专利名称：：具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种铁基块体非晶合金，更特别地说，是指一种在Fe-Al-P-C基中添加类金属元素M获得具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金。
背景技术：
：在现有工艺条件下，通过'l^t凝固m^制备得到的非晶合金因不具备长程原子有序结构而导致了独特的力学性能、磁学性能、耐蚀性能和电性能。因此，非晶合金材料的研究成为材料研究的一个重要领域。铁基非晶合金因其特殊的结构特征具有优良的磁学性能，且相对低廉的制造成本而被广泛地用于各种变压器、电磁换能^f牛等领域。自1967年P.Duwez首先发现Fe-P-C三元非晶合金成分以来，Fe-B-Si、Fe-P-B和Fe-P-B-C等一系列Fe-Metalloid(P，B，C，Si)系非晶合金体系相继得以开发和应用。伹是，由于受到成分设计和工艺条件的限制，初期的研究和产品只局限条带、细丝和粉末。因此，Fe基非晶合金的推广和应用受到极大的限制。直到1995年，Inoue等才在Fe-Metalloid(P,B,C，Si)系非晶合金的基础上，通过加入大尺寸原子Al和Ga得到了Fe-(Al，Ga)-(P，C，B，Si)铁基块体非晶合金。随后,Fe-Co-Ni-Zr-B、Fe-Mo-P-C-B、Fe-Si-B-Nb和Fe-Y-B等Fe-Metalloid(P，B，C，Si)基块体非晶合金也相继得到开與。虽然，Ga、Zr、Mo、Nb和Y等较贵金属元素和稀土元素的加入使Fe-Metalloid(P,B，C，Si)基非晶合金能形成毫米级的圆柱棒试样,极大地改善了以往非晶合金形成能力不足而限制应用的缺点;但是，即使Ga、Zr、Mo、Nb和Y等元素的加入量不足5%的原子比，它们的原材料成本却占据了整个合金原材料成本的90%以上，这从另一个方面限制了铁基非晶合金的广泛应用。因此，设计一种成本低廉、具有较高非晶形成能力、并具有良好软磁性能的Fe基块体非晶合金材料是铁基非晶合金发展的必然趋势。
发明内容本发明是在Fe-Al-P-C块体非晶合金基础上通过添加一种或两种类金属元素M来降低P-C的用量，从而改善Fe-Al-P-C块体非晶合金的非晶形成能力，该类金属元素M可以是B或Si或B+Si的组合。本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-B块体非晶合金成分为含有15at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的B和余量的Fe。本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金成分为含有15atM的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的Si和余量的Fe。当类金属元素M为B+Si时，本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-B-Si块体非晶合金成分为含有l5at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.5~6at%的B、0.56at。/。的Si和余量的Fe。本发明的一种具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的优点在于(1)本发明设计了一种不含Ga、Zr、Mo、Nb和Y等较贵金属元素和稀土元素的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其原材料成本低廉。(2)本发明的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金具有较高的非晶形成能力，通过快速凝固技术，可以得到临界直径为1.0mm3.8mm的非晶合金棒材，并具有25A:45t的过冷液相区间。(3)本发明的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金具有良好的软磁性能，其饱和磁感应强度不低于1.30r，并且具有《5.5爿/w的矫顽力。图1是采用本发明方法制备得到的Fe77Al3PgB2C9块体非晶合金的XRD图。图2是采用本发明方法制备得到的Fe77Al3P9B2C9块体非晶合金的DSC图。图3是釆用本发明方法制备得到的Fe77Al3P9B2C9块体非晶合金的OM图。图4是采用本发明方法制备得到的Fe77Al3P9B2C9块体非晶合金经热处理后饱和磁感应强度图。图5是釆用本发明方法制备得到的Fe77Al3PgB2C9块体非晶合金的矫顽力变化曲线图。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明是一种具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，类金属元素M可以是B或Si或B+Si的组合。本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-B块体非晶合金成分为含有15at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的B和余量的Fe，Fe-Al-P-C-B块体非晶合金成分的原子百分比含量共计为100。本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金成分为含有15at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的Si和余量的Fe,Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金成分的原子百分比含量共计为100。当类金属元素M为B+Si时，本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-B-Si铁基块体非晶合金成分为含有15at。/。的Al、51lat。/。的P、49at。/。的C、0.56at%的B、0.56at。/。的Si和余量的Fe，Fe-Al-P-C-B-Si块体非晶合金成分的原子百分比含量共计为100。制备本发明的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的步骤有步骤一配料按照Fe-Al-P-C-M的名义成分称取FeP、FeB、铁块、铝块、碳棒和硅块，形成制备Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的原料；铁块的质量百分比纯度为大于等于99.8%;铝块的质量百分比纯度为大于等于99.9%;碳棒的质量百分比纯度为大于等于99.99%;硅块的质量百分比纯度为大于等于99.99%;步骤二熔炼母合金将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼均匀后取出母合金锭；熔炼条件在熔炼原料时真空感应熔炼炉的炉内真空度为3X10-ip"5Xl0一3户"、熔炼温度1100。C1600。C、熔炼时间515min;步骤三制备铁基非晶合金块体材料将步骤二制备得到的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节感应电流至300^500mJ，待母合金完全熔化后将熔体喷射入铜模中，随铜模冷却得到Fe-Al-P-C-M块体非晶合金。实施例1:制？677八1^9820:9块体非晶合金制lS.728g的具有软磁性的Fe77Al3P9B2Cg块体非晶合金的步骤有步骤一配料按照Fe77Al3P9B2C9的名义成分称取5.000g的FeP、0.481g的FeB、12.507g的铁块、0.317g的铝块和0.423g的碳棒，形成制备？67^13982<39块体非晶合金的原料；铁块的质量百分比纯度为大于等于99.8%;铝块的质量百分比纯度为大于等于99.9%;碳棒的质量百分比纯度为大于等于99.99%;步骤二熔炼母合金将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼均匀后取出母合金锭；熔炼条件在熔炼原料时真空感应熔炼炉的炉内真空度为3X1(T2/50、熔炼温度1300°C、熔炼时间5min;步骤三制备铁基非晶合金块体材料将步骤二制备得到的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节感应电流至410mX，待母合金完全熔化后将熔体喷射入铜模中，随铜模冷却得到Fe77Al3P9B2C9块体非晶合金。将实施例1制得的Fe77Al3PgB2C9块体非晶合金分别经X射线衍射(XRD)、差示扫描热量仪(DSC)及光学电镜(OM)对比分析。从图l所示的XRD图中可以看出采用FeP、FeB、铁块、铝块和碳棒制得的是Fe77Al3P9B2C9块体非晶合金。从图2所示的DSC图中可以看出Fe77Al3PgB2C9块体非晶合金具有明显的居里温度590《，玻璃转变温度707《，晶化温度749义。从图3所示的OM图中可以看出？€77^#982(:9块体非晶合金的临界直径为3.0ww的非晶合金棒和厚度大于0.05ww的非晶带材。从图4中可以看出Fe77Al3PgB2C9块体非晶合金具备良好的软磁性能，其饱和磁感应强度为1.36r。从图5中可以看出Fe77Al3P9B2C9块体非晶合金经热处理后的矫顽力为采用与实施例l相同的制备方法制不同成分的Fe-Al-P-C-B块体非晶合金，其性能如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例2:制Fe75Al5PuCsS"块体非晶合金制备15.319g的具有软磁性的Fe75AlsPuC8S"块体非晶合金的步骤有步骤一配料按照FewAlsPuCsSh的名义成分称取5.000g的FeP、9.490g的铁块、0.432g的铝块、0.307g的碳棒和0.090g的硅块，形成制备Fe75Al5PuCsS"块体非晶合金的原料；铁块的质量百分比纯度为大于等于99.8%;铝块的质量百分比纯度为大于等于99.9%;碳棒的质量百分比纯度为大于等于99.99%;硅块的质量百分比纯度为大于等于99.99%;步骤二熔炼母合金将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼均匀后取出母合金锭；熔炼条件在熔炼原料时真空感应熔炼炉的炉内真空度为5X10_3Z^、熔炼温度1400°C、熔炼时间15min;步骤三制备铁基非晶合金块体材料将步骤二制备得到的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节感应电流至400恥4，待母合金完全熔化后将熔体喷射入铜模中，随铜模冷却得到Fe^AlsPuCgS"块体非晶合金。将实施例2制得的Fe75Al5PnC8S、块体非晶合金经X射线衍射(XRD)、差示扫描热量仪(DSC)及光学电镜(OM)对比分析，得出临界直径为1.5mm的非晶合金棒和厚度大于0,05m附的非晶带材；DSC实验发现其具有具有明显的居里温度567《，玻璃转变温度707《，晶化温度42《。该Fe75Al5PnCsSii块体非晶合金还具备良好的软磁性能，其饱和磁感应强度为1.36r，热处理后的矫顽力2.1J/m。釆用与实施例2相同的制备方法制不同成分的Fe-A1-P-C-Si块体非晶合金，其性能如下表所示成分居里温度玻璃转变温度晶化温度临界直径饱和磁感应强度矫顽力5737017301.51.373.65707087422.01.323.2Fe77Al3P10C8Si25757117411.51.283.5Fe77Al3P10C6Si45777207421.01.274.2实施例3:制？67^^>982(37812块体非晶合金制备18.854g的具有软磁性的Fe77Al3P9B2C7Si2块体非晶合金的步骤有步骤一配料按照Fe77Al3P9B2C7Si2的名义成分称取5.000g的FeP、0.481g的FeB、12.507g的铁块、0.317g的铝块、0.329g的碳棒和0.220g的硅块，形成制备7677^3982<37312铁基块体非晶合金的原料；铁块的质量百分比纯度为大于等于99.8%;铝块的质量百分比纯度为大于等于99.9%;碳棒的质量百分比纯度为大于等于99.99%;硅块的质量百分比纯度为大于等于99.99%;步骤二熔炼母合金将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼均匀后取出母合金锭；熔炼条件在熔炼原料时真空感应熔炼炉的炉内真空度为3XlO—i^、熔炼温度125CTC、熔炼时间10min;步骤三制备铁基非晶合金块体材料将步骤二制备得到的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节感应电流至380m^，待母合金完全熔化后将熔体喷射入铜模中，随铜模冷却得到Fe77Al3P9B2C7Si2块体非晶合金。将实施例3制得的Fe77Al3P9B2C7Si2块体非晶合金经X射线衍射(XRD)、差示扫描热量仪(DSC)及光学电镜(OM)对比分析，得出临界直径为3.8附m的非晶合金棒和厚度大于0.05mm的非晶带材；DSC实验发现其具有具有明显的居里温度592《，玻璃转变温度718《，晶化温度753《。该？677^3982(:7312块体非晶合金还具备良好的软磁性能，其饱和磁感应强度为1.30r，热处理后的矫顽力3.0爿/w。采用与实施例3相同的制备方法制不同成分的Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金，其性能如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>对本发明制得的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，采用差示扫描热量仪(DSC)实验分析，得到居里转变温度、玻璃转变温度和晶化温度；通过晶化温度与玻璃转变温度之间的差值，可以用来评价该合金体系中不同合金成分的非晶形成能力。对本发明制得的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，进行XRD、DSC和OM实验分析，以判断各实施例的各种尺寸试样棒是否为完全非晶，从而确定实施例的非晶形成临界直径。权利要求1、一种具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其特征在于是在Fe-Al-P-C块体非晶合金中加入类金属元素M，该类金属元素M是指B或Si或B+Si的组合；具有软磁性的Fe-Al-P-C-B块体非晶合金成分为1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B和余量的Fe；具有软磁性的Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金成分为1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的Si和余量的Fe；具有软磁性的Fe-Al-P-C-B-Si块体非晶合金成分为1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B、0.5～6at％的Si和余量的Fe。2、根据权利要求1所述的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-B块体非晶合金还包括有下列具体成分Fe^AlsPwBiCg或Fe77Al3P9B2C9或Fe77Al3P8B3C9或Fe77Al3P7B4C9或Fe77Al3P6B5C9或Fe77Al3P7B5C8或Fe77Al3P8B5C7或Fe77Al3^。B3C7。3、根据权利要求1所述的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金还包括有下列具体成分Fe^AlsPuCsSii或Fe^AhPuCsSii或FewAlsPuCsS^或FewAlsPwCsSk或Fe^AlgP^QS"。4、根据权利要求1所述的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-B-Si块体非晶合金还包括有下列具体成分Fe77Al3P9B2C7Si2或Fe^AliPgBsCsSii或Fe^A^PgBsCgS"或FenAlgPgBsCgSii或FewA^PgBsCgSii或Fe^AlsPgBsCsS^或Fe77Al3P9B2C7Si2或Fe77Al3P9B2C6Si3或Fe77Al3P9B2C5Si4或Fe77Al3P7B6C5Si2或Fe^AlgPuB^^"。5、根据权利要求1所述的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的临界直径为l.Omm3.8mm的非晶合金棒材，并具有25A:45*的过冷液相区间。6、根据权利要求1所述的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的饱和磁感应强度不低于1.30r，并且具有<5.5爿/的矫元页力。7、一种制备如权利要求1所述的具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的方法，其特征在于有下列步骤步骤一配料按照Fe-Al-P-C-M的名义成分称取FeP、FeB、铁块、铝块、碳棒和硅块，形成制备Fe-Al-P-C-M块体非晶合金的原料；铁块的质量百分比纯度为大于等于99.8%;铝块的质量百分比纯度为大于等于99.9%;碳棒的质量百分比纯度为大于等于99.99%;硅块的质量百分比纯度为大于等于99.99%;步骤二熔炼母合金将步骤一称量所得的原料放入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼均匀后取出母合金锭；熔炼条件在熔炼原料时真空感应熔炼炉的炉内真空度为3X10—iPa5Xl0—3尸fl、熔炼温度1100。C1600。C、熔炼时间5l5min;步骤三制备铁基非晶合金块体材料将步骤二制备得到的母合金放入快速凝固装置的感应炉中，调节感应电流至300m^500mj,待母合金完全熔化后将熔体喷射入铜模中，随铜模冷却得到Fe-Al-P-C-M块体非晶合金。全文摘要本发明公开了一种具有软磁性的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，是在Fe-Al-P-C块体非晶合金中加入类金属元素M，该类金属元素M是指B或Si或B+Si的组合；其中具有软磁性的Fe-Al-P-C-B块体非晶合金成分为1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B和余量的Fe；具有软磁性的Fe-Al-P-C-Si块体非晶合金成分为1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的Si和余量的Fe；具有软磁性的Fe-Al-P-C-B-Si块体非晶合金成分为1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B、0.5～6at％的Si和余量的Fe。本发明设计了一种不含Ga、Zr、Mo、Nb和Y等较贵金属元素和稀土元素的Fe-Al-P-C-M块体非晶合金，其原材料成本低廉。文档编号H01F1/153GK101603159SQ20091008931公开日2009年12月16日申请日期2009年7月15日优先权日2009年7月15日发明者涛张,王剑锋申请人:北京航空航天大学