高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法

高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法。该合金的表达式为FeaSibPcCuxMy，其中a、b、c、x和y分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件：70≤a≤85，5≤b≤15，5≤c≤18，0.0001≤x≤3，0≤y≤5，a+b+c+x+y＝100％，所述M为Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Mn、Cr、Re、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、铂族元素、稀土元素、N、Sn、Ge、Ga、Al中的一种或多种。该合金是在高真空和氩气保护下采用单辊急冷法制备的纳米晶软磁合金带材，该合金不含有B元素、软磁性能好、热稳定性高、高频损耗低、磁致伸缩系数低。
【专利说明】【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及非晶纳米晶软磁材料领域，尤其涉及一种高频性能优良的铁基纳米晶 软磁合金及其制备方法，其也具有良好的软磁性能。 高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法 【背景技术】
[0002] 软磁合金材料自问世以来，因其具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗、低矫 顽力等优异的软磁性能而受到了极其广泛的重视和深入的开发。随着科技发展，电子设备 趋向于小型化，所以开发同时具有高饱和磁感应强度和低矫顽力的软磁合金材料是目前软 磁领域最热门的研究方向之一。铁基非晶态材料问世以后，主要作为软磁材料使用。铁基 非晶态软磁材料以其高饱和磁感强度，低铁损和高磁导率被广泛应用于电力电子和电子信 息领域，主要应用包括：中频电源变压器铁芯、开关电源平滑滤波输出电感，空调、汽车音响 的噪音抑制，电源输出电感铁芯，高功率密度的变速电动机、发电机的定子及转子等。
[0003] 与晶态材料相比，非晶态软磁材料的缺点是热稳定性差，在较低温度下会发生晶 化，从而软磁性能发生恶化。因此非晶态软磁材料在长期使用条件下其工作温度一般不宜 超过100°C -150°C，大大限制了非晶态软磁材料的应用范围。非晶态软磁材料跟市售的硅 钢片相比，仍存在其不足之处，即饱和磁感应强度相对较低。例如晶态取向硅钢的B s值约在 2T，而典型的纳米晶合金Fe73.5CUlNb 3Si13.5B9的Bs值仅为1. 24T。另外在设计制备非晶态软 磁材料时，有些合金成分往往含有大量易氧化且昂贵的金属元素 Zr、Hf、Nb等造成成本高 昂且制备工艺复杂，至今未得到真正的推广应用。此外，传统的非晶态软磁材料大都含有B 元素作为一种重要的类金属元素，对提高非晶形成能力有一定作用。但从非晶合金制备工 艺、软磁性能及耐腐蚀性考虑，B元素的加入不可避免的带来一定副作用：B元素难熔，且易 挥发，对非晶合金制备工艺有一定要求；B元素加入在一定程度上降低了非晶合金的软磁 性能，特别是饱和磁感应强度；B的存在降低了合金耐腐蚀性和钝化趋势。因此考虑不含B 元素的铁基非晶纳米晶合金无论从成分创新还是实际应用都具有很高的价值。
[0004] 中国专利CN162652A公开了一种纳米晶铁基软磁合金：合金具体成分（质量百分 比）包括：Zr(Y) = 0· 9-5%、Nb = 4-15%、Si = 3-18%、B = 1-5%、其余为 Fe。该成分非 晶提高了条带的韧性，所得到的合金条带的最佳软磁性能为：饱和磁感应强度1. 4-1. 6T， 矫顽力小于2. 4A/m。
[0005] 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^代表他、1、了 &、21'、!^、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。
[0006] 中国专利CN1450570A公开一种纳米晶软磁合金超薄带及其制备方法：提供了 一种铁基纳米晶软磁合金的化学成分和超薄带生产工艺。合金化学成分包括Fe、Zr、Nb、 Si、Al、Cu，具体含量（质量百分比）为：Si = 0·l-0·2%、Zr = 6-8%、Nb = 4-6%、Al = 0. 1-1%、B = 1-2%、Cu = 1-1. 5%，其余为Fe。生产工艺为先感应熔炼制备母合金，然 后Ar气氛中单辊急冷（线速度40-70m/s)喷射非晶带，最后于真空条件下400-600°C磁场 热处理30-60分钟。所得到的合金条带的最佳软磁性能为：饱和磁感应强度1. 7T，矫顽力 9. 6A/m。
[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] 综上所述，通过调节合金的成分和制备工艺在不同程度上均改善了非晶软磁合金 的软磁性能，但在总体上还存在明显的缺陷：饱和磁化强度依然不是很高，尤其是无法同时 实现高饱和磁化强度和低矫顽力；合金的成分中含有Nb、Zr、Co、Ni、Hf等贵金属元素中的 一种或几种，导致合金的成本较高；不含有B元素且具有好的软磁性能、高非晶形成能力、 高热稳定性和优异高频性能的铁基纳米晶合金至今很少报道。由此可见，研制一种应用于 特种电机、电抗器的不含有贵金属元素及类金属B元素、成本低廉、具有高的热稳定性且具 有较高的饱和磁化强度、较低的矫顽力和高频性能优良的纳米晶材料具有重要的研究和应 用前景。
【发明内容】

[0009] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高频性能优良的铁基纳米晶软 磁合金及其制备方法。该软磁合金适用于特种电机、电抗器等，是一种价格低廉、不含有B 元素、饱和磁化强度较高、矫顽力较低以及高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金材料。
[〇〇1〇] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[〇〇11] 一种高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金，该合金的表达式为FeJi^Cu^， 所述表达式中a、b、c、X和y分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足以下条件： 70 彡 a 彡 85,5 彡 b 彡 15,5 彡 c 彡 18,0· 0001 彡 X 彡 3,0 彡 y 彡 5, a+b+c+x+y = 100%， 所述 Μ 为 Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Μη、Cr、Re、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、钼族元素、稀土元 素、队5]1、66、63、六1中的一种或多种。
[0012] 本发明的铁基纳米晶软磁合金中不含有B元素，成分设计思路是利用拥有较大非 晶形成能力的FeSiB三元系作为参考母合金，依据设计者要求以P取代B元素，同时添加 Cu 元素使其具有较大非晶形成能力和形成纳米晶的必要元素以及能提高合金饱和磁感应强 度的必要元素，通过熔炼、快淬等现有的生产技术制备出性能优异的铁基纳米晶软磁合金。 构成合金的元素中，Fe能够提高合金的饱和磁化强度，Si、P可以提高合金的非晶形成能力 和电阻率，Cu可以为非晶合金的晶化提供成核点同时提高合金非晶形成能力。本发明合金 的微结构特征在于，以富含P的非晶相为基体相，同时与体心立方a -Fe (Si)纳米晶相共 存。
[0013] 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a的取值范围为75彡a彡83,更优选为77彡a彡82。
[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Si的原子百分 比含量b的取值范围为5彡b彡10,更优选为6彡b彡8。
[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P的原子百分 比含量C的取值范围为10彡C彡15,更优选为12彡C彡14。
[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Cu的原子百分 比含量X的取值范围为〇. 1彡X彡3,更优选为0. 5彡X彡2。
[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Μ的原子百分 比含量y的取值范围为〇. 1彡y彡3,更优选为0. 5彡y彡2。
[0018] 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：
[0019] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，Si元素的原子％要满足：5 < b < 15,优选的 范围是10,更优选6 < b < 8。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居里温度；同时 Si元素可大幅提高材料的耐腐蚀性，B和Si都倾向停留在一层从而形成腐蚀产物，用Si取 代B能提高材料的耐腐蚀性能，降低磁致伸缩系数和晶体的磁各向异性。当Si元素原子％ 含量少于5时，Si元素的促进形成非晶态合金的作用难以发挥出来，而当Si元素原子％含 量大于15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。
[0020] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，P元素的原子％要满足：5彡C彡18,优选的 范围是10 < C < 15,更优选12 < C < 14。P元素是构成非晶态合金的常用元素，P元素的 适量添加，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18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。
[0021] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，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，是制备纳米晶合金的通用元素；同时在本非晶合金成分中，Cu元素 的加入有效的提高了合金的非晶形成能力。Cu元素的原子％要满足：0. 000K 3,优选 的范围是0. 1彡Cu彡3,更加优选的范围是0. 5彡Cu彡2。当Cu原子％大于3时，合金的 非晶形成能力变差，难以制备。而当Cu原子％小于0.0001时，Cu在退火时作为促进a-Fe 形核，形成纳米晶合金的作用难以发挥出来。
[0022] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，Μ元素能够阻碍析出纳米晶粒长大，从而有利 于该铁基纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能。Μ元素的原子％要满足：0< y < 5,优选 的范围是0. 1彡y彡3,更加优选的范围是0.5彡y彡2。当Μ原子％大于5时，Μ元素由 于本身是大原子尺寸元素，阻碍析出纳米晶粒长大的作用减弱，本身的大原子尺寸恶化纳 米晶合金的软磁性能。
[0023] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，除上述元素外余量由Fe构成，Fe为磁性元 素，为了获得高饱和磁感应强度，必须保证合金含有较高的Fe含量。然而，Fe含量的升高， 必然导致非晶形成元素的减少，非晶形成能力下降，无法获得最佳综合性能。Fe含量优选为 75彡a彡83,更优选为77彡a彡82。
[0024] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，成分的主要特征在于不含有B元素。传统的 非晶态软磁材料大都含有B元素作为一种重要的类金属元素，对提高非晶形成能力有一定 作用。但从非晶合金制备工艺、软磁性能及耐腐蚀性考虑，B元素的加入不可避免的带来一 定副作用：B元素难熔，且易挥发，对非晶合金制备工艺有较高要求，增加了成本；B元素加 入在一定程度上降低了非晶合金的软磁性能，特别是饱和磁感应强度；B的存在降低了合 金耐腐蚀性和钝化趋势。不含有B元素的铁基纳米晶软磁合金很少见到报道，因此考虑不 含B元素的铁基纳米晶合金无论从成分创新还是实际应用都具有很高的价值。本发明中， 用P和Si元素替代B元素，充分利用了 P和Si元素在成分体系中的优良特性，同时，P元 素价格便宜，容易获得，且与Si和Fe均有强烈的化学相互作用。因此，发明人在实施过程 中发现，P元素不仅达到了预期，且进行B替代后，有利于提高合金的非晶形成能力；此外， 用P和Si元素取代B元素可提高合金的热稳定性及耐腐蚀性。另外，Μ元素的加入可以阻 碍析出纳米晶粒长大，从而有利于该铁基纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能。
[0025] 在本发明的铁基纳米晶软磁合金中，可能还含有少量不可避免的杂质元素，如S、0 等，但是所有杂质元素的总重量百分比要小于〇. 5%。
[0026] 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Fe可被Co和/或Ni 部分替代，以Co和Ni铁磁性元素替代可以更好地保证纳米晶软磁合金具有高饱和磁感应 强度。其中所述部分替代Fe的元素 Co和/或Ni在所述铁基纳米晶软磁合金中的原子百 分比含量为45%以下。
[〇〇27] 一种上述铁基纳米晶软磁合金的制备方法，包括如下步骤：
[0028] 步骤一，按上述合金表达式中各组分的原子百分比含量进行配料；
[0029] 步骤二，在抽真空后充入保护气体的气氛下采用感应熔炼炉或电弧熔炼炉将所述 步骤一配好的原料熔炼均匀，随炉冷却或注入模具冷却成成分均匀的母合金锭；
[0030] 步骤三，利用单辊熔体快淬法（即单辊急冷法），铸造设备在真空条件和氩气保护 下将所述母合金锭制备成铁基纳米晶软磁合金。
[0031] 在上述制备方法中，所述步骤三，在高真空条件下制备铁基纳米晶软磁合金条带， 可以有效避免P元素的脆化、烧边和偏析现象。
[0032] 在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤二中，所述抽真空的真空 度为低于 5 X 10_3Pa (比如 2 X 10_3Pa、1 X 10_3Pa、8 X 10_4Pa、3 X 10_4Pa、5 X 10_5Pa)，所述保护 气体的气氛为氮气或氩气气氛，所述熔炼时间为30-40min，并在熔化后保温5-30min以使 合金原料熔炼均匀。
[0033] 在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，所述真空条件下 的真空度为彡 5Xl(T3Pa(比如 4XKT3Pa、2Xl(T3Pa、lXl(r3Pa、0· 5Xl(T3Pa、0· lXl(T3Pa、 8 X l(T4Pa、3 X l(T4Pa、5 X l(T5Pa)。
[0034] 在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，采用所述单辊熔体 快淬法制备铁基纳米晶软磁合金时，铜辊表面线速度为30-40m/s (比如32m/s、38m/s)，合 金熔炼喷带前温度控制在 1200-1400°C (比如 1210°C、125(TC、128(rC、130(rC、132(rC、 1340°C、1370°C、139(TC )，制备出的铁基纳米晶软磁合金带材的厚度为18-35μπι(比如 19 μ m、23 μ m、25 μ m、28 μ m、33 μ m),宽度为 1. 5-10mm(比ι 如 1. 8mm、2. lmm、2. 5mm、3mm、 3. 5mm、4mm、4. 7mm、4. 9mm、6mm、8mm、9mm)〇
[0035] 在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述方法还包括热处理步骤，所述 热处理步骤具体为：在抽真空后的惰性气体氛围中，将所述步骤三制备的铁基纳米晶软磁 合金带材以0.5-41：/8(0.81：/8、1.51：/8、21：/8、2.51：/8、31：/8、3.51：/8、3.81：/ s)的升温速率升温至 350-500°C (比如 370 °C、400°C、420°C、450°C、480°C )，然后保 温 l_30min (2min、5min、lOmin、15min、20min、25min、28min),最后淬火冷却至室温，得到 铁基纳米晶软磁合金带材。优选地，所述热处理步骤中，所述抽真空时的真空度为低于 3Xl(T3PaUl^n2Xl(r3Pa、lXl(r3Pa、8Xl(r 4Pa、3Xl(r4Pa、5Xl(r5Pa)。
[0036] 采用上述制备方法制成的铁基纳米晶软磁合金在制造电子设备中的铁芯方面的 应用。
[0037] 在上述应用中，作为一种优选实施方式，所述电子设备是特种电机、电抗器、脉冲 变压器、差模电感、互感器或磁放大器。
[0038] 采用本发明的铁基纳米晶合金材料与现有技术产品相比较，本发明通过Fe元素 含量的提高以及P、Si和Cu元素的混合添加，替代了非晶软磁合金中常见元素 B和其它价 格昂贵的贵金属元素，在经过合适的热处理之后，大幅提高了铁基纳米晶软磁合金材料的 饱和磁感应强度（Bs彡1. 5T)，同时得到了较低的矫顽力（He彡2. 3A/m)，1kHz下有效磁导 率超过16. 2K，低磁致伸缩系数（2X 10_6)以及高频1kHz下损耗小于10. 5W/kg ;所述铁基纳 米晶软磁材料具有200K左右的热实效温区，具备高的热稳定性。用Si、P元素替代了传统 纳米晶材料中的B元素，采用了高真空和氩气保护进行制备，避免了 P元素的脆化、烧边和 偏析现象。因而该发明具有成分设计合理、高频性能优良、非晶形成能力强、成本较低、高热 稳定性且软磁性能优异的特点。 【专利附图】

【附图说明】
[0039] 图1为实施例1中Fe78Si7P13. 5CUl.5非晶前驱体和在653K退火lOmin后纳米晶合 金的X射线衍射（XRD)图；
[0040] 图2为实施例1中的Fe78Si7P13. 5CUl.5合金的DSC曲线；
[0041] 图3为实施例1中的纳米晶合金Fe78Si7P13. 5CUl.5经过653K热处理lOmin后的磁 滞回线；
[0042] 图4为实施例1中编号8样品Fe74Si7P18C Ul非晶前驱体和在653K退火lOmin后纳 米晶合金的TEM明场像和选区电子衍射图； 【具体实施方式】
[〇〇43] 以下结合实施例对发明作进一步详细描述。
[0044] 实施例1
[0045] 根据本发明的铁基纳米晶合金的表达式FeaSibP eCuxMy及其含量制备一组当y = 0 时的合金样品，其中各样品的具体组成如表1所不，样品编号4-14为本实施例制备的合金 样品，而编号1-3的合金样品为对比例（其含有B元素组分）。对比样品与本发明合金样品 的制备方法相同，具体制备步骤如下：
[0046] 1)将纯度大于99. 5 %的纯Fe、纯Si、纯Cu和Fe-P合金按照合金成分 FeaSiACi^(原子百分比）配比；
[0047] 2)然后将配比好的原料装入感应熔炼炉的陶瓷坩锅内，首先抽真空至5XKT 3Pa，然后充入氩气至气压为0. 09MPa进行熔炼，熔化后进行充分熔炼，之后保温30min，然后 倒入铜模中，得到母合金锭；
[0048] 3)去除上述得到的母合金锭的表面杂质，然后在酒精中进行超声波清洗，接下来 将母合金锭破碎成小合金锭，再次在酒精中进行超声波清洗；
[0049] 4)将上述得到的小块合金锭装入开口的石英玻璃管后置于铸造设备的感应线圈 中进行熔化，其中，上述石英玻璃管抽真空至5Xl(T 3Pa以下并充入氩气保护，然后将熔融 的合金液通过单辊急冷法喷到表面线速度为40m/s的铜辊上，合金熔炼喷带前温度控制在 1300°C范围，制备出宽1.5_1、厚25以111的连续非晶条带 ；
[0050] 5)将非晶条带置于石英管中，抽真空至3 X 1(T 3Pa，充入Ar气至一个大气压，然后 封闭石英管，将石英管置于热处理炉中，以3°C /s的升温速率升0至380°C，保温lOmin，然 后立刻将石英管取出并置于水中淬火至室温。
[0051] 从本实施例11个样品的分析结果可知：
[0052] 1)通过对11个样品进行X射线衍射（XRD)谱分析可知，各合金的结构中均有晶 化相析出，一次晶化析出的纳米晶为固溶有Si的体心立方Fe，S卩a-Fe(Si)，但由于样品 较多，下面举例进行说明，比如图1是Fe 78Si7P13.5CUl. 5非晶前驱体（淬态样品）和653K热 处理lOmin后纳米晶合金的X射线衍射（XRD)谱。从图中可以看出，淬态样品中有一个典 型弥散的衍射峰，表明其结构非晶结构；而经653K热处理lOmin后的XRD图谱有一个较为 尖锐的晶化峰，合金结构中有晶化相析出，一次晶化析出的纳米晶为固溶有Si的体心立方 Fe，即 a -Fe(Si)。
[0053] 2)通过本实施例11个样品的DSC曲线可知，各合金均具有200°C左右的热实效温 区，但由于样品较多，下面举例进行说明，比如图2是10号样品Fe 78Si7P13.5CUl. 5非晶前驱体 的DSC曲线，测量的升温速度为40°C /min。从图中可以得到居里温度T。为607K，第一晶化 起始温度Txl为707K，第二晶化起始温度T x2为745K，根据DSC分析，可确定本实施例合适的 热处理温度范围为607K-745K。需要说明的是，尽管其他实施例的条件有所不同，但是对晶 化温度的影响不大，所以其他实施例中热处理温度的选择也以此作为基本参考。本实施例 最后确定的热处理温度是在该温区范围多次实验后最终确定的最佳温度。
[0054] 3)通过本实施例11个样品的磁滞回线可知，各合金的饱和磁感应强度（Bs)均不 小于1. 5T，矫顽力（H。）均不大于2. 3A/m。但由于样品较多，下面举例进行说明，比如653K 保温lOmin热处理后的纳米晶合金条带FereSi^P^Cuu的磁滞回线如图3所示。磁滞回线 采用振动样品磁强计（VSM)测量，用于测试合金的饱和磁化强度；用B-H回线测量仪测试合 金的矫顽力。该成分下合金的饱和磁感应强度（B s)为1.54T，矫顽力（H。）为L9A/m。
[0055] 4)通过本实施例11个样品的TEM明场像和选区电子衍射图可知，各合金的非晶结 构以非晶相和纳米晶相共存，但由于样品较多，下面举例进行说明，比如图4是Fe 74Si7P18CUl 非晶前驱体和在653K退火lOmin后纳米晶合金的TEM明场像和选区电子衍射图。从图4a可 以看出非晶前驱体主要以非晶相为结构主体，图4b可以看出经过退火处理后析出了 a -Fe 相，非晶结构以非晶相和纳米晶相共存。
[0056] 本实施例中三个对比例是现有的商业化的三个纳米晶牌号的典型成分，对比本实 施例中的发明样品发现：三个对比例样品成本较高，且软磁性能没有发明样品优良，不能同 时兼具有高饱和磁感应强度和低矫顽力，同时本发明的样品具有较低的高频损耗，这是三 个对比例样品所没有的性能。
[0057] 实施例2
[0058] 在本发明的铁基纳米晶合金FeaSibPeCu xMy (其中y不等于0)成分范围制备一组不 同的合金样品，其中样品的组成如表1样品编号15-41所示，根据表1中所组成的合金，通 过与实施例1中相同的步骤，制备铁基纳米晶合金带材，然后通过与实施例1中相同的测试 方法测试样品15-41的各项性能，所测得的结果如表1所示。该实施例中的合金添加了 Μ 类金属元素，由于样品较多，下面举例进行说明，如表1中样品编号15(Fe85Si5P 6.5CUl.5Zr2)， 采用了高真空和氩气保护进行制备，避免了 P元素的脆化、烧边和偏析现象，制备得到的带 材表面光亮，同时保证了材料体系优异的软磁性能和高热稳定性、高频损耗低和低磁致伸 缩系数的特性。
[0059] 从本实施例的样品分析结果可知：1)本实施例的所有样品的非晶结构均以非晶 相和纳米晶相共存；2)软磁性能：饱和磁感应强度（Bs > 1. 5T)，同时得到了较低的矫顽力 (He彡2. 3A/m)，1kHz下有效磁导率超过16. 2K，低磁致伸缩系数（2X 10_6)以及高频1kHz 下损耗小于10. 5W/kg ;3)大尺寸原子元素 Μ的添加，Μ元素能够阻碍析出纳米晶粒长大，从 而有利于保持该铁基纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能。
[0060] 上述全部实施例中纳米晶合金的饱和磁感应强度Bs采用振动样品磁强计（VSM) 进行测量，以磁场为l〇〇〇〇A/m大小的磁感应强度作为合金的饱和磁感应强度B s。合金的矫 顽力H。和1kHz下的交流磁导率μ e分别采用B-H磁滞回线测试仪和Agilent4294A型阻抗 分析仪测得。
[0061] 本发明用X射线衍射仪（XRD)确定非晶合金带材的非晶结构。完全非晶态的合金 的XRD图具有宽化的弥散衍射峰，而明显的晶体结构对应尖锐衍射峰。
[0062] 本发明用高温差示扫描量热仪（DSC)测试非晶合金的晶化行为，升温速度为40K/ min，分析非晶合金的晶化曲线，计算热处理温区Λ T。
[0063] 本发明用光杠杆测量了纳米晶薄带样品的磁致伸缩系数λ s，并将纳米晶薄带卷 绕成所需规格的铁芯，用日本IWATSUSY-8216B-H分析仪测量铁芯高频损耗P 1(l/lk，所有测量 都是在常温下进行。
[0064] 实施例3
[〇〇65] 在本发明的铁基纳米晶合金FeaSibPeCuxM y成分范围制备一组不同的合金样品，针 对同一产品在不同热处理条件下得到的产品磁性能如表2所示，样品编号42-44为根据本 发明所制备的一组实施例。其制备方法与实施例1相同，通过与实施例1中相同的测试方 法测试样品42-44的各项性能，所测得的结果如表2所示。
[〇〇66] 从本实施例的样品分析结果可知：针对同一产品在不同热处理温度下产品的软磁 性能基本保持稳定，说明本发明产品具有200°C左右范围的热稳定温区，热稳定性高。
[0067] 实施例4
[0068] 在本发明的铁基纳米晶合金FeaSibPeCu xMy成分范围制备一组不同的合金样品，其 中各样品的具体组成如表3所示，样品编号45-54为本实施例制备的合金样品，其中样品编 号45-49为样品成分范围在兀素组分含量优选范围内的产品，样品编号50-54为样品成分 范围在元素组分含量不在优选范围内的产品。其制备方法与实施例1相同，通过与实施例 1中相同的测试方法测试样品45-54的各项性能，所测得的结果如表3所示。
[〇〇69] 从本实施例的样品分析结果可知：由于本发明合金组分含量有优选数值范围，对 比样品编号45-49样品成分范围在元素组分含量优选范围内的产品和样品编号50-54样品 成分范围不在元素组分含量优选范围内的产品性能指标，优选组分范围内的产品性能好于 非优选组分含量的产品性能。
[0070] 表1实施例1-2中纳米晶合金软磁性能
[0071]
【权利要求】
1. 一种高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述合金的表达式为 FeaSibPeCuxMy，所述表达式中a、b、c、X和y分别表示各对应组分的原子百分比含量，且满足 以下条件：7〇彡a彡85,5彡b彡15,5彡c彡18,0· 0001彡X彡3,0彡y彡5, a+b+c+x+y =100%，所述 Μ 为 21*、11、了3、!^、恥、￥、1、]\1〇、]\111、0、1^、211、111、六8、513、81、〇3、钼族元素、 稀土元素、队5]1、66、63、41中的一种或多种。
2. 根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述组分Fe的原子百分 比含量a的取值范围为75彡a彡83,更优选为77彡a彡82。
3. 根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述组分Si的原子百分 比含量b的取值范围为5彡b彡10,更优选为6彡b彡8。
4. 根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述组分P的原子百分比 含量c的取值范围为10彡c彡15,更优选为12彡c彡14。
5. 根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述组分Cu的原子百分 比含量X的取值范围为〇. 1彡X彡3,更优选为0. 5彡X彡2。
6. 根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述组分Μ的原子百分比 含量y的取值范围为〇. 1彡y彡3,更优选为0. 5彡y彡2。
7. 根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述Fe被Co和/或Ni 部分替代，其中所述部分替代Fe的元素 Co和/或Ni在所述铁基纳米晶软磁合金中的原子 百分比含量为45%以下。
8. -种权利要求1-7任一所述的铁基纳米晶软磁合金的制备方法，包括 如下步骤： 步骤一，按权利要求1-7任一所述的合金表达式中各组分的原子百分比含量进行配 料； 步骤二，在抽真空后充入保护气体的气氛下采用感应熔炼炉或电弧熔炼炉将所述步骤 一配好的原料熔炼均匀，随炉冷却或注入模具冷却成成分均匀的母合金锭； 步骤三，利用单辊熔体快淬法，在真空条件下和氩气保护下将所述母合金锭制备成铁 基纳米晶软磁合金。
9. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述抽真空的真空 度为低于5X l(T3Pa，所述保护气体的气氛为氮气或氩气气氛，所述熔炼时间为30-40min， 并在熔化后保温5-30min以使合金原料熔炼均匀。
10. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述真空条件下 的真空度为彡5X10_3Pa。
11. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，采用所述单辊 熔体快淬法制备铁基纳米晶软磁合金时，铜辊表面线速度为30-40m/s，合金熔炼喷带前 温度控制在1200-1400°C，制备出的铁基纳米晶软磁合金带材的厚度为18-35μπι，宽度为 L 5-10mm〇
12. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括热处理步骤，所述 热处理步骤具体为：在抽真空后的惰性气体氛围中，将所述步骤三制备的铁基纳米晶软磁 合金带材以0. 5-4°C /s的升温速率升温至350-500°C，然后保温l_30min，最后淬火冷却至 室温，得到铁基纳米晶软磁合金带材。优选地，所述热处理步骤中，所述抽真空时的真空度 为低于3Xl(T3Pa。
13. 采用权利要求8-12任一所述的制备方法制成的铁基纳米晶软磁合金在制造电子 设备中的铁芯方面的应用。
14. 根据权利要求13所述的应用，其特征在于，所述电子设备是特种电机、电抗器、脉 冲变压器、差模电感、互感器或磁放大器。
【文档编号】C22C38/16GK104087833SQ201410273233
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】周少雄, 向睿, 董帮少, 张广强, 李宗臻 申请人:安泰科技股份有限公司