专利名称：一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及软磁材料技术领域，特别是涉及一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法。
背景技术：
非晶合金又称金属玻璃，是一种采用超高速凝固技术制备而成的新型亚稳态功能材料，固态时其原子排列是短程有序，长程无序。非晶合金结构的特殊性赋予了传统金属材料所达不到的优异性能。如高的硬度、强度，电阻率和耐磨、耐腐蚀性以及优异的软磁性能等优点。与此同时纳米技术的发展也促进了材料领域的科研发展。纳米晶体材料因晶粒尺寸超细(与电子波长、平均自由程等为同一数量级)，大量的原子分布在晶粒的界面上，从而表现出与传统晶体材料和非晶材料不同的性能。如高强度、高比热和良好的塑变形能力等。近年来，人们研究发现利用非晶晶化法可以制备纳米晶合金，因其呈现出优异的磁学性能，而成为现代新型磁性材料研究的热点。20世纪80年代初，德国人Gleite H提出了纳米晶体材料的概念并首先成功研制出了人工纳米晶体，实验结果发现这类固体材料不仅强度高，而且结构和性能都具有特殊性，从此各国科学家竞相开展这种新材料的研究和开发工作，纳米晶合金被誉为“21世纪的新材料”。1988年，日本日立金属公司的Yoshizawa等人首先制备了Fe0 735CuQ. 01Nb0.Q3Si0.135BQ.09纳米晶合金,并命名为Finemet。这种铁基纳米晶合金以优异的软磁性能引起了世界各国材料学家的广泛关注。这一方面是由于铁基纳米材料独特的结构特征，另一方面是由于纳米晶合金兼有优异的磁学和物理力学性能，从而为提高材料的综合性能和发展新一代高性能材料创造了有利条件。这种软磁合金最大的特点是具有与钴基非晶合金相当的低功耗、高磁导率和接近于零的磁致伸缩系数，同时它的饱和磁感应强度超过了同类性能的其他软磁材料，达到1. 2T左右。该软磁合金是在传统的Fe-S1-B非晶合金的基础上添加少量的Cu和Nb，通 过退火处理而得，大量尺度在10 15nm的Fe-Si晶粒均匀地分布于残余非晶基体之中，得到了所谓的“纳米晶”机构。这类元素的主要作用是扩散缓慢，抑制a-Fe颗粒的长大，从而保证晶粒的纳米尺寸，同时也能降低饱和磁致伸缩系数、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能，Cr对耐腐蚀性也有明显作用。
发明内容
本发明目的是提供一种磁性能优良、制作工艺相对成本较低的铁基非晶货纳米晶软磁合金及制备方法。本发明铁基非(纳米)晶合金成分(原子百分比)可表示为FeaSibBcCudNbeMfJ为皿0或1或0，&、13、(3、(1、6汀为原子百分比，变化范围为0· 6彡a彡O. 8，O. 05彡b彡O. 2，
O.05 彡 c 彡 O. 2，O. 01 彡 d 彡 O. 1，0· 01 彡 e 彡 O. 1,0. 05 ^ f ^ O.1，并且 a+b+c+d+e+f =
Io通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶合金或纳米晶粒均匀分布非晶集体上的纳米晶合金。通过改变各种元素的含量及热处理工艺，控制非(纳米)晶合金的微观结构，有效地改善和优化了合金的综合软磁性能，同时大幅降低合金的原材料成本。合金中的元素B、Cu和Nb部分由钥、钨、铬元素中的任一种或多种替代，且总的替代量不超过IOat%。合金经过最优化退火处理后，气饱和磁感应强度为1.564T或以上，矫顽力为1.2A/m或以下。本发明铁基非(纳米)晶合金是通过成分设计和一定的热处理工艺而得到。退火温度范围为500°C _650°C，不同成分合金的最优退火温度略有不同。在热等静压为常压下等温退火1-6小时，然后降温至200°C出炉冷却。本发明制备方法是首先通过熔体快淬法制备出非晶合金薄带，再由这些非晶合金退火晶化获得纳米结构合金。具体的制备方法如下第一步，将纯度按照质量百分比不低于99. 5%的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、钨、钥等原材料按照FeaSiACudNb6Mf的合金成分以原子百分含量称量配料；置于重力中频炉内熔炼，熔炼气氛为普通大气，炉内压力为常压；熔炼电流200A-500A ;每个母合金反复熔炼3-6次，每次熔炼时间为30-120分钟，以保证合金成分的均匀性；第二步，将熔炼所得到的母合金破碎，使用单辊甩带法制备出厚度约为20-40 μ m、宽度为5-150mm的非晶合金薄带。第三步，将非晶合金薄带放入卧式或地式退火炉内，将温度调至500°C _650°C，在热等静压为常压下等温退火1-6小时，然后降温至200°C出炉冷却。非晶合金中各元素的原子百分比为铁60 80at %，硅5 20at %，硼5 20at %，铜I 10at%，· I IOat%，钥、钨、铬等O.1 10. Oat%。成分的微小变化会导致非晶合金的最佳退火温度在500°C到650°C之间变化。按照上述方法制备得到的FeaSibBeCudNbeMf (M为Mo或W或Cr等)非(纳米)晶合金具有良好的综合软磁性能，其饱和磁感应强度Bs为1. 564T或以上，矫顽力H。为1. 2A/m或以下。本发明中，材料的饱和磁感应强度采用振动样品磁强计(VSM)测试，矫顽力采用直流B-H回线测量仪测得。本发明适用于变压器、发电机、互感器、磁传感器、高频电源等。本发明以非(纳米)晶合金的软磁性能机理及合金玻璃形成能力原理为指导，在Fea 735CuacilNbaci3Siai35Baci9合金的基础上做适当的成分调整，在不降低其至提高材料磁性能的前提下，采用工业用卧式或地式退火炉在热等静压为常压下进行热处理，大大降低了合金的研制成本；通过改变各种合金元素的含量及热处理工艺来控制这种新型铁基软磁合金的微观结构，从而优化其性能，高饱和磁感应强度、低矫顽力较低。
为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施方式
对本发明作一个详细的描述，其中图1是本发明的FeaSibBcCudNbeMf非晶合金的磁学参数检测报告；
图2是本发明的FeaSibBcCudNbeMf纳米晶合金的磁学参数检测报告；
具体实施例方式实施例1 :(I)将纯度不低于99. 5% (质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁、钥等原材料按 Fe0.735Si0.135B0.09Cu0.01Nb0.03_xMx(x = O. 005 O. 015)成分配料；(2)将清洗干净的原材料放入重力中频炉内熔炼制备出成分均匀地母合金铸锭；(3)将熔炼所得到的母合金破碎，使用单辊甩带法制备出厚度约为30μπκ宽度为IOOmm的非晶合金薄带；(4)采用卧式或地式退火炉，将温度调至500°C _650°C，在热等静压为常压下等温退火1-6小时，然后降温至200°C出炉冷却。按照上述方法制备得到的Fe0.735Si0.135B0.09Cu0.01Nb0.03_xMx(x = O. 005 O. 015)非(纳米)晶合金的饱和磁感应强度Bs =1. 564T或以上,矫顽力H。=1. 2A/m或以下。实施例2 (I)将纯度不低于99. 5% (质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁、钥等原材料按Fea 735Siai35CuaQ1BtlIxNbaQ3_yMx+y(x = O. 005 O. 015，y = O. 005 O. 015)成分配料；(2)将清洗干净的原材料放入重力中频炉内熔炼制备出成分均匀地母合金铸锭；(3)将熔炼所得到的母合金破碎，使用单辊甩带法制备出厚度约为30μπκ宽度为IOOmm的非晶合金薄带；
(4)采用卧式或地式退火炉，将温度调至500°C _650°C，在热等静压为常压下等温退火1-6小时，然后降温至200°C出炉冷却。按照上述方法制备得到的Fea 735Siai35CuatllBatl9-xNb0.03-yMx+y(x = O. 005 O. 015, y = O. 005 O. 015)非(纳米)晶合金的饱和磁感应强度匕=1.564T或以上，矫顽力H。= 1.2A/m或以下。
权利要求
1.一种铁基非晶或者纳米晶软磁合金，其特征是该合金成分为FeaSibBciCudNbeMf, M为皿0或1或0，&、13、(3、(1、6汀为原子百分比，变化范围为0· 6≤a≤O. 8，O. 05≤b≤O. 2，O.05 ≤ c ≤ O. 2，O. 01 ≤ d≤ O. 1，0· 01 ≤ e ≤O. 1,0. 05 ^≤f ≤O. 1，并且 a+b+c+d+e+f =1
2.根据权利要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金，其特征是合金中的元素Nb部分由Mo、W、Cr元素中的任一种或者多种代替,且总的替代量不超过1Oat %。
3.根据权利要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金，其特征是1.564T的高饱和磁感应强度和1. 2A/mm的低矫顽力。
4.根据权利要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金的制备方法，其特征是 第一步，将纯度按照质量百分比不低于99. 5%的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、钨、钥等原材料按照FeaSi1ACudNbeMf的合金成分以原子百分含量称量配料；置于重力中频炉内熔炼，熔炼气氛为普通大气，炉内压力为常压；熔炼电流200A-500A ;每个母合金反复熔炼3-6次，每次熔炼时间为30-120分钟，以保证合金成分的均匀性； 第二步，将熔炼所得到的母合金破碎，使用单辊甩带法制备出厚度约为20-40 μ m、宽度为5-150mm的非晶合金薄带。
第三步，将非晶合金薄带放入卧式或地式退火炉内，将温度调至500 V -650 V，在热等静压为常压下等温退火1-6小时，然后降温至200°C出炉冷却。
5.如权利要求1、2、3、4所述的铁基非晶或纳米晶合金的制备方法，其特征是通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得纳米晶粒结构不同的可自由裁剪的纳米晶合金。
全文摘要
本发明涉及软磁材料技术领域，特别是涉及一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法，目的是热等静压为常压时形成纳米晶软磁特性和好的绝缘性；本发明合金成分可表述为FeaSibBcCudNbeMf；其制备方法是将工业纯金属原料置于重力中频炉熔炼得到母合金，随后用单辊甩带法制备出非晶合金薄带，然后放入真空退火炉，热等静压为常压时，退火温度为400℃～550℃。本发明铁基非晶或纳米晶具有1.564T的高饱和磁感应强度和1.2A/mm的低矫顽力，制备出的纳米晶合金带材具有优良的柔韧性，可任意裁剪。
文档编号C22C38/32GK103060722SQ20111033792
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者唐健, 朱照峰 申请人:江苏奥玛德新材料科技有限公司