再上升的趋势。
4.如权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金材料经磁场退火后，其矫顽力随Co元素原子百分含量的增加呈先上升、后下降的趋势。
5.如权利要求1所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金材料经普通退火后，其饱和磁感应强度随着Co元素原子百分含量的增加呈现先上升、后下降的趋势。
6.如权利要求1-5任一所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述FemCoxM100-m-x中，47≤m≤82，和/或0<x≤35。
7.如权利要求6所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述FemCoxM100-m-x中，57≤m≤75，和/或0<x≤30。
8.如权利要求7所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述FemCoxM100-m-x中，0<x≤25，或10≤x≤20，或14≤x≤17。
9.如权利要求8所述的铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述FemCoxM100-m-x中，M包括Si、B和C，Si元素的原子百分含量为1～4.7；B元素的原子百分含量为9～14；C元素的原子百分含量为0.5～1.3。
10.一种如权利要求1-9任一所述的铁基非晶软磁合金的应用，其特征在于，所述应用为所述铁基非晶软磁合金在电力电子元器件上的应用。
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