强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁性功能材料领域，特别涉及一种强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁 合金及其制备方法，该合金兼具强非晶形成能力、高热稳定性、优异软磁性能。
【背景技术】
[0002] Fe纳米晶合金具有高电阻率、低损耗、高强韧性、高磁导率以及较高的饱和磁化强 度等优点，同时制备流程短、产品节能环保，因此被认为是制作开关电源、脉冲变压器铁芯， 互感器、磁放大器、尖峰抑制器、差模电感铁芯和电抗器铁芯等电力和电子设备的理想材 料。
[0003] 但跟商业化硅钢片相比，铁基纳米晶合金饱和磁感应强度相对较低。晶态取向硅 钢的Bs值约在2T，而典型的纳米晶合金Fe73.5CUlNb3Si13.5B9的Bs值仅为1. 24T。随着磁性 元器件高效小型化的发展，对铁基纳米晶材料的软磁性能提出了更高的要求，如变压器铁 芯、电动机转子和磁力开关等，往往希望这些装置的饱和磁感应强度较高，因为这意味着装 置尺寸的减小或者激励功率的降低。
[0004] 日本专利JP1156451A公布了一种表达式为FeCoCuSiBM'的高饱和磁感应强度的 纳米晶合金，其中，1'代表他、1、1&、21~、1^、11中的一种或多种元素，并通过控制热处理制 度，保持结晶相的体积分数在50%以上，使得合金的饱和磁感应强度在1.4T及以上。这实 际上是控制热处理方式，更多地获得a_Fe晶粒析出，以a-Fe本身的高Bs来提高合金的 饱和磁感应强度。但这种方法提升的潜力有限，其例举的最高Bs仅在1. 58T。
[0005] 中国专利申请CN1704498A公开了一种三元及多元铁基块状纳米晶合金的成分范 围。其原子配比以化学通式MaXbZ。表示，M指基底以铁为主的铁磁性元素且含有少量其它元 素（Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Ga、Sn、Bi中的一 种或几种），X是选自Sc、Y、La、Ce、Sm、Dy、Ho、Er、Yb中的一种或几种元素（可以少量Zr、 他取代），2为选自匕(：、51、队？、66、3中的一种或几种元素，具体含量（原子百分比）为 a= 53-62%或 65-85%，b= 1-15%，c= 9-15%或 17-27%或 35-41%。所得到的合金棒 材的饱和磁感应强度最高1. 8T，但矫顽力较大，高达100A/m。
[0006] 日本专利JP2006040906公布了一种在淬态时即含有平均粒径在50nm以下的 a-Fe晶粒的非晶态合金，带材可进行180°弯曲，经高于晶化温度的适当温度退火后，其 饱和磁感应强度可提高到1.6T。但此成分的非晶形成能力差，在制备过程中就已经发生微 结晶，其例举的最高Bs仅为1. 6T。
[0007] 美国专利US005449419公开了 一种表达式为Fe-Zr/Hf-B(Cu)的纳米晶合金，其饱 和磁化强度可以达到1. 7T，软磁性能优良，但由于合金中大量的Zr或Hf元素，不仅提高了 合金的成本，而且对制备条件要求苛刻。
[0008] 中国专利CN101834046B公开了 一种表达式为FexSiyBzPaCu b纳米晶合金，其饱和磁 感应强度可达1. 9T，软磁性能优异。但是该成分非晶形成能力很差，在制备过程中即产生高 密度纳米晶核，后续晶化热处理必须采用快速退火才能得到性能优异的纳米双相结构，因 此该成分退火工艺难于控制，难以工业化生产。
[0009] 综上所述，目前市场上开发的高饱和磁感应强度纳米晶软磁合金由于非晶形成能 力差，所需临界冷却速率非常高（>106°c/s)，甚至非晶前驱体发生微晶化，这对生产装备、 工艺及热处理工艺要求极为苛刻，给纳米晶的生产制备带来了极大的难度，同时限制了纳 米晶的应用领域。因此本领域需要开发兼具低临界冷却速率（例如<〈10 3°c/s)、强非晶形 成能力的铁基纳米晶合金、良好热处理工艺的商饱和磁感应强度铁基纳米晶软磁合金，从 而大幅突破纳米晶生产工艺及退火工艺的限制与困难度。
【发明内容】
[0010] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种强非晶形成能力的铁基纳米晶 软磁合金及其制备方法，该合金成分设计合理、非晶形成能力强、热稳定性好、且软磁性能 优异。
[0011] 发明人依据现有技术中的不足之处，提出这种新型铁基纳米晶合金。其成分设计 思路是采用拥有大非晶形成能力的FeSiBPNb系合金作为基础合金，依据设计者要求添加 具有大非晶形成能力铁磁性元素、以及形成纳米晶的必要元素，对成分及含量进行合理设 计，然后通过熔炼、快淬、铜模铸造等现有的生产技术制备出性能优异的纳米晶软磁合金。
[0012] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0013] 一种强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁合金，该合金的表达式为 FexSijbPJbdCu^，所述表达式中x、a、b、c、d和e分别表示各对应组分的原子百分比含量， 且满足以下条件：〇? 5彡a彡12,0. 5彡b彡15,0. 5彡c彡12,0. 1彡d彡3,0. 1彡e彡3， 70 <x< 85,x+a+b+c+d+e= 100%。
[0014] 在上述铁基纳米晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Fe的原子百分 比含量x的取值范围为76彡x彡82。
[0015] 在上述铁基纳米晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Si的原子百分 比含量a的取值范围为2彡a彡10。
[0016] 在上述铁基纳米晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分B的原子百分 比含量b的取值范围为2彡b彡10。
[0017] 在上述铁基纳米晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分P的原子百分 比含量c的取值范围为2彡b彡6。
[0018] 在上述铁基纳米晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Nb的原子百分 比含量d的取值范围为0. 5彡d彡2. 5。
[0019] 在上述铁基纳米晶软磁合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Cu的原子百分 比含量e的取值范围为0. 5彡e彡1. 5。
[0020] 下面对上述铁基纳米晶软磁合金的成分设计原理进行说明：
[0021] 在本发明的铁基纳米晶合金中，Si元素的原子％要满足：0. 5 < 12,优选的范 围是2 <a< 10。Si元素是构成非晶态合金的常用元素，Si元素的适量添加，不仅能提高 合金的热稳定性和居里温度，提高合金的非晶形成能力，而且还能提高B和P等类金属元素 在合金中的溶解度，扩大合金的成分范围；当Si元素原子％含量少于0. 5时，Si元素的促 进形成非晶态合金的作用很难充分发挥出来，而当Si元素原子％含量大于12时，则会降低 铁磁性元素的含量，无法获得高饱和磁感应强度的软磁合金。
[0022] 在本发明的铁基纳米晶合金中，B元素的原子％要满足0. 5 <b< 15,优选的范围 是2彡b彡10。当B原子％小于0. 5时，B元素含量太低，则不易形成纳米晶合金的前驱 体，即非晶态合金。而当B原子％大于15时，则会降低合金中铁磁性元素含量而降低合金 的饱和磁感应强度。
[0023] 在本发明的铁基纳米晶合金中，P元素的原子％要满足：0. 5彡c彡12,优选的范 围是2 <c< 6。P元素是构成非晶态合金的常用元素，P元素的适量添加，P和体系里的 其他元素都有较大的负的混合热，P的添加有利于提高过冷液相区的稳定性，不仅可以提高 合金的非晶形成能力，而且能提高合金的热稳定性和扩大非晶合金的热处理温区范围。当 P元素原子％含量少于〇. 5时，P元素的促进形成非晶态合金的作用难以发挥出来，而当P 元素原子％含量大于12时，则会降低铁磁性元素的含量，无法获得高饱和磁感应强度的软 磁合金。
[0024]在本发明的铁基纳米晶合金中，Nb的原子％要满足0.1彡d彡3,优选的范围为 0. 5 <d< 2. 5。Nb为大原子元素，同时也是抑制a-Fe纳米晶粒长大、细化晶粒、提升纳米 晶软磁性能的有效元素。由于Nb元素均为非铁磁性元素，含量超过3原子％时，会降低合 金中铁磁性元素含量，从而降低饱和磁感应强度。而Nb元素含量少于0. 1原子％时，Nb元 素的提高非晶形成能力、细化晶粒、改善软磁性能的作用难以发挥出来。
[0025]在本发明的铁基纳米晶合金中，Cu元素因其不溶于Fe，在热处理时，首先从非晶 基体中均匀析出，促进a-Fe形核，是制备纳米晶合金的通用元素。Cu元素的原子％要满 足：0. 1彡e彡3,优选的范围是0. 5彡e彡1. 5。当Cu原子％大于3时，合金的非晶形成 能力变差，难以制