专利名称：高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高饱和磁化强度的铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法。
背景技术：
铁基非晶和纳米晶软磁合金具有优良的综合软磁性能，如闻饱和磁感值、闻导磁率、低矫顽力、低损耗、低激磁电流和良好的稳定性等特点，可用于配电变压器、中频电源变压器和开关电源变压器的铁芯、滤波电抗器、饱和电抗器、马达定子以及磁传感器等，是应用和研究最广的非晶纳米晶合金之一。由于铁基非晶纳米晶合金的应用具有重大的经济意义和社会效益，数十年来有关非晶和纳米晶合金的研究始终是材料和凝聚态物理领域内的研究热点。最引人注目的研究开始于1988年日立金属公司的Yoshizawa等人发现的Fe-Cu-Nb-Si-B系合金。由于该系列合金具有独特的纳米晶结构和优异的软磁性能，引起了研究人员的广泛注意。经过二十多年的研究，目前的纳米晶软磁合金主要包括三个合金体 系，即 FeCuMSiB (M=Nb, Ta, W 等)系 Finemet 合金、FeMBCu (M=Zr, Hf, Nb 等)系 Nanoperm 合金以及 FeCoMCuB (M=Zr, Hf, Nb 等)系 Hitperm 合金。其中，Nanoperm 和 Hitperm 合金虽然饱和磁化强度较高，但软磁综合性能不及Finemet合金，同时还因为含有大量易氧化的贵金属元素(如Zr、Nb、Co等)导致成本高且制备工艺复杂,并未得到真正的推广应用。Finemet合金由于其较好的综合软磁性能以及较低的成本目前在许多领域得到广泛的应用。然而其饱和磁感应强度相对较低(最高仅为I. 4T，通常在I. 2T左右)。这导致其与高饱和磁感应强度的硅钢相比，在相同工作条件下应用时需要较大的体积，极大的限制其应用。为适应器件的轻量化、小型化发展的要求，对于新型高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗、良好高频性能的软磁材料的需求越来越大。随着国家节能减排政策的实施(要求低损耗)，研究开发同时具有高饱和磁感应强度和低损耗的新型铁基纳米晶软磁合金变得日益重要。对于纳米晶软磁材料而言，要提高合金的饱和磁感应强度，需尽量增加铁含量，并相应减少合金内的非铁磁性类金属元素。但是，这些类金属元素含量的减少会导致纳米晶合金前驱体(非晶)的非晶形成能力的下降，从而给非晶带材的制备带来困难，并导致软磁性能的恶化。因此，迫切需要开发一种制备工艺简单且软磁性能优异的新型铁基非晶纳米晶合金，其对于促进我国铁基非晶纳米晶软磁材料及其器件相关产业的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，本发明提供一种具有高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，同时还公开了该合金的制备方法，旨在解决目前铁基非晶纳米晶软磁合金材料饱和磁感应强度较低的问题，
本发明的技术方案是所述的高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，由以下相应摩尔百分比的成分制成
68 90%的铁，
0飞％的X，所述X选至铝、铬、锰、钛、钒中的一种或一种以上，(T2%的铜，
3 20%的硅，
4 20%的硼，
以及0 10%的磷。 也就是说，这种高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金的成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表示FeaXbCueSidBePf，其中，68彡a彡90，0彡b彡6，0彡c彡2，3 彡 d 彡 20,4 ^ e ^ 20,0 ^ f ^ 10，且 a+b+c+d+e+f=100，X 为 Al、Cr、Mn、Ti、V 中的一种或一种以上。上述这种高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤
1)按照以下摩尔百分比配比原料
68 90%的铁，
0飞％的X，所述X为铝、铬、锰、钛、钒中的一种或一种以上(比如X为铬、锰和钛，则铬、锰、钛三者的摩尔百分比之和在0飞％之间)，
(T2%的铜，
3 20%的硅，
4 20%的硼，
以及0 10%的磷；
2)将配比好的原料装入真空感应炉的坩埚中，在真空条件下采用中频感应熔炼的方法把原料反复熔炼至少3遍，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭；
3)将熔炼得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，使用单辊甩带法制备出非晶合金薄带；
5)将制得的非晶合金薄带放入热处理炉中，在压强小于10—3Pa的真空环境下或者在惰性氩气气体保护的环境下，以小于等于25V Mn的升温速率将热处理炉温度升高至360°C 480°C (该升温过程可分成两步进行首先以较大的升温速率升至某一中间温度，然后再以较小的升温速率升至最终温度，并保证较大及较小的升温速率均小于等于25°C /min)，保温0. 5 2h后，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料。作为优选，在所述步骤4)中，所述非晶合金薄带的宽度为2 50mm，厚度为2(T30urn。本发明的优点是本发明高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，其饱和磁化
强度高。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
图I为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
实施例I :
I)成分设计与配料
按照以下摩尔百分比配比原料85%的铁、1%的铝、0. 5%的铜、3. 5%的硅、6%的硼、以及4%的磷,共计5kg ；
2)母合金熔炼
将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼4次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)母合金破碎
将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清 洗，取出后自然晾干待用；
4)单棍急冷制带
将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热方法将其融化，利用单棍急冷甩带工艺，在空气中以35m/s的速度制带,制得宽度为10mm、厚度为30um的非晶合金薄带；
5)带材纳米晶化处理
将非晶合金薄带材放入管式真空热处理炉中，在压强小于等于KT3Pa的真空环境下，以15°C /min的加热速率升温至360°C，然后以5°C /min升温至400°C，并保温0. 5h，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不=Fe85Al1Cua5Si15B6P4tj性能检测热处理后的纳米晶带材(即最后获得非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料)的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为1.84T，矫顽力约为19A/m，铁损Pl/50=0. 46ff/kg0实施例2:
1)按照以下摩尔百分比配比原料82%的铁、1%的铝、0.5%的钛、0. 5%的铜、0. 5%的硅、8%的硼、以及4%的磷,共计5kg ；
2)将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼4次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热方法将其融化，利用单辊急冷甩带工艺，在空气中以30m/s的速度制带，制得宽度为20mm、厚度为30um的非晶合金薄带；
5)将非晶合金薄带材放入管式真空热处理炉中，在压强小于等于10_3Pa的真空环境下，以20°C /min的加热速率升温至360°C，然后以5°C /min升温至480°C，并保温0. 5h，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不=Fe82Al1Tia5Cua5Si4B8Pp热处理后的纳米晶带材的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为I. 70T，矫顽力约为 10A/m，铁损 Pl/50=0. 34W/kg。实施例3:1)按照以下摩尔百分比配比原料79%的铁、I.5%的铬、I. 5%的猛、I. 5%的铜、5%的硅、7. 5%的硼、以及4%的磷，共计5kg ；
2)将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼3次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热的方法将其融化，利用单辊急冷甩带工艺，在空气中以35m/s的速度制带，制得宽度为25mm、厚度为30um的非晶合金薄带；
5)将非晶合金薄带材放入管式真空热处理炉中，在压强小于等于10_3Pa的真空环境下，以15°C /min的加热速率升温至360°C，然后以5°C /min升温至410°C，并保温lh，让非 晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不Fe79CrL 5MnL 5CuL 5Si5B7 5P4o热处理后的纳米晶带材(即最后获得非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料)的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为I. 62T，矫顽力约为7A/m，铁损Pl/50=0. 22W/kg。实施例4:
1)按照以下摩尔百分比配比原料90%的铁、1%的钒、2%的铜、3%的硅、4%的硼，共计
5kg ；
2)将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼3次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热的方法将其融化，利用单辊急冷甩带工艺，在空气中以35m/s的速度制带，制得宽度为2mm、厚度为2Ium的非晶合金薄带；
5)将非晶合金薄带材放入管式真空热处理炉中，在压强小于等于10_3Pa的真空环境下，以25°C /min的加热速率升温至360°C，然后以5°C /min升温至440°C，并保温lh，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不IFe90V1Cu2Si3B4O
热处理后的纳米晶带材的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为I. 8T，矫顽力约为15A/m，铁损 Pl/50=0. 42ff/kg0实施例5:
1)按照以下摩尔百分比配比原料68%的铁、2%的铝、1%的铬、1%的锰、1%的钛、1%的钒、1%的铜、20%的硅、4%的硼、1%的磷，共计5kg ；
2)将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼5次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热的方法将其融化，利用单辊急冷甩带工艺，在空气中以35m/s的速度制带，制得宽度为50mm、厚度为30um的非晶合金薄带；
5)将非晶合金薄带材放入管式真空热处理炉中，在压强小于等于10_3Pa的真空环境下，以25°C /min的加热速率升温至360°C，然后 以5°C /min升温至400°C，并保温lh，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不=Fe68Al2Cr1Mn1Ti1V1Cu1Si2tlB4Pp性能检测热处理后的纳米晶带材的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为I. 6T，矫顽力约为5A/m，铁损Pl/50=0. 18W/kg。实施例6:
1)按照以下摩尔百分比配比原料68%的铁、3%的娃、19%的硼、10%的磷，共计5kg；
2)将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼5次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热的方法将其融化，利用单辊急冷甩带工艺，在空气中以35m/s的速度制带，制得宽度为2mm、厚度为20um的非晶合金薄带；
5)将非晶合金薄带材放入热处理炉中，在惰性氩气气体保护的环境下，以25°C/min的加热速率升温至340°C，然后以5°C /min升温至360°C，并保温2h，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不Fe68Si3B19P10o热处理后的纳米晶带材的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为I. 65T，矫顽力约为 16A/m，铁损 Pl/50=0. 36W/kg。实施例7:
1)按照以下摩尔百分比配比原料70%的铁、2%的铝、1%的猛、7%的硅、以及20%的硼，共计5kg ；
2)将配好的原料加入真空中频感应炉的坩埚中，中频感应熔炼4次，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭，得到成分均匀的合金锭；
3)将合金锭机械破碎后，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用；
4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，采用感应加热的方法将其融化，利用单辊急冷甩带工艺，在空气中以35m/s的速度制带，制得宽度为10mm、厚度为20um的非晶合金薄带；
5)将非晶合金薄带材放入管式真空热处理炉中，在压强小于等于10_3Pa的真空环境下，以25°C /min的加热速率升温至360°C，然后以5°C /min升温至440°C，并保温I. 5h，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料，该合金材料的组成成分及各成分的摩尔量可用以下分子简式表不IFe70Al2Mn1Si7B20O热处理后的纳米晶带材的通过磁测量得到其饱和磁化强度约为I. 56T，矫顽力约为 12A/m，铁损 Pl/50=0. 26W/kg。
当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。权利要求
1.一种高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，它由以下相应摩尔百分比的成分制成 68 90%的铁， (Γ6%的X，所述X选至铝、铬、锰、钛中的一种或一种以上， (Γ2%的铜， 3 20%的硅， 4 20%的硼，、 以及0 10%的磷。
2.一种如权利要求I所述的高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤 O按照以下摩尔百分比配比原料 68 90%的铁， (Γ6%的X，所述X为铝、铬、锰、钛、钒中的一种或一种以上， (Γ2%的铜， 3 20%的硅， 4 20%的硼， 以及0 10%的磷； 2)将配比好的原料装入真空感应炉的坩埚中，在真空条件下采用中频感应熔炼的方法把原料反复熔炼至少3遍，并在熔炼过程中进行搅拌使各原料混合均匀，并浇注成合金锭； 3)将熔炼得到的合金锭破碎，将破碎的块体合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中进行超声清洗，取出后自然晾干待用； 4)将清洗干净的块体合金放入急冷制带设备的石英管中，使用单辊甩带法制备出非晶合金薄带； 5)将制得的非晶合金薄带放入热处理炉中，在压强小于10—3Pa的真空环境下或者在惰性氩气气体保护的环境下，以小于等于25V Mn的升温速率将热处理炉温度升高至360°C 480°C，保温O. 5 2h后，让非晶合金薄带随炉冷却至室温，得到非晶纳米晶双相复合的铁基软磁合金材料。
3.根据权利要求2所述的高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于在所述步骤4)中，所述非晶合金薄带的宽度为2 50mm，厚度为2(T30 um。
全文摘要
本发明公开了一种高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法，该合金由以下相应摩尔百分比的成分制成68～90%的铁，0～6%的X，所述X为铝、铬、锰、钛中的一种或一种以上，0～2%的铜，3～20%的硅，4～20%的硼，以及0～10%的磷。该合金的制备方法主要包括成分设计与配料、母合金熔炼、母合金破碎、单棍急冷制带和带材纳米晶化处理工艺步骤。本发明可解决目前铁基非晶纳米晶软磁合金材料饱和磁感应强度较低的问题。
文档编号H01F1/153GK102732811SQ20121020667
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者陆伟 申请人:四川大学苏州研究院