低成本FeNbB三元非晶合金软磁材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及非晶软磁合金材料领域，尤其设及一种低成本FeNbB^元非晶合金软 磁材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属玻璃通常是将烙化的液态金属冷却到玻璃转变溫度W下并且在形核与晶化 前凝固所形成的非晶态合金。非晶态合金具有独特的长程无序结构，且没有位错、晶界等晶 体缺陷，因而显示出超越常规材料的物理、化学和力学性能，譬如高强度、高硬度、优异的耐 磨性、良好的磁学性能等。在众多非晶合金体系中，铁基非晶合金一直受到材料学家和物理 学家的广泛关注。其原因在于铁基非晶合金不仅具有高强度、高硬度的特点，而且还具有优 异的磁学性能(如:高饱和磁感应强度、高磁导率和低磁损），在国防尖端技术和民用高科技 领域发挥着极其重要的作用。基于铁基非晶合金良好的性能，其在磁盘存储器件、变压器和 电机铁忍等工业领域获得了规模化应用，在科学研究及应用方面也具有重要意义。因此对 铁基非晶合金的研究成为材料学和物理学领域的前沿课题之一。
[0003] 1967年美国加州理工学院的Dwez教授在化-P-C系中报道了首例铁基非晶软磁合 金。但是其临界冷却速率(Rc)必须要达到1〇6 K/s数量级才能形成非晶，较高的冷速使得非 晶合金只能W薄带状、丝状或粉末状形式存在。自铁基非晶软磁合金问世W来，获得具有高 非晶形成能力、优异软磁性能和低成本的非晶合金一直是人们努力追求的主要目标之一， 许多科学家在制备新型铁基非晶软磁合金的过程中付出了大量的努力。1969年，Pond和 Maddin用社漉法制备出具有一定长度的连续非晶条带，运为大规模生产非晶合金创造了条 件。美国联合化学公司的Gilman等开发出了平面流铸带技术，实现了非晶带材的高速连续 生产，并推出了命名为Metglass的化基、Co基和Fe-化基系列非晶合金带材，运一技术标志 着非晶合金工业化大规模生产应用的开始。1988年日本日立金属公司的化shizawa等在化- Si-B系合金中添加一定量的化和Nb元素制备出非晶合金，并通过晶化处理工艺开发出成本 低廉的Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶软磁合金Finemet，该合金兼具铁基非晶合金的高磁感和钻基 非晶合金的高饱和磁感应强度、高磁导率和低铁损的特点。20世纪90年代，Suzuki等在尸6- M-B (M=Z;r，Hf, Nb)系非晶带材的基础上，通过对其进行一定的退火工艺开发出了一系列 纳米晶合金。1998年，美国卡内基梅隆大学的Willard等开发了一种可用于高溫的Fe-Co- Zr-B-化纳米晶软磁合金化化erm，典型成分为(Fe日.日Co日.日）ssZnlkCui。
[0004] 目前，铁基非晶软磁合金尤其是Fe师B系非晶的研究与开发已经成为非晶合金研 究的重点所在。2006年，Stoica等采用铜模铸造法首次在富B区成功制备得到Fe66Nb4B3〇块体 非晶，其居里溫度点为646 K，玻璃化转变溫度为845 K，过冷液相区宽度为31 Kd2005年，韩 国延世大学Song等采用甩带法制备化77佩泌17非晶薄带，该合金玻璃化转变溫度为797 K，过 冷液相区宽度为17 K，晶化起始溫度为814 K，饱和磁感应强度为0.735 T，矫顽力为22 A/ m。通过合理的成分设计和常规的铸造方法陆续开发了化-Nb-Zr-B、Fe-Ni-Nb-B、Fe-C〇-Nb- B等具有较强非晶形成能力的多组元合金，并且对其热稳定性、非晶形成能力和力学性能进 行了深入研究。铁基非晶软磁合金的制备条件极为苛刻，制备过程中除了使用高真空设备 及高纯度惰性气体保护等，还需要选用纯度大于99.9%的高纯原材料。高纯原材料的使用无 形中增加了材料的制备成本，限制了铁基非晶合金的工业化规模生产，成为制约铁基非晶 合金由理论研究走向实际应用的瓶颈所在。因而，采用低纯度原材料实现低成本制备具有 高非晶形成能力和优良软磁性能的铁基非晶合金将具有广泛的实际意义和用途。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种低成本Fe师ΒΞ元非晶合金软磁材料的制备方法，解 决制约材料制备成本高昂的问题。
[0006] 为达到本发明的目的，本发明提供一种低成本Fe师ΒΞ元非晶合金软磁材料的制 备方法，该方法制得的Fe师B系非晶软磁合金材料的化学式为FexNbyBz，式中的X，y，Z为原 子百分数，其中65 <x<82,3<y。2，15<z。0，且x+y+z=100;该方法包括W下步骤： 步骤一:按照质量百分比FeAQNbsQ分别称量纯度为99.85%的化和纯度为99.87%的Nb，将 所称得的目标成分原料置于非自耗真空电弧炉中，抽真空，反充高纯氣气保护气体，调节电 流由600至1000 A，在电磁揽拌作用下将合金反复烙炼6~8次，W获得混合均匀的化-60wt% Nb中间合金； 步骤二:将步骤一获得的Fe-60wt%Nb中间合金去除表面氧化皮后破碎成小块合金，置 于丙酬中超声波清洗； 步骤Ξ:将步骤二得到的小块Fe-60wt%Nb中间合金和纯度为99.85%的FeW及Fe- l7.5wt%B中间合金按照原子百分比FexNbyBz进行称量配料，将其装入石英管中并用B2化玻 璃将原料包覆住，采用高频感应线圈并调节电流由25至40A，感应加热直至样品烙化，反复 烙炼5~6次，W获得成分均匀的化xNbyBz母合金锭； 步骤四：将步骤Ξ获得的化xNbyBz母合金锭去除表面氧化皮后，置于丙酬中超声波清 洗； 步骤五:将步骤四得到的化xNbyBz合金放置到下端开口且尺寸为5mm X 0.6mm矩形口的 石英管中，抽真空，向高真空单漉旋泽炉的炉腔体内反充高纯氣气保护，采用高频感应线圈 加热使其烙化，调节电流为25~35A范围内的固定值，然后用高纯氣气将烙融的合金液喷射 到高速旋转的铜漉表面，借助离屯、力作用将合金液甩离漉面并迅速凝固，得到连续的非晶 薄带。
[0007] 所述高真空单漉旋泽炉真空度大于3 Χ10-3 Pa，石英管喷嘴到铜漉之间的距离为 0.5~2.0 mm，铜漉的线速度为40 m/s，腔体气压0.05 MPa,喷射压力差0.05~0.15 MPa。 [000引与现有技术相比，本发明所述的一种FeNbB系非晶合金软磁材料具有W下显著优 占. y ?、、· 1) 非晶形成能力强，能够制得具有35 K~52 K的宽的过冷液相区，且具有高的玻璃化转 变溫度和晶化溫度； 2) 软磁性能良好，饱和磁感应强度Ms=84~108 emu/g，矫顽力Hc=0.08~0.45 Oe，其优异 性能意味着其是一种具有广泛应用前景的功能材料； 3) 所述的非晶合金软磁材料制备方法简单，所用原材料为工业纯金属和化B中间合金， 本发明所制备的FeNbB系非晶合金磁性材料的组成元素 Fe和Nb的原料纯度为99.85%和 99.87%，FeB中间合金含17.5 wt%B，可W看出，本发明对原材料的纯度要求大幅降低，极大 降低了材料制备与应用成本，可实现铁基非晶合金的工业化规模生产。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明实施例2制备的非晶合金的DSC曲线图，升溫速率为40 K/min; 图2是按照实施例1和3制备得到的铁基非晶合金的室溫磁滞回线。
[0010] 图3是按照实施例2和4制备得到的铁基非晶合金的室溫磁滞回线。
【具体实施方式】
[0011] W下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0012]本发明所用原料： Fe的质量分数不小于99.85%，化中其它元素含量为:*(5。<0.001%、*(]?11)<0.005%、讯 (〇<0.001%、*(5)<0.001%;师的质量分数不小于99.87%，师中其它元素含量为:*(5。= 0.013%、w(C)=0.0034%、w(Ni)<0.0005%、w(Zr)<0.0005%;FeB中间合金B的质量分数为 17.5%，其它元素含量为:"(51)=0.026%、"。)=0.035%、"(41)=0.095〇/〇。
[OOU] 实施例1:制备Fe6sNbi2B2日非晶合金软磁材料 步骤一:首先将纯度为99.85%的化和纯度为99.87%的Nb按照质量百分比FeAQNbsQ称料 后放入非自耗真空电弧炉中，抽真空至3Χ10-3 Pa，反充高纯氣气保护气体，调节电流由600 至1000 A(由小至大），在电磁揽拌下反复烙炼6~8次，获得混合均匀的Fe-60wt%Nb中间合 金； 步骤二:将步骤一获得的Fe-60wt%Nb中间合金去除表面氧化皮后破碎成小块合金，置 于丙酬中超声波清洗； 步骤Ξ:按原子百分比Fe68Nbi2B2〇精确称量纯度为99.85%的化，FeNb W及化B中间合金， 将称得的目标成分原料放入石英管中并用B2化玻璃将原料包覆住，采用高频感应线圈并调 节电流由25至40A，感应加热直至样品烙化，反复烙炼5~6次，W获得成分均匀的化68佩础2〇 母合金锭； 步骤四：将步骤Ξ获得的化68Nbl2B20母合金锭去除表面氧化皮后，置于丙酬中超声波清 洗； 步骤五:将步骤四得到的化68师12B2日合金装入到下端开口且尺寸为5mm X 0.6mm的石英 管中，抽真空至3Χ10-3化后，在真空甩带室炉腔体内反充高纯氣气保护，采用高频感应线圈 加热使其烙化，调节电流为35Α，然后用高纯氣气将烙融的合金液喷射到高速旋转的铜漉表 面，得到连续薄带。本发明所采用的实验参数为:高真空单漉旋泽炉真空度大于3Χ10-3 Pa， 铜漉的线速度为40 m/s，腔体气压0.05 MPa,喷射压力差0.05~0.15 MPa; 制得的Fe68Nbi2B2〇非晶薄带的厚度约为20μπι，宽度约为4 mm; 按上述工艺制得的FessNbuBw合金薄带经X射线衍射(X畑)验证是具有完全的非晶态结 构特征。用差示扫描量热法获得该样品的热学性能参数。可得所制备化68Nbl2B20非晶合金的 玻璃化转变溫度Tg=880 K和初始晶化溫度Τχ1=932 K，从而得出该合金的过冷液相区ΔΤχ= 52 Κ，说明该合金热稳定性高，且非晶形成能力较强。图2为该非晶合金的磁滞回线， 化68Nbi2B2〇非晶合金的饱和磁感应强度