一种FeCo基纳米晶软磁合金材料及其制备方法

一种feco基纳米晶软磁合金材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及软磁材料技术领域，尤其涉及一种feco基纳米晶软磁合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.为一种新型功能材料，feco基纳米晶软磁合金以其优异的磁性能、低廉的成本、相对简单的生产工艺等特点，在电力电子、通信、能源等领域发挥越来越重要的作用。并且当前对高温应用磁性材料的开发倍受重视，因为它们是发展航空航天和高技术武器系统成功的关键材料。
3.据有关资料透露：高温磁性材料有下列应用：在航空航天多电力飞行器(mea)中做集成动力装置(ipu)，其工作温度从现在的300 ℃提高到500～600 ℃，高速转子还承受500 mpa～600 mpa的切应力。无人驾驶战斗飞行器(ucav)主推力发动机的内置起动器和发电机(isi g)的定子转子，其工作温度达400℃，并受825mpa应力。宇宙飞船动力系统(sps)气体涡轮发动机的非接触磁力轴承，包括推力轴承和径向轴承的旋转元件，工作温度达 550℃。行星际航天飞行器用核电动力系统的工作温度更是高达870 ℃。
4.上述各种应用的总体要求是整机系统及其所用元器件在高温工作条件下仍然要有高的可靠性和可维修性。但是现在软磁材料的耐受温度通常局限于500摄氏度左右，极大的限制了这类材料进一步的应用。所以如何制备出高饱和磁感应强度和耐高温的软磁材料一直是国际上一个重要的研究课题。
5.一般情况下磁性材料都有一个临界温度tc，即居里温度，高于该温度由于原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列变成混乱无序，磁性物质失去铁磁性。居里温度是磁性材料的本征参数，仅与材料的化学成分和晶体结构有关，与晶体取向、应力分布等结构因素无关。研究发现，铁磁性元素fe在室温下的居里温度为1043 k，而co同样是铁磁性元素，其居里温度高达1390 k。因此，利用co取代fe可提供材料的居里温度。
6.中国专利文献上公开了“一种制备feco基块体非晶软磁材料的方法”，其申请公布号为cn101736210a，该发明的块体非晶材料中含有大量稀土元素y和nb，其居里温度只有265℃，远达不到高温软磁材料的标准。
7.中国专利文献上公开了“一种具有高居里温度的纳米晶软磁fe
44
co
43
‑
x
zr7b5al
1+x
纳米晶合金”，其申请公布号为cn101104907a，该发明是在fe
44
co
44
zr7b4cu1的基础上进行的改进，主要利用al替代cu，而fe和co的比例接近1:1，同时体系中含有金属元素zr和al，极大增加了合金成本。
8.中国专利文献上公开了“一种利用ge掺杂feco的双相软磁合金”，其申请公布号为cn101260494a，该发明制备的fe
44
co
43
‑
x
zr7b5ge
1+x
纳米晶合金同样是在fe
44
co
44
zr7b4cu1的基础上进行的改进，利用ge取代cu，同时保持fe和co接近1:1的配比。由于co和zr等金属元素的大量使用，极大增加了合金成本。


技术实现要素：

9.本发明为了克服上述现有技术中存在的问题，提供了一种具有高的居里温度和磁感应强度的feco基纳米晶软磁合金材料。
10.本发明还提供了一种feco基纳米晶软磁合金材料的制备方法，该方法原料易得，工艺简单，对设备无特殊要求，易于产业化。
11.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种feco基纳米晶软磁合金材料，其化学结构通式为fe
a
co
b
b
c
si
d
，a=66，b=20，6≤c≤12，2≤d≤8，其中，a、b、c、d为原子百分比，且满足a+b+c+d=100。
12.本发明以fe
‑
co
‑
b
‑
si合金系为研究对象，通过元素替代、提高si元素含量的形式进行成分设计，开发高fe低co含量的纳米晶合金成分。本发明通过co元素部分取代fe元素，利用合金低温时无序α
‑
(feco)相在升高温度时转变为有序α`
‑
(feco)相的原理提高合金的居里温度，同时保持fe和co的原子百分比为33:10以获得最大的饱和磁感应强度。该体系中高的居里温度和最大磁感应强度主要得益于合金高温时fe
‑
co、co
‑
co原子对之间远高于fe
‑
fe原子对的强烈相互作用和以co为中心的纳米团簇较高的配位数。由于整个体系中不含除fe、co以外的其他金属元素，整体生产成本也会大大降低。
13.作为优选，所述feco基纳米晶软磁合金材料为纳米晶结构，平均晶粒尺寸d
c
为26≤d
c
≤33。
14.作为优选，所述feco基纳米晶软磁合金材料的矫顽力hc和饱和磁化强度为：0.2 a/m≤hc≤50 a/m，166 emu/g≤ms≤285 emu/g。
15.与现有技术相比，本发明中feco基软磁合金中采用的原材料为常见的fe、co、si和中间合金fe
‑
b，不含有类似nb、zr、cu等价格较高的金属，所述合金只含有fe、co两种金属元素，不含有其他金属元素。所制备的合金的居里温度更是达到了900℃左右。并且成本低制备流程简单，而且具有良好的韧性。
16.一种feco基纳米晶软磁合金材料的制备方法，包括以下步骤：（1）按照上述化学结构通式进行原料配料，在惰性气氛保护下，进行电弧熔炼，获得母合金锭样品；所述原料为高纯（(99.99%）原料。在熔炼炉熔炼的过程中，在惰性气氛保护下进行的以防止被氧化；（2）将母合金锭样品进行真空熔体快淬，得到纳米晶薄带，即得feco基纳米晶软磁合金材料。
17.本发明通过单辊甩带法制备铁钴基纳米晶软磁材料；研究si对合金薄带非晶形成能力、微观组织结构、热稳定性以及磁性能等的影响。
18.在本发明中金属软磁条带的制备过程并不影响原始fe基软磁合金的优异软磁性能、高饱和磁通密度、高磁导率、低矫顽力，因此对该金属软磁条带的检测表征即可反应原有合金的特性，而且在测试操作中更加便捷。对成品测试过程中,利用x射线衍射(xrd)和扫描电镜(sem)考察带材的微观结构，发现本发明涉及的fe基条带确实为纳米晶结构；利用示差扫描量热法(dsc)确定带材的热力学特征温度；超导量子干涉仪（squid）测量得到成品条带的饱和磁化强度，最后综合对比得到的结果，确定了该feco基纳米晶合金带材确实展现的为软磁性质。
19.作为优选，步骤（1）中，电弧熔炼采用非自耗电弧熔炼炉。
20.作为优选，步骤（1）中，电弧熔炼前，将熔炼炉腔内抽真空至3
×
10
‑
3 pa以下；电弧熔炼4~5次，以确保得到的母合金锭中成分分布均匀。
21.作为优选，步骤（2）中，真空熔体快淬过程中控制铜轮的转速为30~45 m/s。
22.作为优选，步骤（2）中，所述纳米晶薄带的长为1~20 cm，厚度为15~35μm。
23.因此，本发明具有如下有益效果：（1）本发明通过对合金元素的选择，铁的含量达到66%，co的含量控制在20%左右，钴含量的降低后合金依然具有很好的软磁性能，同时co含量的降低提高了合金的热稳定性；（2）本发明中，制备合金所采用的原材料都是一些常见且廉价的原料。不含有一些价格昂贵且稀有的原材料，例如：zr、cu、gd、nb等。并且所使用的原材料的纯度都达到了工业级纯度，因为与其他成分的合金相比，大大降低了原材料的成本；（3）本发明中，所得到的合金条带不仅拥有着优异软磁性能，而且有着高的居里温度，便于后续的应用。而且容易实现产业化生产。
附图说明
24.图1为实施例1
‑
4制得的feco基软磁合金材料的xrd图。
25.图2为实施例1
‑
4制得的feco基软磁合金材料的m
‑
h图。
26.图3为实施例1制得的feco基软磁合金材料的sem图。
27.图4为实施例1
‑
4制得的feco基软磁合金材料的热磁曲线图。
具体实施方式
28.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
29.在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
30.实施例1：一种feco基软磁合金材料其化学式为fe
66
co
20
b
12
si2，所述材料制备方法包括以下步骤：1）按照fe
66
co
20
b
12
si2化学式中的配制原料，fe、co、si、fe
‑
b的纯度均高于99.99%；2）将称量好的原料放入电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，然后关上炉门；熔炼前，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向熔炼炉腔内冲入氩气作为保护气，同时作为引弧气体。采用电弧熔炼法熔炼多晶合金样品，使用四个工位，每个工位样品熔炼4 遍，每次开启电磁搅拌装置，保证熔炼的样品熔炼充分，成分均匀；3）将熔炼的合金铸锭分成大于3 g以上的小锭子，把小锭子至于底部带圆孔（直径1 mm）的石英管内，安放在甩带机感应熔炼线圈中，关闭甩带腔门，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下；随后切断真空系统，向腔内冲入氩气作为保护气压强为
‑
0.05 mpa。设置铜轮的线速度为45 m/s，随后采用感应加热形式来加热锭子至熔融状态，打开充气阀开关，通过高速氩气流从石英管上部吹熔融锭子，锭子会通过石英管底部圆孔喷射到转动的铜轮上快速甩
出，获得宽度1~2 mm，厚度15~30 μm的薄带，其sem图如图3所示；4）对得到的合金条带进行一系列的测性能测试。如图1所示，xrd图谱上显示出明显的晶体相α
‑
(feco)，然后通过使用差式扫描量热仪（dsc）确定成品带材的热力学特征温度；磁性能测得最大磁感应强度b
m
为1.38 t、矫顽力h
c
为9.5 a/m、居里温度为955.6℃，因此可以推断出所得成品条带是典型的纳米晶软磁材料。
31.实施例2：一种feco基软磁合金材料其化学式为fe
66
co
20
b
10
si4，所述材料制备方法包括以下步骤：1）按照fe
66
co
20
b
10
si4化学式中的配制原料，fe、co、si、fe
‑
b的纯度均高于99.99%；2）将称量好的原料放入电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，然后关上炉门。熔炼前，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向熔炼炉腔内冲入氩气作为保护气，同时作为引弧气体。采用电弧熔炼法熔炼多晶合金样品，使用四个工位，每个工位样品熔炼4 遍，每次开启电磁搅拌装置，保证熔炼的样品熔炼充分，成分均匀；3）将熔炼的合金铸锭分成大于3 g以上的小锭子，把小锭子至于底部带圆孔（直径1 mm）的石英管内，安放在甩带机感应熔炼线圈中，关闭甩带腔门，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向腔内冲入氩气作为保护气压强为
‑
0.05 mpa。设置铜轮的线速度为45 m/s，随后采用感应加热形式来加热锭子至熔融状态，打开充气阀开关，通过高速氩气流从石英管上部吹熔融锭子，锭子会通过石英管底部圆孔喷射到转动的铜轮上快速甩出，获得宽度1~2 mm，厚度15~30 μm的薄带；4）对得到的合金条带进行一系列的测性能测试。如图1所示，xrd图谱上显示出明显的晶体相α
‑
(feco)，然后通过使用差式扫描量热仪（dsc）确定成品带材的热力学特征温度；磁性能测得最大磁感应强度b
m
为1.34 t、矫顽力h
c
为13.4 a/m、居里温度为926.4℃，因此可以推断出所得成品条带是典型的纳米晶软磁材料。
32.实施例3：一种feco基软磁合金材料其化学式为fe
66
co
20
b8si6，所述材料制备方法包括以下步骤：1）按照fe
66
co
20
b8si6化学式中的配制原料，fe、co、si、fe
‑
b的纯度均高于99.99%；2）将称量好的原料放入电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，然后关上炉门。熔炼前，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向熔炼炉腔内冲入氩气作为保护气，同时作为引弧气体。采用电弧熔炼法熔炼多晶合金样品，使用四个工位，每个工位样品熔炼4 遍，每次开启电磁搅拌装置，保证熔炼的样品熔炼充分，成分均匀；3）将熔炼的合金铸锭分成大于3 g以上的小锭子，把小锭子至于底部带圆孔（直径1 mm）的石英管内，安放在甩带机感应熔炼线圈中，关闭甩带腔门，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向腔内冲入氩气作为保护气压强为
‑
0.05 mpa。设置铜轮的线速度为45 m/s，随后采用感应加热形式来加热锭子至熔融状态，打开充气阀开关，通过高速氩气流从石英管上部吹熔融锭子，锭子会通过石英管底部圆孔喷射到转动的铜轮上快速甩出，获得宽度1~2 mm，厚度15~30 μm的薄带；
4）对得到的合金条带进行一系列的测性能测试。如图1所示，xrd图谱上显示出明显的晶体相α
‑
(feco)，然后通过使用差式扫描量热仪（dsc）确定成品带材的热力学特征温度；磁性能测得最大磁感应强度b
m
为1.17 t、矫顽力h
c
为24.1 a/m、居里温度为897.9℃，因此可以推断出所得成品条带是典型的纳米晶软磁材料。
33.实施例4：一种feco基软磁合金材料其化学式为fe
66
co
20
b6si8，所述材料制备方法包括以下步骤：1）按照fe
66
co
20
b6si8化学式中的配制原料，fe、co、si、fe
‑
b的纯度均高于99.99%；2）将称量好的原料放入电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，然后关上炉门。熔炼前，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向熔炼炉腔内冲入氩气作为保护气，同时作为引弧气体。采用电弧熔炼法熔炼多晶合金样品，使用四个工位，每个工位样品熔炼4 遍，每次开启电磁搅拌装置，保证熔炼的样品熔炼充分，成分均匀；3）将熔炼的合金铸锭分成大于3 g以上的小锭子，把小锭子至于底部带圆孔（直径1 mm）的石英管内，安放在甩带机感应熔炼线圈中，关闭甩带腔门，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向腔内冲入氩气作为保护气压强为
‑
0.05 mpa。设置铜轮的线速度为45 m/s，随后采用感应加热形式来加热锭子至熔融状态，打开充气阀开关，通过高速氩气流从石英管上部吹熔融锭子，锭子会通过石英管底部圆孔喷射到转动的铜轮上快速甩出，获得宽度1~2 mm，厚度15~30 μm的薄带；4）对得到的合金条带进行一系列的测性能测试。如图1所示，xrd图谱上显示出明显的晶体相α
‑
(feco)，然后通过使用差式扫描量热仪（dsc）确定成品带材的热力学特征温度；磁性能测得最大磁感应强度b
m
为1.20 t、矫顽力h
c
为32.9 a/m、居里温度为884.0℃，因此可以推断出所得成品条带是典型的纳米晶软磁材料。
34.对比例1：一种feco基软磁合金材料其化学式为fe
66
co
20
b
14
，所述材料制备方法包括以下步骤：1）按照fe
66
co
20
b
14
化学式中的配制原料，fe、co、fe
‑
b的纯度均高于99.99%；2）将称量好的原料放入电弧熔炼炉中的水冷铜坩埚中，然后关上炉门。熔炼前，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向熔炼炉腔内冲入氩气作为保护气，同时作为引弧气体。采用电弧熔炼法熔炼多晶合金样品，使用四个工位，每个工位样品熔炼4 遍，每次开启电磁搅拌装置，保证熔炼的样品熔炼充分，成分均匀；3）将熔炼的合金铸锭分成大于3 g以上的小锭子，把小锭子至于底部带圆孔（直径1 mm）的石英管内，安放在甩带机感应熔炼线圈中，关闭甩带腔门，先用机械泵将真空抽至10 pa以下，再改用分子泵抽高真空至3
×
10
‑
3 pa以下。随后切断真空系统，向腔内冲入氩气作为保护气压强为
‑
0.05 mpa。设置铜轮的线速度为45 m/s，随后采用感应加热形式来加热锭子至熔融状态，打开充气阀开关，通过高速氩气流从石英管上部吹熔融锭子，锭子会通过石英管底部圆孔喷射到转动的铜轮上快速甩出，获得宽度1~2 mm，厚度15~30 μm的薄带；4）对得到的合金条带进行磁性能测得最大磁感应强度b
m
为1.53 t、矫顽力h
c
为
16.3 a/m、居里温度为820.2℃，因此可以推断出所得成品条带是典型的纳米晶软磁材料。
35.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。