一种铁基非晶纳米晶软磁合金薄带及其制备方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及合金领域，尤其涉及一种具有非晶纳米晶复合结构以及高饱和磁感应强度的软磁合金薄带及其制备方法。【
背景技术：
】[0002]软磁合金材料是较早开发出的一类磁性功能材料，从最初发现到现在，其经历了电工纯铁、电工钢、坡莫合金、Fe~Co合金、软磁铁氧体以及非晶合金等体系。其中，非晶态合金软磁材料具有电阻率高、磁导率高、损耗低的特点，同硅钢相比，其生产工艺简单，无需特殊加工，被认为是理想的铁芯材料。[0003]然而，与传统的硅钢铁芯材料相比，非晶态合金软磁材料仍然存在一些不足，最大的不足在于其饱和磁感应强度较低。传统的取向硅钢的Bs值可以达到2.0T，而典型的铁基非晶合金Fe78Si9Bj^Bs值仅为1.5左右。[0004]众多研究人员尝试获得具有高饱和磁感应强度的铁基非晶态合金。最典型的例子为具有1.8T的MetglaSS2605Co合金，但是其合金中含有大量Co原子，成本较高，不适合大规模的工业磁性产品使用。[0005]美国专利US4226619公开了一种非晶态FeBC合金，其饱和磁感应强度在1.7左右，但其矫顽力较大而且太脆，无法实际应用。[0006]CN1721563A的中国专利公开了一种FeSiBC的合金，其饱和磁感应强度为1.64T，但制备过程复杂，且生产成本较高。[0007]CN102471856A公开了一种FeBPCu系的合金，此非晶薄带经热处理后可以析出25nm以下的BCC结构的纳米Fe相，获得高于1.6T的铁基非晶纳米晶软磁材料。CN101595237A公开了一种FeSiBPCu系非晶合金，其最高饱和磁感应强度可以达到1.6T，CN102741437A公开了FeSiBCuP系非晶态合金经热处理以后会析出平均尺寸10~25nm的BCC铁相，使其饱和磁感应强度达到1.8~1.9T。然而在制备过程中经过了热处理，势必会增多加工过程，提高生产成本，对应学术论文为AkihiroMakino，NanocrustallinesoftmagneticFe-Si-B-P-CualloyswithhighBof1.8-1.9Tcontributabletoenergysaving,IEEETransactionsonMagnetics,48(2012)1331-1335.【
发明内容】[0008]针对上述问题，本发明提供一种铁基非晶纳米晶软磁合金薄带及其制备方法，通过添加微量元素，无需热处理即可获得高饱和磁感应强度的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带。而已知现有技术中的制备方法是熔炼-喷带-热处理，即第一步，先把元素金属熔炼成合金；第二步，加热到熔融状态后，喷注到高速旋转的铜辊上得到非晶合金条带；第三步，把非晶条带放到热处理炉中进行热处理，以获得非晶基体中析出纳米晶；本发明所述制备方法只需要熔炼-喷带就直接获得了非晶基体+纳米晶的结构，无需第三步的热处理。本发明得到的合金薄带在高真空或氩气保护下制得，具有优异的软磁性能和高的热稳定性，适用于变压器、发动机、电动机、发电机和磁传感器等。[0009]用于实现上述目的的技术方案如下：[0010]本发明提供一种铁基非晶纳米晶软磁合金薄带，其组成为如FeaSibBJdCiafef所示，其中，所述Me选自Ti、Zr、Nb或Ta中的一种，a、b、c、d、e和f分别表示在所述合金薄带中Fe、Si、B、P、Cu和Me按原子质量份数计的含量，并且80<90,0.5<b彡5，5彡c彡12,1彡d彡9,0·3彡e彡2,0·3彡f彡3,a+b+c+d+e+f=100。[0011]所述组分Fe按原子质量份数计的含量a的取值范围是80<a<90,优选为83<a<87〇[0012]所述组分Si按原子质量份数计的含量b的取值范围是0.5<b<5,优选为1^b^3〇[0013]所述组分B按原子质量份数计的含量c的取值范围是5彡c彡12,优选为6<c<10〇[0014]所述组分P按原子质量份数计的含量d的取值范围是1彡d彡9,优选为2彡d彡6〇[0015]所述组分Cu按原子质量份数计的含量e的取值范围是0.3<e<2,优选为0·5彡e彡1〇[0016]所述组分此(11、2厂他、了3中的一种）按原子质量份数计的含量€的取值范围是0·3彡f彡3,优选为0·5彡f彡1。[0017]本发明所述合金薄带的厚度为15~40μm，宽度为1~5mm。[0018]本发明另一方面提供了一种铁基非晶纳米晶软磁合金薄带的制备方法，包括如下步骤：[0019](1)按原子质量份数计的含量比例取Fe、Si、B、P、Cu和Me;[0020](2)抽真空，在保护气氛下将步骤⑴配好的原料加热到1200~1400°C熔炼；[0021](3)在保护气氛下，将步骤（2)熔炼的液态合金于1200~1400°C下喷射于铜辊，制得铁基非晶纳米软磁合金薄带。[0022]所述步骤（2)中所述抽真空至彡9X103Pa;[0023]优选地，所述步骤（2)和（3)中所述保护气体为氩气或氮气；[0024]优选地，所述步骤（2)中所述熔炼时间为5~30min;[0025]优选地，所述步骤（2)中的熔炼设备为高频感应炉或电弧熔炼炉；[0026]优选地，所述步骤（3)中铜辊的表面线速度为20~60m/s。[0027]在上述的制备方法中，制备得到的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带在制备电子设备铁芯中的用途；所述电子设备是电机、变压器、电抗器或互感器。[0028]经上述制备方法得到的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带的厚度为15~40μm，宽度为1~5mm〇[0029]下面对上述铁基非晶纳米晶软磁合金薄带的成分设计原理进行说明：[0030]在本发明中，Si元素的主要作用是提高非晶形成能，适当提高合金热稳定性和居里温度，Si元素过低，难以发挥其提高非晶形成能的作用，而含量过高，则可能降低铁磁性元素的含量，从而降低合金的饱和磁感应强度。[0031]在本发明中，P元素的主要作用是提高非晶形成能，适当提高合金热稳定性，P元素过低，难以发挥其提高非晶形成能的作用，而含量过高，则可能降低铁磁性元素的含量，从而降低合金的饱和磁感应强度。[0032]在本发明中，B元素的主要作用是提高非晶形成能，适当提高合金热稳定性和居里温度，B元素过低，难以发挥其提高非晶形成能的作用，而含量过高，则可能降低铁磁性元素的含量，从而降低合金的饱和磁感应强度。[0033]在本发明中，Fe是磁性元素，高含量的Fe元素可以获得较高的磁感应强度，但是Fe含量过高，比如导致非晶形成元素的降低，非晶形成能力下降，无法获得最佳的综合性能。[0034]在本发明中，Cu元素易在加热初期析出形成富Cu团簇，进而作为富Fe纳米晶粒形成时的形核点，促进了纳米晶的形成，但是在喷带过程中，随着温度的升高Cu会首先大量析出，如果Cu含量过高，Cu元素会形成过量的团簇，进而在后续快速凝固过程中以这些团簇为结晶核心，在局部形成大量晶体，降低其非晶形成能力。[0035]在本发明中，]^(11、2^他、了3中的一种）元素的加入会显著提高？6基合金过冷液体中形核速率，从而促进在急冷条件下合金中BCC纳米晶铁相直接析出。该纳米晶相能够大幅降低Fe基非晶纳米晶合金的饱和磁致伸缩，带来高的磁通密度和高的导磁率。[0036]本发明采用微量元素的添加，提供一种无需本发明前述的现有技术中所需的热处理（"熔炼-喷带-热处理"的第三步）即可获得高饱和磁感应强度的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带，该合金薄带在高真空或保护气体下制得，具有优异的软磁性能和高的热稳定性，适用于变压器、发动机、电动机、发电机和磁传感器等；与现有技术产品相比较，由于本发明方法中的Me元素的添加有效提高了过冷液体形核率，促进BCC纳米晶铁相的析出，使得Fe基纳米合金的制备，并且降低材料的磁致伸缩系数，提高初始磁导率，显著提高饱和磁感应强度达到1.7T以上。【附图说明】[0037]图1为本发明实施例1得到的铁基非晶纳米晶软磁合金薄带的XRD检测结果图；[0038]图当前第1页1 2 3