本发明涉及非晶合金技术领域，尤其涉及一种铁基非晶合金及其制备方法。
背景技术：
非晶合金是合金在超急冷凝固时合金原子来不及有序排列结晶而得到的长程无序结构的固态合金。非晶合金没有晶态合金的晶粒、晶界存在。非晶合金具有优异的磁性、耐蚀性、耐磨性，较高的电阻率、机电耦合性以及较高的强度、硬度和韧性等，因而具有较广阔的应用前景。
铁基非晶合金为众多非晶合金中的一种，具有高饱和磁感应强度，磁导率、激磁电流以及低铁损特性。目前，铁基非晶合金主要为fesib非晶合金。fesib非晶合金仅利用低成本的废钢、fe-b、fe-si等中间合金通过熔甩工艺制成，因而具有较低的制备成本。fesib非晶合金具有高电阻和极低铁损，容易形成低剩磁状态，因而广泛应用于输配电、电子信息、新能源汽车等行业，满足我国节能减排的重大需求。但fesib非晶合金与硅钢相比，fesib非晶合金的饱和磁感应强度(bs)较低，其应用受到局限。大量研究结果表明，增加铁基非晶合金中铁元素的含量能够提高铁基非晶合金的饱和磁感应强度。当增加铁基非晶合金中铁元素的含量时，维持非晶形成能力的类金属的含量降低，从而造成非晶合金中α-fe析出，导致非晶形成能力的下降，最终使得铁基非晶合金不易生产。
研究表明，适量添加磷元素能够提高铁基非晶合金的形成能力以及提高铁含量，且不会造成铁基非晶合金的饱和磁感应强度降低。如目前广泛应用的fe78si9b13非晶合金的饱和磁感应强度为1.56t，添加磷元素后制备得到的fe84b8.5si4.5p3非晶合金的饱和磁感应强度增加到1.7t。另外，fe-b-p体系的非晶合金非晶形成能力要好于fe-b-si体系的非晶合金非晶形成能力。虽然，fe-b-p体系的非晶合金非晶形成能力好于fe-b-si体系，但fe-b-p体系的非晶合金在制备过程中，磷比硅和硼更容易烧毁，进而使得非晶合金制备原料中铁含量增加，造成非晶合金中α-fe析出，导致非晶形成能力的下降，最终使得铁基非晶合金不易生产。因此，fe-b-p体系的非晶合金很少能够应用于工业领域。
技术实现要素：
本发明提供一种铁基非晶合金及其制备方法，以解决现有fe-b-p体系的非晶合金在制备时非晶形成能力较低、饱和磁感应强度较低的问题。
本发明提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂。其中，铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。添加剂包括氧化硼(b2o3)和焊剂。
具体地，纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金为铁基非晶合金的形成提供基本的元素成分。铁基非晶合金在制备时，纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的称取量根据铁基非晶合金中各元素的原子百分含量确定。铁磷中间合金和铁硼中间合金可以采用工业级或分析级别的合金。由于实际购买的铁磷中间合金和铁硼中间合金的纯度不同，因而铁磷中间合金和铁硼中间合金中磷和硼的含量不同。因此，铁基非晶合金在制备时，磷和硼的添加量的计算还需要考虑铁磷中间合金和铁硼中间合金的纯度。
在本发明提供的铁基非晶合金中，焊剂采用埋弧焊用高锰高硅型碱性焊剂或氟碱型渣系烧结焊剂，如hj430、hj431、hj433、sj101等。高锰高硅型碱性焊剂或氟碱型渣系烧结焊剂中均含有氧化硅(sio2)和氧化锰(mno)两种化学成分。在本发明提供的焊剂中，sio2的质量百分比为20-50％，mno的质量百分比为20-30％。焊剂中各组分的质量百分比之和为100％。
纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金所组成的铁基金属材料在熔炼时形成熔体。焊剂中的sio2能够与熔体中的fe发生反应，进而便于向熔体中补充有益合金元素。sio2与熔体中fe的反应为sio2+2fe＝2feo+si。由于si元素的增加是通过低成本的sio2反应生成，因而大大降低铁基非晶合金的生产成本，且制备的铁基非晶合金仍然具有较好的软磁性能和非晶形成能力。若焊剂中sio2的含量较高，且铁基非晶合金制备过程中添加较多的焊剂，则大量的sio2与fe发生反应，导致铁基非晶合金制备过程中的fe含量降低。若铁基非晶合金制备过程中的fe含量降低，则铁基非晶合金的饱和磁感应强度降低，不利于工业应用。因此，当焊剂中的sio2含量较高时，焊剂的添加质量需要较少，即焊剂的添加量与焊剂中sio2的含量成反比。
b2o3为低熔点氧化物，能够覆盖在熔体的表面，进而起到保护熔体的作用。由于b2o3对熔体的保护作用，熔体中的b、p元素不易被烧损，进而减少b、p元素的烧损量。由于b、p元素的烧损量减少，因此能够维持熔体中各元素的含量保持平衡，进而提高非晶形成能力和软磁性能。
进一步，本发明提供的铁基非晶合金可表示为feabbpc，其中，fe为铁，b为硼，p为磷。在feabbpc组成的铁基非晶合金中，a、b、c分别为各组分的原子百分含量，即a为fe元素的原子百分含量，b为b元素的原子百分含量，c为p元素的原子百分含量。本发明提供的铁基非晶合金中的主要元素为fe、b、p，当然还包括其他微量元素，如si等。为便于描述，在下述的描述中，feabbpc组成的铁基非晶合金简称为feabbpc非晶合金。在feabbpc非晶合金中，a、b、c分别满足a：75-86，b：4-20，c：4-15，且a、b和c的总和为100。当fe、b、p元素的原子百分含量分别满足a：75-86，b：4-20，c：4-15时，本发明所制备的feabbpc非晶合金具有较高的饱和磁感应强度和较强的非晶形成能力。
具体地，fe为磁性元素。在feabbpc非晶合金中，为获取较高的饱和磁感应强度，非晶合金中需要一定含量的fe。若非晶合金中fe的含量过多，则容易使得非晶合金中的类金属含量降低，从而造成非晶合金中α-fe析出，导致非晶形成能力的下降。因此，feabbpc非晶合金中需要确保fe的含量。优选地，fe元素的原子百分含量a为75-86。较为优选地，fe元素的原子百分含量a为80-85。
b为类金属中的一种，其中，类金属又称半金属。b影响非晶合金的非晶形成能力，因而是制备非晶合金必不可少的元素。当feabbpc非晶合金中b元素的原子百分含量小于4时，非晶形成能力较低，不易形成非晶合金。当feabbpc非晶合金中b元素的原子百分含量过高时，也不易形成非晶合金。因此，在本发明中，b元素的原子百分含量b为4-20。较为优选地，b元素的原子百分含量b为8-15。
p具有较高的混合热。p的添加有利于提高过冷液相的稳定性，起到非晶形成元素的作用。另外，p的最外层p轨道的轨道电子较多，当p含量增加时，会促使更多的3d轨道充满，进而导致饱和磁感应强度降低。因此，feabbpc非晶合金中，p也需要保有一定的含量。在本发明中，p元素的原子百分含量c为4-15。较为优选地，p元素的原子百分含量c为4-8。
本发明还提供了铁基非晶合金的制备方法，该制备方法包括：
将焊剂放置于200-250℃的温度下烘干1h，同时将b2o3放置于100-150℃的温度下烘干1h，以去除焊剂和氧化硼表面的水分。按照铁基非晶合金中各原料的原子百分含量称取铁基金属材料。其中，铁基非晶合金为feabbpc非晶合金。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。feabbpc非晶合金中b、p含量的添加根据铁磷中间合金和铁硼中间合金的纯度确定。
按照铁基金属材料与添加剂的质量比为1：(3-6)称取添加剂。其中，添加剂包括氧化硼和焊剂。添加剂在具体称量时，氧化硼和焊剂的质量比为1:(1-2)。焊剂采用埋弧焊用高锰高硅型碱性焊剂或氟碱型渣系烧结焊剂，且高锰高硅型碱性焊剂或氟碱型渣系烧结焊剂中均包括sio2和mno。在本发明提供的焊剂中，sio2的质量百分比为20-50％，mno的质量百分比为20-30％。
将称取好的铁基金属材料与添加剂混合后放入感应熔炼炉的玻璃管中进行熔炼，得到熔炼合金。
将熔炼合金敲碎，形成小块锭料。
将小块锭料放入底端带有小孔的石英管中，其中，小孔的孔径为1mm。将石英管放入高频重熔甩带设备中，在氩气保护下进行甩带，得到铁基非晶合金的薄带。在铁基非晶合金的薄带形成过程中，小块锭料的喷射压力为0.8mpa，直径200mm的铜轮的转速为1500-3000r/min。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，所述铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金；所述添加剂包括氧化硼和焊剂。铁硼中间合金中p元素的添加能够提高铁基非晶合金的形成能力。焊剂中的sio2能够与熔体中的fe发生反应，进而便于向熔体中补充有益合金元素。b2o3为低熔点氧化物，能够覆盖在熔体的表面，进而起到保护熔体的作用。由于b2o3对熔体的保护作用，熔体中的b、p元素不易被烧损，进而减少b、p元素的烧损量。由于b、p元素的烧损量减少，因此能够维持熔体中各元素的含量保持平衡，进而提高非晶形成能力和软磁性能。因此，本发明所制备的铁基非晶合金具有较高的饱和磁感应强度和较强的非晶形成能力，且饱和磁感应强度最高能够达到1.7-1.75t，能够广泛应用于工业领域。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的铁基非晶合金的制备流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参考附图1，附图1示出了本发明实施例提供的铁基非晶合金的制备流程示意图。下述具体实施例的描述均以附图1为基础。
实施例1
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe85b10p5非晶合金。fe85b10p5非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：3。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe85b10p5的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj430，其中，氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj430的质量比为1：1。高锰高硅型碱性焊剂hj430包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为20％，mno的质量百分比为30％，其他成分的质量百分比为50％。
本发明实施例还提供了fe85b10p5的制备方法，该制备方法包括：
s101：将高锰高硅型碱性焊剂放置于200-250℃的温度下烘干1h，同时将b2o3放置于100-150℃的温度下烘干1h，以去除焊剂和氧化硼表面的水分。按照铁基非晶合金中各原料的原子百分含量称取铁基金属材料。其中，铁基非晶合金为fe85b10p5非晶合金。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。fe85b10p5非晶合金中b、p含量的添加根据铁磷中间合金和铁硼中间合金的纯度确定。
s102：按按照铁基金属材料与添加剂的质量比为1：(3-6)称取添加剂。其中，添加剂包括氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂。
s103：将称取好的铁基金属材料与添加剂混合后放入感应熔炼炉的玻璃管中进行熔炼，得到熔炼合金。
s104：将熔炼合金敲碎，形成小块锭料。
s105：将小块锭料放入底端带有小孔的石英管中，其中，小孔的孔径为1mm。将石英管放入高频重熔甩带设备中，在氩气保护下进行甩带，得到铁基非晶合金的薄带。在铁基非晶合金的薄带形成过程中，小块锭料的喷射压力为0.8mpa，直径200mm的铜轮的转速为1500-3000r/min。
经检测，本发明实施例提供的fe85b10p5非晶合金的饱和磁感应强度为1.7t。
实施例2
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe86b9p5非晶合金。fe86b9p5非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：6。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe86b9p5的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj431，其中，氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj431的质量比为2：1。高锰高硅型碱性焊剂hj431包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为50％，mno的质量百分比为20％，其他成分的质量百分比为30％。
本发明实施例还提供了fe86b9p5的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe86b9p5非晶合金的饱和磁感应强度为1.75t。
实施例3
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe80b12p8非晶合金。fe80b12p8非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：4。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe80b12p8的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj433，其中，氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj433的质量比为2：1。高锰高硅型碱性焊剂hj433包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为40％，mno的质量百分比为25％，其他成分的质量百分比为35％。
本发明实施例还提供了fe80b12p8的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe80b12p8非晶合金的饱和磁感应强度为1.65t。
实施例4
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe83b11p6非晶合金。fe83b11p6非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：3。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe83b11p6的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101，其中，氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101的质量比为1：1。氟碱型渣系烧结焊剂sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为25％，mno的质量百分比为30％，其他成分的质量百分比为45％。
本发明实施例还提供了fe83b11p6的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe83b11p6非晶合金的饱和磁感应强度为1.68t。
实施例5
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe79b13p8非晶合金。fe79b13p8非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：5。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe79b13p8的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101，其中，氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101的质量比为1：1。氟碱型渣系烧结焊剂sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为45％，mno的质量百分比为20％，其他成分的质量百分比为35％。
本发明实施例还提供了fe79b13p8的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe79b13p8非晶合金的饱和磁感应强度为1.62t。
实施例6
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe75b20p5非晶合金。fe75b20p5非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：5。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe75b20p5的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101，其中，氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101的质量比为1：1。氟碱型渣系烧结焊剂sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为45％，mno的质量百分比为20％，其他成分的质量百分比为35％。
本发明实施例还提供了fe75b20p5的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe75b20p5非晶合金的饱和磁感应强度为1.52t。
实施例7
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe81b15p4非晶合金。fe81b15p4非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：3。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe81b15p4的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101，其中，氧化硼和氟碱型渣系烧结焊剂sj101的质量比为1：1。氟碱型渣系烧结焊剂sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为25％，mno的质量百分比为30％，其他成分的质量百分比为45％。
本发明实施例还提供了fe81b15p4的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe81b15p4非晶合金的饱和磁感应强度为1.65t。
实施例8
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe81b4p15非晶合金。fe81b4p15非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：4。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe81b4p15的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj433，其中，氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj433的质量比为2：1。高锰高硅型碱性焊剂hj433包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为40％，mno的质量百分比为25％，其他成分的质量百分比为35％。
本发明实施例还提供了fe81b4p15的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe81b4p15非晶合金的饱和磁感应强度为1.69t。
实施例9
本发明实施例提供一种铁基非晶合金，该铁基非晶合金为fe85b8p7非晶合金。fe85b8p7非晶合金的制备原料包括铁基金属材料和添加剂，其中，铁基金属材料和添加剂的质量比为1：6。铁基金属材料包括纯度为99.99％的纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金。纯铁、铁磷中间合金和铁硼中间合金的添加含量根据fe85b8p7的原子百分含量确定。添加剂包括氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj431，其中，氧化硼和高锰高硅型碱性焊剂hj431的质量比为2：1。高锰高硅型碱性焊剂hj431包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的质量百分比为50％，mno的质量百分比为20％，其他成分的质量百分比为30％。
本发明实施例还提供了fe85b8p7的制备方法，该制备方法的具体步骤同实施例1。经检测，本发明实施例提供的fe85b8p7非晶合金的饱和磁感应强度为1.75t。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。