一种低矫顽力低损耗钴基非晶软磁合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种主要应用于磁性器件的非晶软磁合金材料，尤其涉及一种具有低矫顽力、低损耗的钴基非晶软磁合金材料及其制备方法。

背景技术：

上个世纪六七十年代以来，短短几十年时间非晶合金产业得到了飞速地发展，逐渐替代了硅钢以及部分铁氧体在电力电子设备中的地位。迄今为止，国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。从化学成分上，磁性非晶合金可以划分成以下几大类：铁基非晶合金：主要元素是Fe、Si、B、C、P等；铁镍基非晶合金：主要由Fe、Ni、Si、B、P等组成；钴基非晶合金：主要有Co、Si、B等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素。铁基非晶合金磁性强(饱和磁感应强度可达1.4-l.7T)、软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，作用于中低频变压器的铁芯(一般在10kHz以下)。铁镍基非晶合金磁导率比较高，强度高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯，但其饱和磁感应强度较低，同时合金成本高。

钴基非晶合金磁性较弱(饱和磁感应强度一般在1T以下)，但磁导率极高，磁致伸缩系数接近于零，而且由于合金的硬度高，耐磨性好，使用寿命长，同时其制备工艺简单，高效节能，因而具有很大的研究开发价值和广阔的市场前景，有望被广泛应用于各种电力电子、仪器仪表等设备领域，促进产品向高效、节能、环保方向发展。

中国专利申请CN103310937A公开了一种高饱和磁感应强度铁钴基纳米晶软磁粉芯的制备方法。其组成满足如下分子式：Fe_aCo_bSi_cB_dCu_eM_f，式中M为C、P、Cr或Mn，所制得的磁粉芯具有较高的饱和磁感应强度以及较高的居里温度，综合软磁性能优异，然而磁粉芯制备工艺较复杂，且该合金损耗值较大，所制得的样品在50Hz，磁感应强度0.1T条件下，损耗大于400kW/m³。

中国专利申请101519759A公开了一种钴基块体非晶合金，其特征在于该合金分子简式为Co_aFe_bNb_cB_22.4Si_5.6，该系列合金具有优异的软磁性能、良好的机械性能和非晶形成能力。但该合金B元素含量较高，高达22.4个原子百分比，增加了原材料成本，同时该合金需要进行后续去应力退火才能表现出优异的磁性能，制备过程较为复杂。

因此，为了满足现代电力电子、航空航天、军事民用等磁性器件向高效、节能、环保方向发展需求，研究兼具低矫顽力、低损耗等优异磁性能，同时制备工艺简单的钴基非晶软磁合金材料具有重要意义。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供了一种钴基非晶软磁合金材料及其制备方法。该材料具有低矫顽力、低损耗，以及高最大磁导率等优异磁性能，同时制备工艺简单，适合推广应用。

技术方案：为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种低矫顽力低损耗钴基非晶软磁合金材料组成满足关系式：Co_aFe_bSi_cB_dM_e，式中M为选自Mn、Mo、Cr和Nb中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分含量，并且满足以下条件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100。

其中：

Si的原子百分含量优选为9≤c≤14。

B的原子百分含量优选为9≤d≤14。

该合金具有低矫顽力1.0≤H_c≤1.7A/m，高磁导率130000≤μ_m≤160000，以及高的饱和磁感应强度。

该合金在50Hz频率条件下，当磁感B_m≤0.5T时，损耗P≤0.1W/kg，在20kHz频率条件下，当磁感B_m≤0.6T时，损耗P≤200W/kg。

本发明的低矫顽力低损耗钴基非晶软磁合金材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将合金组分中的Co、Fe、Si、B和M元素按合金组成式Co_aFe_bSi_cB_dM_e进行配料，式中M为选自Mn、Mo、Cr和Nb中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分含量，并且满足以下条件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100，各原料纯度均大于99％；

(2)将上述合金原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至低于5.0×10^-3Pa，然后充入惰性气体至气压为0.03-0.07MPa，熔化后再持续熔炼1-2分钟，随炉冷却至凝固，然后将其翻转，反复熔炼3-5次，得到成分均匀的合金锭；

(3)将得到的合金锭进行破碎，将破碎后的合金锭装入底部留有喷嘴的石英管中，在惰性气体保护氛围下通过单辊快淬法制备连续的非晶软磁合金材料。

其中：

步骤(3)中所述的非晶软磁合金材料为条带状，优选的条带宽度为1-3mm，厚度为20-35μm。

所制备的非晶软磁合金材料不需经过热处理，即淬态条件下即具有上述优异的磁性能。

有益效果：与现有技术比，本发明的优点和积极效果为：

(1)本发明提供了一种钴基非晶软磁合金材料，该合金具有低矫顽力1.0≤H_c≤1.7A/m，高最大磁导率130000≤μ_m≤160000，同时具有较高的饱和磁感应强度。

(2)本发明合金在50Hz频率条件下，当磁感B_m≤0.5T时，损耗P≤0.1W/kg，在20kHz频率条件下，当磁感B_m≤0.6T时，损耗P≤200W/kg。大大降低了能耗，具有优异的节能减排效果。

(3)本发明合金不需进行热处理，即淬态条件下即具有上述优异的磁性能。

附图说明

图1是本发明实施例1中淬态Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄合金的X射线衍射图谱；

图2是本发明实施例1中Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄非晶合金的室温磁滞回线；

图3是本发明实施例1中Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄非晶合金在50Hz频率条件下损耗随磁感应强度的变化曲线；

图4是本发明实施例1中Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄非晶合金在20kHz频率条件下损耗随磁感应强度的变化曲线；

图5是本发明实施例2中Co₇₁Fe₂Si₁₀B₁₃Mn₄非晶合金在50Hz频率条件下损耗随磁感应强度的变化曲线。

具体实施方式

本发明的低矫顽力低损耗钴基非晶软磁合金材料，其原子组成满足以下关系式：

Co_aFe_bSi_cB_dM_e

式中M为选自Mn、Mo、Cr和Nb中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分含量，并且满足以下条件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100。

本发明的钴基非晶合金软磁材料的制备方法步骤如下：

(1)配比母合金原料：将纯度不低于99％的Co、Fe、Si、B、M等元素按合金组成式Co_aFe_bSi_cB_dM_e进行配料，式中M为选自Mn、Mo、Cr和Nb中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示对应合金元素的原子百分含量，并且满足以下条件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100；

(2)母合金熔炼：将所述合金原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至低于5.0×10^-3Pa，然后充入惰性气体至气压为0.03-0.07MPa，熔化后持续熔炼1-2分钟，随炉冷却至凝固，然后将其翻转，反复熔炼3-5次，得到成分均匀的合金锭；

(3)将步骤(2)得到的合金锭破碎，将破碎的合金锭取适量放入底部留有喷嘴的石英管中，在惰性气体保护下采用单辊快淬法制得连续的非晶合金。

作为优选步骤(3)制得的非晶合金为条带状，条带宽度优选为1-3mm，厚度优选为20-35μm。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，首先将纯度大于99％的铁、钴、硅、硼、锰原料按照合金组成关系式Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄进行配料；然后将原料装入电弧熔炼炉中，反复熔炼5遍得到成分均匀的合金锭；

将合金锭破碎后取适量装于石英管中，采用单辊快淬甩带技术，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得连续的合金条带，条带宽1.4mm，厚26μm；

将非晶合金条带绕成内径8.27mm，外径10.3mm的磁芯。

采用D8Advance型多晶X射线衍射仪测试淬态合金条带的微观结构。如图1所示为淬态Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄合金的X射线衍射图谱，结果显示，条带衍射峰为典型的非晶漫散射峰，表明所得淬态合金条带为非晶态结构。

采用振动样品磁强计(VSM，Lakeshore 7407)测量合金条带的磁滞回线，采用直流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer，EXPH-100)测量合金条带的矫顽力。测试结果如图2所示，测得该合金的饱和磁感应强度为0.93T，矫顽力为1.5A/m。

图3所示为50Hz频率条件下磁芯损耗随磁感应强度的变化曲线。损耗采用交流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)测量，用于测试合金在不同磁感应强度及不同频率下的损耗。可以看出合金在频率50Hz，磁感0.5T时，损耗为0.05W/kg。

图4所示为20kHz频率条件下磁芯损耗随磁感应强度的变化曲线。损耗采用交流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)测量，用于测试合金在不同磁感应强度及不同频率下的损耗。可以看出合金在频率20kHz，磁感0.6T时，损耗为150W/kg。

实施例2：

本实施例中，首先将纯度大于99％的铁、钴、硅、硼、锰原料按照合金组成关系式Co₇₁Fe₂Si₁₀B₁₃Mn₄进行配料；然后将原料装入电弧熔炼炉中，反复熔炼5遍得到成分均匀的合金锭；

将合金锭破碎后取适量装于石英管中，采用单辊快淬甩带技术，在Ar气氛中以40m/s的速度甩带，制得连续的非晶合金条带，条带宽1.6mm，厚30μm；

将非晶条带绕成内径8.3mm外径，9.9mm的磁芯。

采用D8Advance型多晶X射线衍射仪测试淬态合金条带的微观结构，测试结果表明所制得的淬态合金条带为非晶态结构。

采用振动样品磁强计(VSM，Lakeshore 7407)测量合金条带的磁滞回线，采用直流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer，EXPH-100)测量合金条带的矫顽力。测得该合金的饱和磁感应强度为0.93T，矫顽力为1.2A/m。

图5所示为50Hz频率条件下磁芯损耗随磁感应强度的变化曲线。损耗采用交流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)测量，用于测试合金在不同磁感应强度及不同频率下的损耗。可以看出合金在频率50Hz，磁感0.5T时，损耗为0.09W/kg。利用该交流磁化特性分析仪测量合金在频率20kHz，磁感0.6T时，损耗为165W/kg。