CN1173061C - 铁基块体非晶软磁合金材料 - Google Patents

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本发明属于功能材料的制造领域。更适用于制备具有良好软磁性能的铁基块体非晶状软磁合金材料。本发明铁基块体非晶软磁合金材料的特征是该材料的化学成份为Fe.75-95%；Sn.0.5-10%；B.0.2-10%；Al 1.22-6%；V≤10%；Nb≤10%；Mo≤10%；P≤15%；C≤5；Si≤10；Cr、Mn、W、Ta、Nd、Cu元素中任意一种或两种和两种之和≤10%。本发明铁基块体非晶软磁合金材料与现有技术相比较，具有宽的超冷液相区和各项软磁性能技术指标均良好的使用效果等特点。

Description

铁基块体非晶软磁合金材料
技术领域
本发明属于功能材料的制造领域。更适用于制备具有良好软磁性能的铁基块体非晶状软磁合金材料。
背景技术
随着电子行业的迅速发展，在各领域中所使用的各种电子元器件的各项技术性能指标也在不断的提高，因此采用非晶态合金作为软磁材料的必用材料，早已被广泛的运用。众所周知，目前非晶态合金材料的制备方法普遍是采用单辊法，单辊法的工作原理是将熔融钢液直接喷注至高速旋转的铜辊激冷面快速凝固成形，因此该制备方法可以连续地大量生产非晶合金薄带，可工业化批量生产。该方法近年来已成为用以连续生产非晶合金薄带的最重要方法之一。在1988年，日本的井上明久等人对多组元非晶合金系的玻璃形成能力(GFA)进行了研究开发工作，并采用水淬和模铸等方法，先后发现了Mg-，Ln-，Zr-，Pd-Cu-，Pd-Fe-，Ti-等数种临界冷却速率(Rc)低，具有宽的超冷液相区(supercooled liquid region)的合金系统。但以上块体非晶合金均没有得到铁磁性能。超冷液相区是衡量合金非晶形成能力的一个重要指标。一般而言，传统的非晶合金没有超冷液相区，而具有宽的超冷液相区(ΔTx＞50K)的存在，则表明该合金具有较大的潜在抗晶化能力，随着超冷液相区(ΔTx)宽度的提高，该合金形成非晶态所需要的临界冷却速率(Rc)就越小，因此该合金非晶形成能力(GFA)就越大。因为当玻璃转变温度(Tg)和结晶温度(Tx)之间的区间越大时，Tg以上金属熔液的热稳定性越高，合金越不易结晶，非晶态就越稳定，也越容易形成块体非晶。超冷液相区的大小以下式表征：
超冷液相区宽度(ΔTx)＝结晶温度(Tx)-玻璃转变温度(Tg)。单位：K。一般采用差示扫描量热分析仪测量玻璃转变温度Tg及结晶温度Tx。
自1995年后的7年内，井上明久等人利用铜模铸造法，获得了四类铁磁性块体非晶合金，即(1)Fe-(Al，Ga)-(P，C，B)和Fe-Ga-(P，C，B)，(2)Fe-(Zr，Hf，Nb)-B，(3)Fe-(Cr，Mo)-B-C，(4)Fe-Co-Ln-B。该类Fe基块体非晶合金系具有较宽的超冷液相区(ΔTx)和较高的饱和磁感应强度，以及较低的矫顽力等磁性能。见表1。
表1现有技术中井上明久的部分Fe基块体非晶软磁合金性能
 合金   ΔTx(K)   Bs(T)   Br/Bs   Hc(A/m)   μe(1kHz)
 Fe72Al5Ga2P10C6B4Si1     63    1.10    0.38-0.45     0.5-12.7   7000-12000
 Fe72Al5Ga2P11C6B4     61    1.07    约0.40     5.1   9000
 Fe74Al4Ga2P12Si4B4     49    1.14    0.35     6.4   19000
 Fe62Nb8B30     71    0.68     -     2.6   19300
 Fe56Co7Ni7Zr10B20     68    0.96    0.60     2.41   17700
 Co40Fe22Nb8B30     81    0.41     -     2.0   29300
 Fe62Co9.5Gd3.5B25     63    1.41     -     1.9   11000
但该Fe基块体非晶合金的主要缺点是材料本身存在着损耗较高、方形比和磁导率μm均较低、金属Ga价格昂贵等特点，与实用尚有一定距离。
发明目的及内容
本发明的目的是提出一种具有宽的超冷液相区和各项软磁性能技术指标均良好的铁基块体非晶软磁合金材料。
本发明所提出的铁基块体非晶软磁合金材料，主要是适用于软磁非晶合金的材料，我们考虑为了使材料具有理想的软磁特性和较宽的超冷液相区，所以提出一种以FeSnB为基的软磁合金材料。本发明通过对合金成份的合理调整，并通过添加一些其它的微量金属元素，其目的在于改善本发明合金的材料特性和各项磁性能。依据上述要求和设计考虑，本发明所提出的铁基块体非晶软磁合金材料，其特征在于组成该软磁合金材料的具体化学成份为(重量％)：Fe 75-95％；Sn 0.5-10％；B 0.2-10％；Al 1.22-6％；V≤10％；Nb≤10％；Mo≤10％；P≤15％；C≤5；Si≤10；Cr、Mn、W、Ta、Nd、Cu元素中任意一种或两种和两种之和≤10％。由本发明所提出的铁锡硼基块体非晶软磁合金材料，即要考虑材料具有宽的超冷液相区，同时还要使材料得到优良的软磁性能。因此在本发明材料的成份中，仍然是采用以铁作为本发明软磁材料的主要构成元素，以硼作为有利于形成非晶的重要元素加入，锡元素的添加是作为有利于扩展超冷液相区的宽度，同时锡还可以改善合金材料在铸造时的工艺特性，并具有价格便宜的优点。在本发明的铁基块体非晶软磁合金材料中，为进一步提高非晶合金的超冷液相区宽度和改善合金材料的软磁性能，还添加了一些其它的元素，例如添加P、C、Si等元素是利于形成非晶材料的类金属元素，添加V、Al、Nb、Mo等元素是为扩宽超冷液相区和形成非晶块材考虑的。所以在本发明非晶块材的成份中Fe是作为主要的铁磁性元素加入的，Sn是合金化元素，除价格便宜外，主要是用于降低合金的熔点，能明显地改善非晶合金材料在铸造时的工艺。B是类金属元素，除可以降低形成非晶合金的临界冷却速率外，其主要的作用是形成非晶合金，和提高非晶合金的磁性能，例如方形比。Al是合金化元素，与Sn联合添加，可以进一步扩展超冷液相区宽度，P、Si是类金属元素，可以降低形成非晶合金的临界冷却速率，主要还有利于形成非晶合金，C是类金属元素，可以提高非晶合金的饱和磁感应强度，并有利于非晶合金的形成，V、Mo、Nb是合金化元素，除进一步扩展超冷液相区宽度外，还可以提高合金的热处理稳定性。本发明铁锡硼基非晶合金的材料可以采用单辊法或铜模铸造法制备。采用单辊法是取设定量的母合金棒，放入单辊喷带机的喷嘴包内。主要的工艺参数调节如下：喷嘴包下端喷嘴嘴缝宽度为0.2-0.6mm，氮气或氩气喷射压力可定为0.01-0.5MPa，喷嘴至铜冷却辊间距为0.05-0.30mm，调整铜冷却辊轮缘转速至15-40m/s。制备的非晶条带宽度为2-10mm，厚度为20-50μm。所采用的设备为单辊喷带机。采用“铜模吸铸法”制备本发明的块体非晶试样，其原理是利用气体压力推动金属液体，将铜模与真空相连，并向炉腔内通入氩气正压，利用电弧将合金熔化后，拉开真空阀将合金吸入(利用炉腔气体压力挤入)至铜模内，本发明中的块体非晶试样有采用“铜模吸铸法”制备的。(而为了减少炉腔内氧气含量的影响，在用熔炼合金前会先以电弧去熔化一钛块以吸收炉腔内氧，再熔化试样。)采用本发明的具有宽超冷液相区铁锡硼合金所制作的直径为1mm及2mm的棒材，为了得到圆环形非晶铁芯试样，可将铜模凹槽直接设计为环形凹槽，铸造后取出的试样即为环形块体铁芯。
采用本发明的具有宽超冷液相区铁锡硼基非晶合金所制备的样品，经不同的检测方式为：1.差示扫描量热分析；采用差示扫描量热分析仪测量非晶试样的玻璃转变温度Tg及结晶温度Tx。将待测的非晶条带样品置入样品盘中，每一次取约10毫克的条带。分析的温度范围为373至853K，加热速率控制在10-40K/min，并以氦气为保护气氛，流量为20-50cc/min。2.X射线衍射分析；使用X射线衍射分析仪鉴定合金的结构，以θ-2θ广角入射模式连续扫瞄，扫瞄速度为每分钟2度，由20度扫至110度，操作电压为30kV，电流为20mA，入射光源为Co靶。3.扫描电子显微镜；以电子束在样品横截面上作X-Y栅格扫描，而在阴极射线管上也以相同的X-Y方式扫描，样品上各组电子束位置与阴极射线管上各点确定了逐点对应关系，便形成样品的图像。4.铁芯卷绕；将制备的非晶条带卷绕成内径23mm，外径25-31mm的铁芯。5.铁芯热处理；将待测非晶试样铁芯放入真空热处理炉中，在320℃-565℃的温度下根据测量要求保温处理5-300分钟。6.静态磁性测量；采用冲击法测量已热处理的非晶试样铁芯的静态磁特性，以冲击检流计作为积分器来测试试样内的磁通量变化。7.动态磁性测量；在不同交流磁场Hm下测出已热处理的非晶试样铁芯相应的Bm值，此时所做出的Bm-Hm曲线即为交流磁场下的动态磁化曲线。采用伏安法测量动态磁化曲线。利用伏特表测量与B相对应的电压U，用安培表测量与H相对应的电流I，从而确定Bm(Hm)磁化曲线。磁化场为：Hm＝1.414 I N1/1；在式中，N1为磁化线圈总匝数，I为安培表测量到的磁化电流有效值，1为样品平均磁路长度。用整流式伏特表测出测量线圈N2感应电动势的平均值Uav，则可算出：Bm＝Uav/(4fN2As)；在式中，f为磁化电流的频率，As为样品的截面积。
采用本发明铁基块体非晶软磁合金材料与现有技术相比较，该铁基块体非晶软磁合金材料具有宽的超冷液相区和各项软磁性能技术指标均良好的使用效果。根据上述对本发明非晶试样的测量和本发明实施例中表3结果可看出，在本发明的铁锡硼基块体非晶软磁合金中，大部分的块体非晶合金软磁性能明显优于现有技术材料，其特点有以下几点：
(1)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有宽超冷液相区，如3、7、8号合金；
(2)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有高B10，如2、3、4、号合金；
(3)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有高方形比，如3号合金；
(4)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有高μm，如3、5、6、8号合金；
(5)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有高有效磁导率μe，如5、6号合金；
(6)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有低Hc，如1、3、4、5、6、8号合金；
(7)本发明铁基块体非晶软磁合金材料具有低损耗P，如1、3、5、6号合金。
附图说明
在本发明铁基块体非晶软磁合金材料的说明书附图中，图1是利用“吸铸法”制备的合金8的直径1mm和2mm的块体非晶合金圆棒的外观照片，图2是直径2mm的合金8块体合金圆棒横截面的X射线衍射图，由该衍射图可以看出该合金圆棒是非晶态，图3是直径2mm的合金8块体非晶合金圆棒横截面的选区电子显微镜照片，由该照片可以看出该非晶合金圆棒横截面无晶粒和缺陷存在，图4是合金8非晶带材的差示扫描量热曲线，由该曲线可知该非晶合金的玻璃转变温度和结晶温度分别为696.14K和745.95K，故该非晶合金的超冷液相区宽度为49.81K，图5是利用“吸铸法”制备的合金8环形非晶合金铁芯
Figure C0212885700081
图6是利用“吸铸法”制备的合金8环形非晶合金铁芯
Figure C0212885700082
实施例
采用在本发明铁基块体非晶软磁合金材料的成份范围内，我们一共做了8组试验(见表2)，其中序号1、2、3、4、5、6、7为厚度在25-50μm的非晶带样品，序号1、8为直径φ1mm的非品棒样品。序号3、8为直径φ2mm的非晶棒样品，序号3、8为内径5×外径8×高1mm的非晶环形样品，序号4、8为内径6×外径10×高1mm的非晶环形样品，其使用设备是单辊喷带机，制备工艺是将序号1、2、4、5、6、7各取50克量的母合金棒，放入单辊喷带机的喷嘴包内。主要的工艺参数调节如下：喷嘴包下端喷嘴嘴缝宽度为0.5mm，氮气或氩气喷射压力可定为0.2MPa，喷嘴至铜冷却轮间距为0.20mm，调整铜冷却辊轮缘转速至30m/s。制备的非晶条带宽度为8mm，厚度为35μm。采用“吸铸法”制备序号10内径5×外径8×高1mm和内径6×外径10×高1mm的非晶环形样品，其工艺是向预抽真空的炉腔内通入压力为0.2Mpa的氩气正压，利用电弧将合金熔化后，拉开真空阀，将铜模腔体与真空(＜1.0×10-2Pa)相连，利用氩气推动金属液体，将合金吸入(利用炉腔气体压力挤入)至铜模内，铸造后取出的试样即为不同设定尺寸的环形块体铁芯。下述表2为本发明实施例的成份表(重量％)；表3为本发明实施例的各项性能表；表4为实施例中序号8的环形铁芯(φ5×φ8×1mm)软磁性能。
表2本发明实施例成份表(重量％)
序号   Sn   Al   P   Si   B   C    Mo    V    Nb    Cr    Mn    W   Ta    Nd   Cu   Fe
  1   4.74   2.16   7.43   2.24   0.86   -    -    -    -    -    -    -   -    -   -   余
  2   4.98   2.27   1.95   1.77   2.27   2.65    -    -    -    -    -    -   -    -   -   余
  3   3.80   2.18   3.78   3.79   1.46   1.24    -    -    -    -    -    -   -    -   -   余
  4   4.90   2.23   2.56   2.32   2.68   -    -    -    -    -    -    -   -    3.17   -   余
  5   4.62   2.10   6.03   2.19   0.84   -    3.74    -    -    1.56    -    -   -    -   -   余
  6   3.48   1.22   5.79   1.83   1.03   -    -    1.96    -    -    2.45    2.33   -    -   1.41   余
  7   3.68   4.35   5.65   1.95   0.92   -    -    -    4.03    -    -    -   1.02    -   0.74   余
  8   4.58   2.05   4.87   2.35   1.14   0.47    2.42    -    -    -    -    -   -    -   -   余
表3本发明实施例的各项性能表
合金序号    ΔTx(K)     Br(T)  B10(T) Br/B10  μm   μe(1kHz)   Hc(A/m)   P50Hz(W/kg)
    1    50.3     0.616  1.182  0.52  1.8×105   -   3.449   0.161(1.1T)
    2    37.2     1.382  1.454  0.95  9000   -   81.09   3.574(1.3T)
    3    31.7     0.761  1.305  0.56  1.9×105   -   3.635   0.225(1.3T)
    4    21.0     1.123  1.357  0.83  -   -   4.526   -
    5    34.6     0.725  1.112  0.65  5.3×105   7.0×104   0.725   0.096(1.1T)
    6    40.9     0.736  1.227  0.60  1.6×105   6.6×104   1.870   0.153(1.2T)
    7    51.4     0.294  0.881  0.33  -   -   7.820   -
    8    49.8     0.74  1.175  0.63  2.3×105   -   1.52   -
表4实施例中序号10的环形铁芯(5×8×1mm)软磁性能
软磁性能   B10(T)   B20(T)   B30(T)   Br(T)   Hc(A/m)
  淬态   0.658   0.896   1.005   -   -
  退火   1.072   1.206    -   0.012   4.82

Claims (2)

1、一种铁基块体非晶软磁合金材料，其特征在于组成该铁基块体非晶软磁合金材料的具体化学成份重量％为：Fe 75-95％；Sn 0.5-10％；B0.2-10％；Al 1.22-6％；V≤10％；Nb≤10％；Mo≤10％；P≤15％；C≤5％；Si≤10％；Cr、Mn、W、Ta、Nd、Cu元素中任意一种≤10％。
2、根据权利要求1所述合金材料，其特征是在该成份中的Cr、Mn、W、Ta、Nd、Cu元素中任意两种和两种之和≤10％。
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