TWI628297B

TWI628297B - Iron-based soft magnetic component with high saturation magnetization and preparation method thereof

Info

Publication number: TWI628297B
Application number: TW105116410A
Authority: TW
Inventors: 殳國俊; 周方正; 黃坤祥
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2018-07-01
Also published as: TW201741470A

Abstract

一種高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份，包含一鐵鈷釤系統，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe _1-xCo _x)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25 wt.%之間。藉由釤的添加，有助於提升鐵基軟磁成份的飽和磁化強度及機械強度。

Description

一種高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份及其材料的製備方法

本發明為有關一種高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份及其材料的製備方法，尤指一種兼具高飽和磁化強度和延展性之鐵基軟磁成份及其材料的製備方法。

鐵基軟磁材料泛指以鐵為主要元素而具備磁性的材料，常用於各種工業範疇。較常見的合金系統包括純鐵、矽-鋼(Fe-Si)、鐵-磷(Fe-P)、鐵-鎳-過渡金屬(Fe-Ni-M)與鐵-鈷-過渡金屬(Fe-Co-M)。純鐵與Fe-Si大多應用在高磁化範圍的需求，例如電力系統的變壓器磁心，而由於Fe-6.5wt.%Si具有較高的飽和磁化強度、極低的磁致伸縮以及高電阻等優點，是目前常被使用的系統；然對於消費性電子產品的零組件來說，因考慮對微弱訊號的偵測與傳輸大多發生在低磁場範圍下等因素，為了增加電子訊號的靈敏度，大多選擇具有高導磁系數(μ)的鐵鈷合金。

美國發明專利公告第US 6,852,404 B2號，提出一種磁性紀錄介質，其中一磁性層含有一平均主軸長度(L)小於0.10微米的一鐵磁性合金粉末以及一粘合劑，該磁性層設置於一非磁性支撐體的至少一表面上，其中該鐵磁性合金粉末含有相對於Fe為15％至28%的Co，以及含有22μmol/m ²的Y或更多相對於從該平均長軸長度(L)和微晶直徑(d)中計算的一比表面積(Sc)。

美國發明專利公告第US 6,852,404 B2號，提出一種磁性記錄介質，包括一非磁性支撐體、一磁性層、一脂肪酸、一脂肪酸酯及一黏合劑，該非磁性支撐體設於該磁性記錄介質上，該磁性層含有一鐵磁金屬粉末，該脂肪酸酯具有一等於或小於15°C的熔點，其中該鐵磁金屬粉末以鐵為基礎包括Fe和原子為5%至15%的Al、原子為1%至25%的Co、原子為0.5%至5%的Y、原子為0至0.1%的Si和原子為0%至0.1%的Nd，每1g的該鐵磁金屬粉末含有0至10ppm之間的水溶性鈉，每1g的該鐵磁金屬粉末含有0至10ppm之間的水溶性鈣，其中該脂肪酸酯是一具有酸水解速度等於或小於0.03/小時的脂肪酸烷基酯。

大陸專利公告第CN 1256460C號，提出一種高熱穩定性塊體鐵磁性金屬玻璃，其特徵在於：以鈷、鐵基為主，按原子百分比，其合金成分由下列元素構成，Co：35至45%，Fe：12至35%，Hf：2至10%，Mo：0至8%，Ti：2至8%，B：22至35%，V：0至3%。

雖然金屬基軟磁材料的種類繁多，然而在追求高飽合磁化強度的情況下主要還是以鐵鈷合金為主，此合金雖然具有優良的飽和磁化強度，但並未受到廣泛地應用，主要原因在於鐵鈷合金的延展性不佳，因此很難對此合金進行機械加工成形，故仍有待改進之空間。

本發明的主要目的係解決習知鐵鈷合金為主的鐵基軟磁材料因延展性不佳，導致此合金不易成形而限制其應用的問題，以及提供一種具有比鐵鈷合金更高飽合磁化強度的鐵基軟磁材料。

為達上述目的，本發明提供一種高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份，包含一鐵鈷釤(Fe-Co-Sm)系統，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe _1-xCo _x)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25wt.%之間。

為達上述目的，本發明另提供一種製備鐵基軟磁材料的方法，係以一鐵鈷釤系統為原料並利用一電弧熔煉製程製備，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe _1-xCo _x)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25wt.%之間。

為達上述目的，本發明另提供一種製備鐵基軟磁材料的方法，係以一鐵鈷釤系統為原料並利用一金屬射出成形製程製備，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe _1-xCo _x)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25 wt.%之間。

由以上可知，本發明相較於習知技藝可達到之功效在於，本案的鐵鈷釤系統中含有特定比例的鈷及釤，當添加40至60 at.%之間的Co(即x介於0.4至0.6)時，由於Fe _1-xCo _x合金中的磁矩-磁矩間作用力增強以及超晶格結構的存在使得在此區間內具有較佳的飽合磁化強度，當添加0.5至2.5 wt.%之間的Sm到鐵鈷合金系統中，由於Sm是以固溶偏析的方式存在於晶界附近，因此不會破壞Fe _1-xCo _x特殊的超晶格結構，藉由上述鐵鈷釤系統的比料調配並透過金屬射出成形製程或電弧熔煉製程所製備的鐵基軟磁材料不僅具有較高的飽和磁化強度，亦具有較佳的機械強度。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

本發明提供一種高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份，包含一鐵鈷釤(Fe-Co-Sm)系統，該鐵鈷釤系統的化學式為Fe _1-xCo _x-ySm，x介於0.4至0.6之間(即相對於Fe，Co為40至60 at.%之間)，y介於0.75至1.25 wt.%之間，在本發明中，係可由該鐵基軟磁成份配合一電弧熔煉製程或一金屬射出成形製程製備得到一鐵基軟磁材料。得到該鐵基軟磁材料後，尚可進一步進行一真空退火處理，該真空退火處理的溫度介於650至750°C之間，藉此可以再進一步提高飽和磁化強度。

於本發明中，當Co的組成介於40至60 at.%之間，該鐵基軟磁成份將擁有較高的飽和磁化強度(Bs)，一般認為高Bs的原因與在此組成區間Fe _1-xCo _x合金具有特殊的超晶格結構(a ^’)有關。本發明則是透過居里溫度(Curie temperature，簡稱Tc)的量測而瞭解其原因。當Co含量介於40至60 at.%之間時，該鐵基軟磁成份的居里溫度(Tc)將從770°C提升為990°C，此表示在此成分區間內的磁矩-磁矩間的鐵磁作用力最大，各磁矩在外加磁場的作用下容易朝同一方向排列。總結來說，飽和磁化強度的提升可歸因於以下幾個因素競合下之結果：首先，各原子可貢獻之磁矩的數目多寡，例如Fe:[Ar]3d ⁶4s ²，S=4/2與Co:[Ar]3d ⁷4s ²,S=3/2，假設在外加磁場作用下每個磁矩都可順著磁場(Hc)排列時，則該鐵基軟磁成份的飽合磁化強度將正比於X _Fe*4/2+X _Co*3/2。其次，因為Co的添加使得居里溫度上升，此表示磁矩之間的鐵磁交互作用力將因此變強，有助於磁矩規則排列；再者，如『圖1』所示，根據鐵鈷二元相圖中a ^’相存在的溫度範圍可知，Fe-Co異類原子間的引力大於Fe-Fe或是Co-Co同類原子間的引力，引力越強時，會導致兩原子間電子雲上之電子越安定，磁矩越容易與外加磁場同向而不受熱擾動影響。此有助於提高飽和磁化強度。

請續參閱『圖2』，為本發明一實施例中，添加不同重量百分比的釤對FeCo-ySm合金飽和磁化強度影響的示意圖，本實施例中，x為0.5，由圖中可看出，相較於未添加釤時，當釤的重量百分比(y)介於0.75至1.25 wt.%之間時，對於飽和磁化強度的提升有最佳的效果。而當釤的含量為1.0 wt.%時，飽和磁化強度為最大，可提高約15%。請續參『圖3a』與『圖3b』，分別為習知鐵鈷合金的金相顯微示意圖與本發明一實施例鐵鈷釤系統的金相顯微示意圖，由『圖3a』可看出，當未添加Sm時，鐵鈷合金的超晶格結構為平板狀晶粒或針狀晶粒；於『圖3b』的實施例中，鐵鈷釤合金的超晶格結構為等軸狀晶粒，由於等軸狀晶粒相較於平板狀晶粒或針狀晶粒具有不易產生應力集中的特性，使鐵鈷釤系統不僅具有較高的飽和磁化強度，同時亦具有較佳的機械強度，因此將易於進行機械加工，如軋延成板或片狀，或鍛造成具複雜形狀之工件，甚至以MIM製程生產淨形或近淨形的產品。此外，『圖3b』的實施例中，該鐵基軟磁成份的化學式為FeCo-1wt.%Sm，經由EMPA元素分析，可以得知Sm並非固溶於FeCo之中，大部分的Sm是以固溶偏析的方式存在於晶界附近，故Sm並不會破壞FeCo的超晶格結構(a’)，而是以類第二相的形式存在。Sm的電子組態為[Xe]4f ⁶4s ²，S=6/2，此效果如同將一個更大的磁鐵導入FeCo系統中，可進一步提升飽和磁化強度。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

『圖1』，為鐵鈷二元相圖示意圖。『圖2』，為本發明一實施例添加不同重量百分比的釤對飽和磁化強度影響的示意圖。『圖3a』，為習知鐵鈷合金的金相顯微示意圖。『圖3b』，為本發明一實施例鐵鈷釤系統的金相顯微示意圖。

Claims

一種高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份，包含一鐵鈷釤(Fe-Co-Sm)系統，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe1-xCox)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25 wt.%之間。
如申請專利範圍第1項之高飽和磁化強度之鐵基軟磁成份，其中y介於0.9至1.1 wt.%之間。
一種製備鐵基軟磁材料的方法，係以一鐵鈷釤(Fe-Co-Sm)系統為原料並利用一電弧熔煉製程製備，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe1-xCox)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25 wt.%之間。
一種製備鐵基軟磁材料的方法，係以一鐵鈷釤(Fe-Co-Sm)系統為原料並利用一金屬射出成形製程製備，其中該鐵鈷釤系統的化學式為(Fe1-xCox)-ySm，x介於0.4至0.6之間，y介於0.75至1.25 wt.%之間。
如申請專利範圍第3或4項之製備鐵基軟磁材料的方法，其中進一步於650°C至750°C之間的溫度對該鐵基軟磁材料進行一真空退火處理。
如申請專利範圍第3或4項之製備鐵基軟磁材料的方法，其中y介於0.9至1.1 wt.%之間。