高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金及制备方法
【专利摘要】本发明公开了属于磁性金属材料制备【技术领域】的一种高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金及制备方法。所述铁基非晶合金的表达式为TM1(a)-TM2(b)-TM3(c)-AM1(d)-AM2(e)-AM3(f)-AM4(g)，其制备方法是根据表达式中合金成分进行配料，在真空感应熔炼炉中对原料反复熔炼制成母合金，可采用氧化硼包覆对合金进行提纯，然后将母合金或提纯后的合金再次熔化、快速冷却得到块体及条带状非晶合金。所述铁基非晶合金是一种具有高铁磁性元素含量、高饱和磁化强度且具有较高非晶形成能力的铁基非晶合金系，且多数合金具有临界尺寸大于1mm的非晶形成能力，使这种合金具有很强的工业应用潜力。
【专利说明】高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁性金属材料制备【技术领域】，特别涉及一种高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金及制备方法。
【背景技术】
[0002]相对于晶态合金来说，通过快速凝固方法制备出的非晶合金具有原子呈无序排列的结构特征，使其具有独特的力学性能、磁性能、耐腐蚀性能及电学性能等。迄今为止，已成功制备出不同体系的非晶合金，其中包括Pd-，Zr-, Mg-, Zn-, Al-, Co-, Fe-, Ln-, Cu-等非晶合金体系。在这些非晶合金体系中，很多包含贵金属或稀有金属，昂贵的制造成本使其难以得到实际应用。铁基非晶合金相对于其它非晶合金体系来说资源较为丰富，同时具备高强度、高硬度、耐腐蚀、较好的软磁性能，因此铁基非晶合金成为最具有应用前景的非晶合金材料。
[0003]迄今，美国、日本、中国等国家已开发制备出具有优异磁学性能的非晶合金条带，并用于制备变压器的铁芯等。采用铁基非晶合金制备变压器铁芯因其加工工艺简单、损耗低、体积小、效率高等优点而得到了大规模的推广。然而铁基非晶合金对制备条件的要求较为苛刻，冷却速度需达到105K/s以上，常用单辊法或双辊甩带法制备合金薄带，薄带厚度低于0.1_。为了提高Fe基合金体系的非晶形成能力，通过合金化方法添加提高非晶形成能力的元素(又称玻璃化元素)，开发出 Fe-Al-Ga-PCB，Fe-M-S1-B (M=Nb, Cr, V, Mo, Zr, ff)，Fe-RE-B (RE=Y, Sc, Dy, Ho, Er)，Fe-M-B (M=Zr, Hf, Nb, Si)等一系列非晶合金。添加玻璃化形成元素虽然提高其玻璃化形成能力，但这些玻璃化形成元素对铁元素的替换使其饱和磁化强度大幅降低，导致合金体系的磁学性能降低。因此，开发高非晶形成能力、高饱和磁化强度的新型铁基非晶合金具有重要意义和实用价值。
【发明内容】
[0004]本发明提出了一种高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金及制备方法，其特征在于，所述铁基非晶合金是一种具有高铁磁性元素含量、高饱和磁化强度且具有较高非晶形成能力的铁基非晶合金系，且多数合金具有临界尺寸大于Imm的非晶形成能力，使这种合金具有很强的工业应用潜力；所述高磁性元素含量的块体及条带状的铁基非晶合金的表达式为:
[0005]TMl (a) -TM2 (b) -TM3 (c) -AMl (d) -AM2 (e) -AM3 (f) -AM4 (g)，其中 a, b, c, d, e, f, g 为各组元的原子百分数，取值范围为60≤a≤85，0≤b≤20，0≤c≤2 ;5.5≤d≤9.5 ;
5.5≤e≤6.5；2≤f≤3.5；2≤g≤3 ;且满足:15 ≤d+e+f+g ≤ 20，a+b+c+d+e+f+g=100?
[0006]表达式中TMl=Fe;TM2=Co;TM3=Mo;AMl=P;AM2=C;AM3=B;AM4=Si。
[0007]所述高铁磁性元素含量是指铁钴磁性元素总和大于80at%。
[0008]所述高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0009]I)根据铁基非晶合金的表达式的合金成分进行配料；
[0010]2)在真空感应熔炼炉中(真空度小于2X 10_3Pa)对原料反复熔炼3_5次制成母合金；
[0011]3)将氧化硼包覆剂放置于真空条件下(真空度小于5Pa)，并在1200~1400K的温度下保温，去除水分；
[0012]4)当氧化硼包覆剂澄清无气泡时，在真空条件下将上述母合金置于氧化硼包覆剂中；并在真空条件下，在高于母合金熔点50K~250K的温度条件下提纯，在提纯过程中让合金熔体冷却至凝固，然后再升温熔化提纯，并重复上述熔化凝固过程，直至再次熔化时合金界面无气泡产生，且界面稳定为止；
[0013]5)采用铜模或水冷方式快速冷却得到块体及条带状非晶合金，包括直接将母合金或纯化处理后的母合金置于:(I)真空电弧炉中，电弧熔化后吸铸到带有空腔的铜模中冷却得到块体非晶合金棒材或板材；(2)快速凝固装置的感应炉中熔化，熔化后喷射到带有空腔的铜模具中冷却得到块体非晶合金棒材或板材；(3)真空石英管中采用电炉等加热方式加热熔化，然后和石英管一同淬入冷却水(液)中，得到块体非晶合金棒材或板材；(4)快速凝固装置的感应炉中熔化，熔化后喷射到高速旋转的铜辊轮表面冷却得到条带状非晶合金。上述四种方法中，(I)和(2)的冷却速度由铜模的散热能力确定，(3)的冷却速度由石英管的散热能力确定，一般约为40K/s; (4)的冷却速度由铜棍的散热能力确定。
[0014]本发明的有益效果是制备得到的铁基非晶合金具有高非晶形成能力、高强度和优异的软磁性等特点，即该合金同时拥有优秀的玻璃化形成能力，力学性能和软磁性能；且多数合金具有临界尺寸大于1_的非晶形成能力，使这种合金具有很强的工业应用潜力。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为制备出的直径为l_2mm合金所对应的XRD图谱。
[0016]图2为制备出直径为1mm合金对应的VSM曲线。
[0017]图3为直径Imm的Fe66Co15Mo1P7U2Si3合金所对应的压缩曲线。
[0018]图4a、图4b为直径Imm的Fe66Co15Mo1P7U2Si3合金样品压缩断裂后侧面形
[0019]貌和断口形貌。
【具体实施方式】
[0020]本发明提出一种高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金及制备方法。下面通过实施例对本发明进一步说明，所述块体及条带状铁基非晶合金的组成的化学表达式如下:
[0021 ] TM1 (a) -TM2 (b) -TM3 (C) -AM1 (d) -AM2 (e) -AM3 (f) -AM4 (g)，
[0022]其中TM1=Fe; TM2=Co; TM3=Mo; AM1=P; AM2=C; AM3=B; AM4=Si ;
[0023]其中a，b，c，d，e，f，g为各组元的原子百分数，取值范围为65 ≤ a≤ 82，O ≤ b ≤20，O ≤ c ≤ 2 ;5.5 ≤ d ≤ 9.5 ;5.5 ≤ e≤ 6.5 ;2 ≤ f≤ 3.5 ;
2≤ g≤ 3 ;且满足:15 ≤ d+e+f+g ≤20, a+b+c+d+e+f+g=100 ；
[0024]制备上述铁基非晶合金材料的方法包括下列步骤:[0025]步骤一:称取合金元素
[0026]根据铁基非晶合金的组成的化学表达式中合金成分进行配料，依据合金中各原子百分比，计算和称量配制各合金元素原料，称量配制出Fe，Co, Mo, Si, P, C，B的元素待用；
[0027]步骤二:熔炼合金
[0028]在真空感应熔炼炉中(真空度小于2X 10_3Pa)对步骤一所配制的原料反复熔炼3-5次制成母合金锭；将氧化硼包覆剂在真空条件下(真空度小于5Pa)，在1200~1400K的温度下保温，去除水分；当氧化硼包覆剂澄清无气泡时，在真空条件下将上述母合金置于氧化硼包覆剂中；并在真空条件下，在高于母合金熔点50K~250K的温度条件(约1150~1450K)下提纯，在提纯过程中让合金熔体冷却至凝固，然后再升温熔化提纯，并重复上述熔化凝固过程，直至再次熔化时合金界面无气泡产生，且界面稳定为止。
[0029]步骤三:制备非晶合金棒材或带材
[0030]将步骤二制成的合金锭、或提纯后的母合金放置于真空感应炉中进行熔化，通过铜模铸造的方法，采用喷射或吸铸方式铸入铜模中，利用铜模快速冷却凝固直接得到非晶合金块体样品；或采用在石英管中熔化并淬入冷却水冷获非晶合金块体样品；也可以用甩带法制备非晶合金薄带。对制备得到的铁基非晶合金采用X-射线衍射仪和透射电子显微镜对样品进行了分析。分析结果表明，得到的铁基非晶合金为完全的非晶态结构。在此基础上利用热分析仪器对非晶合金物性参数进行了测试，并利用VSM和压缩实验测试了样品的磁学和力学性能，测试结果表明制备出来的铁基非晶合金具有高形成能力，高强度，较好的塑性变形能力，优异的软磁性等特点。该合金同时具有优秀的玻璃化形成能力，力学性能和软磁性能。
[0031]实施例1:制备Fe81Mo1P7U2Si3非晶合金棒材
[0032]根据铁基非晶合金的组成的化学表达式中合金成分进行配料，依据合金中各原子百分比，计算和称量配制各合金元素原料，称量配制出Fe，Co, Mo, Si, P, C，B的元素，在真空感应熔炼炉中(真空度小于2X I(T3Pa)反复熔炼3-5次制成母合金锭；将氧化硼包覆剂在真空条件下(真空度小于5Pa)，在约1200K的温度下保温，去除水分；当氧化硼包覆剂澄清无气泡时，在真空条件下将上述母合金置于氧化硼包覆剂中，在1200~1400K温度条件下提纯，在提纯过程中让合金熔体冷却至凝固，然后再升温熔化提纯，并重复上述熔化凝固过程，直至再次熔化时合金界面无气泡产生，且界面稳定为止。提纯后的母合金置于感应炉中进行熔化，通过铜模铸造的方法，采用喷射或者吸铸的方式铸入铜模中，利用铜模快速冷却凝固直接得到合金棒材样品(冷却速度取决与样品尺寸和铜模大小，一般约为每秒几百度)。该合金Φ 1.0mm棒状样品所对应的X射线衍射图见图1，从图中可以看到图谱中仅有一个馒头状衍射峰，表明其样品的结构为完全的非晶合金。
[0033]对该合金样品进行了相关性能测试，结果表明饱和磁极化强度Js(Js=UtlMs)为1.55T (见图2和表1)，而非晶合金的起始晶化温度为723K (见表1)
[0034]表1非晶合金体系所对应的热力学性能，磁学性能
[0035]
【权利要求】
1.一种高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金是一种具有高铁磁性元素含量、高饱和磁化强度且具有较高非晶形成能力的铁基非晶合金系，且多数合金具有临界尺寸大于Imm的非晶形成能力，使这种合金具有很强的工业应用潜力；所述高磁性元素含量的块体及条带状的铁基非晶合金的表达式为:
TMl (a) -TM2 (b) -TM3 (c) -AMl (d) -AM2 (e) -AM3 (f) -AM4 (g)，其中 a, b, c, d, e, f, g 为各组元的原子百分数，取值范围为60 ≤ a ≤ 85, O ≤ b ≤20, O ≤ c ≤ 2 ；7.5≤ d ^ 9.5 ；5.5≤e≤6.5；2≤f≤3.5；2≤g≤3 ;且满足:15 ( d+e+f+g ( 20，a+b+c+d+e+f+g=100
表达式中 TMl=Fe; TM2=Co; TM3=Mo; AMl=P; AM2=C; AM3=B; AM4=Si。
2.根据权利要求1所述高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金，其特征在于，所述高铁磁性元素含量是指铁钴磁性元素总和大于80at%。
3.一种高磁性元素含量的块体及条带状铁基非晶合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)根据铁基非晶合金的表达式的合金成分进行配料； 2)在真空感应熔炼炉中(真空度小于2XI(T2Pa)对原料反复熔炼3-5次制成母合金； 3)将氧化硼包覆剂放置于真空条件下(小于5Pa)，并在1200~1400K的温度下保温，去除水分； 4)当氧化硼包覆剂澄清无气泡时，在真空条件下将上述母合金置于氧化硼包覆剂中；并在真空条件下，在高于母合金熔点50K~250K的温度条件下提纯，在提纯过程中让合金熔体冷却至凝固，然后再升温熔化提纯，并重复上述熔化凝固过程，直至再次熔化时合金界面无气泡产生，且界面稳定为止； 5)采用铜模或水冷方式快速冷却得到块体及条带状非晶合金，包括直接将母合金或纯化处理后的母合金置于:(1)真空电弧炉中，电弧熔化后吸铸到带有空腔的铜模中冷却得到块体非晶合金棒材或板材；(2)快速凝固装置的感应炉中熔化，熔化后喷射到带有空腔的铜模具中冷却得到块体非晶合金棒材或板材；(3)真空石英管中采用电炉等加热方式加热熔化，然后和石英管一同淬入冷却水(液)中，得到块体非晶合金棒材或板材；(4)快速凝固装置的感应炉中熔化，熔化后喷射到高速旋转的`铜辊轮表面冷却得到条带状非晶合金。上述四种方法中，(I)和(2)的冷却速度由铜模的散热能力确定，(3)的冷却速度由石英管的散热能力确定，一般约为40K/s; (4)的冷却速度由铜棍的散热能力确定。
【文档编号】C22C33/06GK103882347SQ201410079836
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】姚可夫, 李晋锋 申请人:清华大学