一种钴基非晶软磁合金材料及其制备方法和应用

本发明涉及非晶软磁材料制备，具体涉及一种钴基非晶软磁合金材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电流传感器作为电流测量的必要工具，是检测导体中电流大小和方向的必要测量装置，在自动化设备智能电网及新能源汽车等领域发挥着重要作用。磁通门是通过软磁材料在激励作用下饱和时其磁导率的非线性特性实现工作，而磁导率是由材料直接决定的。材料磁导率越高，磁通门传感器的灵敏度就越高，因此磁性材料的选取至关重要。随着5g、新能源等领域的不断进步，电流传感器朝着小型化、集成化、智能化等方向发展，因而要求软磁材料具有低饱和磁感应强度、低矫顽力、高矩形比和高磁导率。

2、适用于磁通门传感器的软磁材料主要包括fe-ni-(mo)坡莫合金、铁基纳米晶合金和钴基非晶合金，这些软磁材料均具有高的磁导率(μ)和低的矫顽力(hc)。但具体而言，高磁导率的fe-ni-(mo)坡莫合金的矩形比小、高频磁特性差，而高矩形比的fe-ni-(mo)坡莫合金的软磁性能又很差，限制了其在电流传感器中的应用。

3、以fe-si-b-nb-cu(finemet)为代表的铁基纳米晶合金具有饱和磁感应强度高、磁导率高、成本低廉等优势，常以环形铁芯的形式应用于电流传感器，但因其难以饱和，脆性大，不含耐腐蚀元素，均难以兼顾小型化、高频化和可靠性。钴基非晶合金具有更低的饱和磁感应强度和损耗，且在高频下具有更高的磁导率，从而更易饱和、矩形比高、高频磁特性好。并且耐腐蚀性元素的添加使得合金能在大气或低真空条件下进行制备和热处理，从而极大降低生产成本，且可以提高器件在恶劣环境下的服役稳定性。因此，钴基非晶软磁合金材料更适合用于高精度小型磁通门电流传感器。

4、随着高精度磁传感器的广泛应用，国内外许多学者开展了对钴基非晶软磁合金材料的研究工作。德国vac公司在cofesib的基础上加入了少量的mo元素，使得合金具有更好的生产工艺性，但其热处理工艺复杂且巨磁阻抗效应有待优化。

5、国内学者尝试在cofesib基础上添加cr、nb、mn等元素，以同时提高合金材料的非晶形成能力和软磁性能，但性能仍不理想，存在诸如工艺复杂、饱和磁感应强度大、磁导率低、成本高等问题。

6、公开号为cn114875343a的中国专利文献公布了一种[(co0.65fe0.35)0.54mn0.32sn0.09nd0.05]100-x(znaca1-a)x钴基非晶合金体系，其中，a为0.6-0.8；x为5-10。该非晶合金具有良好的力学性能与屈服强度，塑性可达11.5％，而现有钴基非晶合金塑性约在2-8％。但该材料饱和磁感应强度过高，难以饱和，不适合用于高精度小型电流传感器。

7、公开号为cn113462993a的中国专利文献公布了一种co68fe6.5si12.5b10nbxni3-x钴基非晶合金薄带，该材料在传统的钴基非晶cofesib中加入了ni、nb元素，可以使非晶合金的软磁性能得到提升，获得更明显的趋肤效应。但其磁致伸缩系数不为零，热稳定性有待优化，且贵重金属元素的加入提高了制备成本。

8、公开号为cn110993239a的中国专利文献公布了一种feacobsicbdcue铁钴基非晶软磁合金，该合金材料具备优异软磁性能和较好的非晶形成能力，实施例1中材料经磁场去应力退火后磁导率最高为13200，但其矫顽力最低为1.4a/m，且磁场热处理工艺复杂，仍有待优化。

9、上述专利通过成分优化不同程度地改善了cofesib系列合金的软磁性能，但这些材料并不能同时兼具低饱和磁感应强度、低矫顽力和高初始磁导率等综合性能，难以制备出能够适用于电流传感器的钴基非晶软磁材料。因此，开发一种兼具低饱和磁感应强度、低矫顽力和高初始磁导率的钴基非晶软磁合金材料，对于促进磁通门电流传感器的开发以及钴基非晶软磁合金材料的推广应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对钴基非晶软磁合金材料难以兼具低饱和磁感应强度、低矫顽力和高初始磁导率的问题，提供一种钴基非晶软磁合金材料，该材料利用不同元素间协同作用，能够具有饱和磁感应强度(bs)0.5t以下，矫顽力1a/m以下且具有高初始磁导率的综合性能。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种钴基非晶软磁合金材料，所述钴基非晶软磁合金材料成分具有如下表达式：coafebmocsidbecfmg，式中a、b、c、d、e、f、g分别代表对应组分的原子百分含量，其中，50≤a≤70，2≤b≤8，0.5≤c≤5，10≤d≤20，10≤e≤20，0.01≤f≤0.5，0.1≤g≤5，a+b+c+d+e+f+g＝100；m为v、cr、mn、nb中至少一种。

4、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中co的原子百分含量为60≤a≤70。

5、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中fe的原子百分含量为3≤b≤5。

6、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中mo的原子百分含量为0.5≤c≤3。

7、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中si的原子百分含量为14≤d≤17。

8、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中b的原子百分含量为10≤e≤15。

9、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中c的原子百分含量为0.01≤f≤0.3。

10、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中m的原子百分含量为0.1≤g≤3.5。

11、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中m的原子百分含量为0.5≤g≤3，优选0.5≤g≤2。

12、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料中co和fe的原子百分总含量为65≤a+b≤75。

13、在一些实施方式中，m为cr和/或mn。

14、在一些实施方式中，m为cr。

15、在一些实施方式中，所述fe、co、mo、b、si、c和m原料的纯度均在99wt.％以上。

16、在一些实施方式中，所述钴基非晶软磁合金材料的饱和磁感应强度在0.5t以下，矫顽力在1a/m以下。

17、本发明还提供所述的钴基非晶软磁合金材料的制备方法，包括步骤：

18、步骤1，按照合金组成将各元素原料称取后熔炼成母合金锭；

19、步骤2，将母合金锭制成非晶软磁合金带材或丝材；

20、步骤3，非晶软磁合金带材或丝材退火热处理得到所述钴基非晶软磁合金材料。

21、在一些实施方式中，步骤2中制备非晶软磁合金带材或丝材包括单辊快淬法、双辊快淬法、内圆水纺丝法、玻璃包覆纺丝法中至少一种；优选地，步骤2中制备非晶软磁合金带材或丝材为单辊快淬法或内圆水纺丝法。

22、在一些实施方式中，步骤2中制备非晶软磁合金带材或丝材的方法为单辊快淬法时，单辊快淬法的工艺参数为：喷射压力为0.01-0.03mpa，铜棍转速为3000-5000r/min。

23、在一些实施方式中，步骤2中制备非晶软磁合金带材或丝材的方法为内圆水纺丝法时，内圆水纺丝法的工艺参数为：喷射压力为0.3-0.5mpa，铜棍转速为1000-1400r/min。

24、在一些实施方式中，步骤2中带材宽度为1-1.3mm，厚度为18-25μm；丝材直径为80-120μm。

25、在一些实施方式中，步骤3中退火热处理为真空条件下400-560℃下恒温保持10-60min。所述真空条件指设备内真空度在5.0×10-3pa以下时；

26、在一些实施方式中，材料经退火热处理后取出水淬至室温。

27、本发明还提供一种磁探头，包括所述的钴基非晶软磁合金材料。

28、本发明还提供所述磁探头应用于制备传感器、电子电感器件或电流互感器等，如磁通门电流传感器，并采用tk1000·200a型直流电流传感器检测装置测试其精度，得到的传感器精度非常高。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、(1)本发明特定组成下的钴基非晶软磁合金材料同时兼具低饱和磁感应强度、低矫顽力、高初始磁导率和高矩形比等，软磁性能优异，在未添加p元素的情况下仍能保持较高的非晶形成能力，综合性能优异。

31、(2)本发明的钴基非晶软磁合金材料还具备较好的耐腐蚀性，服役时间长，服役稳定性高，可应用于多种恶劣环境中，适应性更广。

32、(3)本发明的钴基非晶软磁合金材料不含稀土金属元素、易挥发性元素，成本更低，性能更稳定。

33、(4)本发明的钴基非晶软磁合金材料不含有镉、铅、汞等有害物质，避免对人体健康产生负面影响，对环境更友好。

34、(5)本发明的钴基非晶软磁合金材料制备工艺简单，经过简单恒温退火热处理后的材料具有更优异的综合软磁性能，无需磁场退火等繁琐步骤，有利于工业化的推广应用。

35、(6)本发明的合金材料制备的磁探头应用在传感器、电子电感器件或电流互感器等领域中，精度大幅度提升，对于促进小型高精度磁通门电流传感器等设备的开发具有重要意义。