一种锰基非晶纳米晶复相粉体及其制备方法与流程

本发明属于磁性材料，具体是指一种锰基非晶纳米晶复相粉体及其制备方法。

背景技术：

1、具有高饱和磁感应强度（bs）和低高频核损耗（pc）的铁基非晶纳米晶复相粉体已经在高效软磁元件中作为配电变压器和消费电子产品进行商业应用，这对电网、新能源汽车、5 g通信和下一代电力电子产品是迫切需要的。fesibc和fesibcrc是近年来最成功的复相粉体，通过在传统非晶合金fe-si-b基础上添加c改善了合金的非晶形成能力，cr的加入显著提高了粉体的电阻率和耐腐蚀性能。值得一提的是，mn元素和si、b等类金属元素之间的混合焓及原子尺寸差都大于fe元素和si、b等类金属元素之间的混合焓及原子尺寸差，软磁性方面相较于铁基非晶纳米晶复相粉体应该也有所提升。然而，目前以mn元素为主要合金元素的复相粉体研制工作却不多。

2、另一方面，复相粉体的软磁性与其形貌及粒度也息息相关。目前，复相粉体一般通过带材破碎、机械合金化或雾化来制备。通过机械合金化和条带挤压制备的复相粉体，其形貌呈现出不规则的片状和尖锐的突起，这不利于粉体的绝缘。气体雾化法制备的复相粉体具有良好的球形度和低的氧含量，但当冷却速率为103 - 104 k/s时却不利于非晶结构的形成，因此商业化困难。水雾化法的冷却速度为104 - 105 k/s甚至更高，满足大多数复相粉体制备的冷却速度要求，但制备的复相粉体球形度差，含氧量高。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种锰基非晶纳米晶复相粉体及其制备方法。本发明以mn元素为主要合金元素，并辅以非晶形成元素si、b、c、cr和稀土元素gd来提高设计合金的非晶形成能力，使用熔体快淬法将设计合金制成非晶合金带材，再用气-水耦合沉淀雾化装置将非晶合金带材制成本发明复相粉体。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提出了一种锰基非晶纳米晶复相粉体，所述复相粉体化学表达式为mn82-x-y-zsi10b8cxcrygdz，x、y、z分别代表对应组分的原子质量百分比含量，其中0.3 ≤ x ≤ 0.5，0.1 ≤ y ≤ 0.3，0.4 ≤ z ≤ 0.6。

3、优选地，复相粉体的原料包含金属单质mn、cr，非金属元素si、b、c，中间合金mn-b、mn-si以及稀土元素gd，所述金属单质mn纯度为99.99%、金属单质cr纯度为99.99%，所述非金属元素si纯度为99.98%、非金属元素b纯度为99.99%、非金属元素c纯度为99.99%，所述中间合金mn-b中b占比为4.30%、中间合金mn-si中si占比为15.48%，所述稀土元素gd纯度为99.96%。

4、优选地，所述锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法具体包括如下步骤：

5、s1、将形成复相粉体的原料按成分配比称量并置于真空电弧熔炼炉内的铜坩埚中，随后抽真空、充入保护气体并送电加热将铜坩埚内的原料熔炼均匀后冷却，得到设计合金；

6、s2、将步骤s1得到的设计合金破碎成小合金块后置于石英管中，再将石英管放入真空单辊甩带设备的加热线圈中，随后抽真空、充入保护气体并送电加热将石英管内的小合金块熔炼成金属液滴，金属液滴顺着石英管下方的石英管喷嘴流出与旋转铜辊接触后快速冷却，得到非晶合金带材；

7、s3、将步骤s2得到的非晶合金带材倒入气-水耦合沉淀雾化装置内的中间包中熔炼成熔融的金属液流，金属液流通过中间包底部导液管进入雾化区域后依次被紧密耦合气雾化喷嘴和扇形水雾化喷嘴破碎成粉体，经过离心机脱水、真空干燥机干燥后，得到复相粉体。

8、优选地，在步骤s1中，所述真空电弧熔炼炉内的真空度为6 x 10-3pa，保护气体为ar气，送电电流为6 - 8 a，加热时间为1 - 2 min。

9、优选地，在步骤s2中，所述真空单辊甩带设备由石英管、加热线圈、石英管喷嘴和旋转铜辊组成，其中石英管和加热线圈、石英管喷嘴连接，石英管喷嘴与旋转铜辊连接。

10、优选地，在步骤s2中，所述真空单辊甩带设备内的真空度为6 x 10-3pa，保护气体为ar气，送电电流为6 - 7 a，加热时间为20 s - 1 min，旋转铜辊转速为2500 - 4500rmp，石英管喷嘴直径为1 - 2 mm。

11、优选地，在步骤s3中，所述导液管的内径为4.0 - 5.5 mm，突出长度为2 - 8 mm。

12、优选地，在步骤s3中，所述紧密耦合气雾化喷嘴的类型为收敛-扩张式喷嘴，紧密耦合气雾化喷嘴的气体介质为氮气，紧密耦合气雾化喷嘴的出口气体马赫数为1.0 - 2.0，紧密耦合气雾化喷嘴内腔的气体压力为3.0 - 4.0 mpa，紧密耦合气雾化喷嘴的气体射流顶角为30°，紧密耦合气雾化喷嘴的喉部面积为43.0 mm2，紧密耦合气雾化喷嘴的出口面积为72.6 mm2。优选地，在步骤s3中，所述扇形水雾化喷嘴的水流压力为2.0 - 5.0 mpa，扇形水雾化喷嘴的出口水流流量为12.2 - 19.3 l/min，扇形水雾化喷嘴的水流射流顶角为30°。

13、本发明取得的有益效果如下：本发明以目前较为火热的fesibcrc型铁基非晶纳米晶复相粉体为基础，用具有奇特结构和磁性的过渡元素mn取代fe元素作为复相粉体中的主要元素，并辅以稀土元素gd进一步增强复相粉体中非晶相的稳定性，设计出一种新型非晶纳米晶复相粉体即锰基非晶纳米晶复相粉体，化学表达式为mn82-x-y-zsi10b8cxcrygdz，其中0.3 ≤ x ≤ 0.5，0.1 ≤ y ≤ 0.3，0.4 ≤ z ≤ 0.6，该复相粉体区别于常规的铁基非晶纳米晶复相粉体体系。

14、本发明不同于常规以fe元素作为主要合金元素的复相粉体，而是选择以mn元素作为复相粉体的主要合金元素。在二元体系中mn-b（-32 kj·mol-1）、mn-si（-45 kj·mol-1）的混合热焓均明显高于fe-b（-26 kj·mol-1）、fe-si（-35 kj·mol-1）的混合热焓。此外，锰的原子半径为0.127 nm，略大于铁的原子半径0.126 nm，即锰和硅、硼等类金属元素的原子尺寸差的百分数对比铁元素也是稍大的。因此本发明锰基非晶纳米晶复相粉体的非晶形成能力相较于铁基非晶纳米晶复相粉体有所提升。此外，由于添加的稀土元素gd原子尺寸大，对氧的亲和力高，进一步提高了本发明锰基复相粉体的非晶形成能力。因为复相粉体中非晶形成能力往往与软磁性相关联，即本发明锰基非晶纳米晶复相粉体的软磁性相较于铁基非晶纳米晶复相粉体也有所提升，具体表现为磁导率远高于同类型的铁基非晶纳米晶复相粉体。

15、本发明结合气雾化与水雾化制粉的优点，以气-水耦合沉淀雾化装置将设计合金制成复相粉体，所得粉体为完全非晶态、球形度较好、氧含量低且粒径细小。

技术特征：

1.一种锰基非晶纳米晶复相粉体，其特征在于：所述复相粉体化学表达式为mn82-x-y-zsi10b8cxcrygdz，x、y、z分别代表对应组分的原子质量百分比含量，其中0.3 ≤ x ≤ 0.5，0.1 ≤ y ≤ 0.3，0.4 ≤ z ≤ 0.6。

2.根据权利要求1所述的锰基非晶纳米晶复相粉体，其特征在于：复相粉体的原料包含金属单质mn、cr，非金属元素si、b、c，中间合金mn-b、mn-si以及稀土元素gd，所述金属单质mn纯度为99.99%、金属单质cr纯度为99.99%，所述非金属元素si纯度为99.98%、非金属元素b纯度为99.99%、非金属元素c纯度为99.99%，所述中间合金mn-b中b占比为4.30%、中间合金mn-si中si占比为15.48%，所述稀土元素gd纯度为99.96%。

3.一种如权利要求1 - 2任一所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：在步骤s1中，所述真空电弧熔炼炉内的真空度为6 x 10-3 pa，保护气体为ar气，送电电流为6 - 8 a，加热时间为1 - 2 min。

5.根据权利要求3所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：在步骤s2中，所述真空单辊甩带设备由石英管、加热线圈、石英管喷嘴和旋转铜辊组成，其中石英管和加热线圈、石英管喷嘴连接，石英管喷嘴与旋转铜辊连接。

6.根据权利要求3所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：在步骤s2中，所述真空单辊甩带设备内的真空度为6 x 10-3 pa，保护气体为ar气，送电电流为6 - 7a，加热时间为20 s - 1 min，旋转铜辊转速为2500 - 4500 rmp，石英管喷嘴直径为1 - 2mm。

7.根据权利要求3所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：在步骤s3中，所述导液管的内径为4.0 - 5.5 mm，突出长度为2 - 8 mm。

8.根据权利要求3所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：在步骤s3中，所述紧密耦合气雾化喷嘴的类型为收敛-扩张式喷嘴，紧密耦合气雾化喷嘴的气体介质为氮气，紧密耦合气雾化喷嘴的出口气体马赫数为1.0 - 2.0，紧密耦合气雾化喷嘴内腔的气体压力为3.0 - 4.0 mpa，紧密耦合气雾化喷嘴的气体射流顶角为30°，紧密耦合气雾化喷嘴的喉部面积为43.0 mm2，紧密耦合气雾化喷嘴的出口面积为72.6 mm2。

9.根据权利要求3所述的锰基非晶纳米晶复相粉体的制备方法，其特征在于：在步骤s3中，所述扇形水雾化喷嘴的水流压力为2.0 - 5.0 mpa，扇形水雾化喷嘴的出口水流流量为12.2 - 19.3 l/min，扇形水雾化喷嘴的水流射流顶角为30°。

技术总结
本发明属于磁性材料技术领域，公开了一种锰基非晶纳米晶复相粉体及其制备方法，化学表达式为Mn<subgt;82‑x‑y‑z</subgt;Si<subgt;10</subgt;B<subgt;8</subgt;C<subgt;x</subgt;Cr<subgt;y</subgt;Gd<subgt;z</subgt;，其中0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3，0.4≤z≤0.6。本发明以Mn元素为主要合金元素，并辅以非晶形成元素Si、B、C、Cr和稀土元素Gd来提高设计合金的非晶形成能力，使用熔体快淬法将设计合金制成非晶合金带材，再用气‑水耦合沉淀雾化装置将非晶合金带材制成本发明复相粉体。所制成的复相粉体为完全非晶态、球形度较好、氧含量低且粒径细小，相较于现有技术的同类型铁基非晶纳米晶复相粉体，本发明复相粉体在软磁性方面取得进一步的提升。

技术研发人员：江沐风,江向荣,张国栋,贾义勇,高志昌
受保护的技术使用者：朗峰新材料启东有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17