专利名称：低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金及制备法的制作方法
技术领域：
本发明属于功能材料中软磁合金的技术领域，具体地讲是涉及一种低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金及其制备方法。
背景技术：
1988年日立公司的Yoshiza wa研制出了 FINEMET合金，其典型的成分Fe73.5Si13.5B9CUlNb3，鉴于其优异的软磁性能，纳米晶软磁合金引起了学术界和エ业界的极大兴趣。铁基纳米晶合金与目前常用的软磁硅钢相比虽然饱和磁感应强度不及后者，但是相同条件下其损耗是硅钢的1/3 1/5，特别是用在配电变压器上可大大降低空载损耗。铁基纳米晶合金与软磁铁氧体相比，在低于50kHz时，在具有更低损耗的基础上具有高于软磁铁氧体2 3倍的工作磁感，磁芯体积可小I倍以上。近年来研究者不断研制出新的纳米晶软磁合金体系，比较具有代表性的如具有高饱和磁感应强度的Fe-M-B-Cu系(M=Zr、Hf、Nb等)NAN0PERM合金，具有高温稳定性的(Fe-Co) -M-B-Cu系(M=Zr、Hf、Nb等)HITPERM合金。目前铁基纳米晶软磁合金广泛应用于各个领域，如高频变压器、高频变换器、电流互感器、漏电保护开关、共模电感铁芯等领域。然而，传统的铁基非晶为了提高饱和磁感应強度往往加入一定比例的Co代替Fe，Bs可高达I. 8T [见參考文献J.A. Vaccari，Des. Eng. 52 (1981) 53]。为了退火容易得到均匀分布于基体的纳米晶软磁合金，又往往加入一定量的Nb、Zr、Mo等前过渡族金属元素，如现在现在广泛用于生产实践的1K107 (Fe-Si-B-Cu-Nb系列)。而且为了提高非晶形成能力，国内外研究者往往加入一定量的B元素[见參考文献Thin Solid Films 519 (2011)8283 - 8286]。贵重元素Nb、Zr、B的加入在提高其性能的同时大大增加了原料成本，因此在一定程度上限制了其大規模推广应用。而且为了得到高质量的非晶前驱体，目前的エ艺配方往往含有两种或两种以上的玻璃化元素，元素种类的增多在实际生产过程中不仅增加了配料的难度，同时在熔炼过程中成分均匀性也难以控制，只能通过增加熔炼时间和熔炼次数，这样不仅增加了能耗也降低了效率。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种组元少、低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金及其制备方法。本发明是通过以下技术方案实现的
一种低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金，其特征在于该纳米晶软磁合金的化学成分可表示为FeaPbCu。，其中a、b、c分别表示所对应组分的原子百分数，变化范围b=14 19，c=0. 5 I. 5，a=l-b_c0本发明所述的低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金，其特征成分为Fe80P19Cu1 ;或 Fe83P16.5Cu0.5 ;或 Fe84.5P14CuL5。本发明所述的低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下过程
步骤一、按照合金成分进行配料并熔炼成分分布均匀的母合金；
步骤ニ、将母合金加热到熔融状态，通过喷嘴喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄
带;
步骤三、将快淬得到的非晶薄带在真空退火炉中退火，保温温度区间25(T350°C，时间2 Smin0本发明的铁基纳米晶软磁合金之所以仅含ー种玻璃化元素P，而不含B及其它玻璃化元素就能成功获得非晶前驱体。本发明合金成分的选取充分利用了 Fe-P-Cu三元合金相图在共晶点附近的成分区间，因为合金在共晶点附近的非晶形成能力往往较其它成分点的非晶形成能力强。由热力学可知Fe和Cu的混合;):含Λ H是正的(13kJ/mol) ,P和Cu的混 合焓Λ H是负的(_9kJ/mol)，这意味着Fe和Cu之间存在着斥力,P和Cu之间存在着引力。那么在旋淬的过程中富含P和Cu的微区在基体中形成，这些微区的周围Fe含量较高成为退火时形成纳米晶α-Fe的潜在核心。这样的非晶前驱体结构特征较别的非晶软磁合金就容易在较低温度，较短时间退火的退火条件下得到具有优异软磁性能的非晶/纳米晶双相复合结构。本发明铁基纳米晶软磁合金不含有贵重的Co、Zr、Nb、B等元素，成本低廉，组元少，生产过程中熔炼均匀性容易控制，同时此成分体系的非晶带材较目前多数非晶带材的退火温度低，保温时间短，在生产过程中不仅生产效率高，而且单位产量的能耗大大降低。并且本实验样品退火后采取随炉冷却的エ艺，没有采用一般预研试验保温后快速冷却的エ艺，本退火エ艺更接近生产实践。最終結果表明在合适的晶化退火エ艺条件下，本合金成分体系的饱和磁感应强度Bs最高可达到I. 75Τ，矫顽カH。最低可以达到3. 5A/m，可获得具有优异软磁性能的铁基纳米晶带材。因此，本发明合金更适合规模生产，可取代现有的硅钢片和铁基非晶、纳米晶软磁合金应用于电カ电子变压器、互感器等领域。
附图I 为本发明实施例 1,2,3 Bp Fe80P19Cu1 ；Fe83P16.5Cu0.5 ;Fe84.5P14CUl.5 纳米晶软磁合金的磁滞回线。纵坐标为磁感应强度B(T)，横坐标为磁场强度H(kA/m)。为了清楚地得出各个实施的例的矫顽カHe，附图I的插图给出了各实施例在坐标原点附近的磁滞回线放大 附图2为各实施例与对比例的成分对照表；
附图3为各实施例与对比例的软磁性能对照表。
具体实施例方式下面通过几组实施例和ー组对比例FINEMT合金的制备及性能检测来对本发明作进ー步的说明，但本发明并不仅仅限于这些实施例。在本发明铁基三元纳米晶软磁合金的成分范围内，我们制备了多组实施例，其中具有代表性的3组性能优异的本发明实施例及对比例成分配比见图2。实施例及对比例的制备エ艺以及性能检测方法如下
(I)按图2的成分配比称取纯度大于99. 9%的Fe、P-Fe, Cu、B-Fe, Si-Fe, Nb原料；(2)将配制好的原料放入电弧炉中，抽真空至5 X IO-3Pa以下，先将吸氧Ti块融化耗尽残留腔内的氧气，然后反复将各个试样熔炼4飞遍，并在熔炼的过程中施加电磁搅拌，保证组分分布均匀，然后将熔炼好的母合金破碎，用蒸馏水、酒精清洗干净，然后放入石英玻
璃管中。(3) 采用单辊旋淬设备制备非晶薄带将装有母合金的石英玻璃管固定在辊轮上方距辊面Imm处。抽真空至6X10_3Pa以下，充入氩气，将母合金感应加热到高温熔融状态，通过喷嘴在氩气所产生的压力作用下喷射到高速旋转的铜辊上进行快速冷却制备非晶薄带，棍轮表面线速度为40m/s。
(4) 退火晶化法制备纳米晶软磁合金将快淬所得的非晶薄带在真空退火炉中Ar气保护下进行晶化退火。实施例I的退火条件为300°C，保温时间3min ;实施例2的退火条件为350°C，保温时间2min ;实施例3的退火温度250°C，保温时间5min ;对比例的退火条件为535°C，保温时间60min。(5) 保温结束后随炉冷却。(6) 采用MATS软磁测量设备测试纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度Bs和矫顽力H。，最大测量场8000A/m，各实施例及对比例退火后的饱和磁感应强度Bs和矫顽カHe见图3。从图2可以看出本发明铁基纳米晶软磁合金与目前典型的FINEMET软磁合金相比，不含有贵重的Co、Zr、Nb、B等元素，而且组元仅三元，仅有ー种玻璃化元素P的存在，因此本发明合金成分有着相对低廉的成本优势及相对容易的制造优势。从图3可知本发明铁基纳米晶软磁合金的Bs最闻达I. 75T,矫顽カ最低达3· 5A/m，虽然矫顽カ相对对比例不是很低，但是其饱和磁感应强度Bs明显高于对比例，该铁基纳米晶软磁合金体系在矫顽カ要求不是很高的情况下具有非常广阔的应用空间，特别在目前全社会在提倡构建资源节约型环境友好型社会的今天，该合金体系有着不可估量的应用价值。由此可见，本发明铁基纳米晶软磁合金具有组元少、成本低、软磁性能高的优点，更适合规模生产，在电力电子变压器、互感器等领域有着广阔的应用前景。
权利要求
1.一种低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金，其特征在于该纳米晶软磁合金的化学成分可表示为FeaPbCu。，其中a、b、c分别表示所对应组分的原子百分数，变化范围:b=14 19, c=0. 5 I. 5, a=l_b_c。
2.根据权利要求I所述的低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金,其特征成分为!Fe80P19Cu1 ;或 Fe83P16.5Cu。. 5 ;或 Fe84.5P14CuL5。
3.根据权利要求I所述的低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金的制备法，其特征在于包括以下过程 步骤一、按照合金成分进行配料并熔炼成分分布均匀的母合金； 步骤二、将母合金加热到熔融状态，通过喷嘴喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄 带; 步骤三、将快淬得到的非晶薄带在真空退火炉中退火，保温温度区间25(T350°C，时间2 5min。
全文摘要
本发明提供了一种低成本、高软磁性能的铁基三元纳米晶软磁合金及制备法，属于功能材料中软磁合金的制备领域。其特征在于该纳米晶软磁合金的化学成分可表示为FeaPbCuc，其中a、b、c为所对应组分的原子百分数，变化范围b=14~19，c=0.5~1.5，a=(100-b-c)。首先按照本发明合金成分要求进行配料并熔炼成成分均匀的母合金，然后将母合金加热到熔融状态，通过喷嘴喷射到铜辊上进行快速冷却制备出非晶薄带，最后将快淬得到的非晶薄带在一定温度下进行晶化退火得到纳米晶软磁合金。本发明具有组元少、成本低、高软磁性能等优，可取代现有的硅钢片和铁基非晶、纳米晶软磁合金而广泛应用于电力变压器、互感器等领域。
文档编号C22C45/02GK102709018SQ20121016119
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者王寅岗, 陈夫刚 申请人:南京航空航天大学