高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于磁性金屬材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】的一種高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金及制備方法。所述鐵基非晶合金的表達式為TM1(a)-TM2(b)-TM3(c)-AM1(d)-AM2(e)-AM3(f)-AM4(g)，其制備方法是根據(jù)表達式中合金成分進行配料，在真空感應(yīng)熔煉爐中對原料反復(fù)熔煉制成母合金，可采用氧化硼包覆對合金進行提純，然后將母合金或提純后的合金再次熔化、快速冷卻得到塊體及條帶狀非晶合金。所述鐵基非晶合金是一種具有高鐵磁性元素含量、高飽和磁化強度且具有較高非晶形成能力的鐵基非晶合金系，且多數(shù)合金具有臨界尺寸大于1mm的非晶形成能力，使這種合金具有很強的工業(yè)應(yīng)用潛力。
【專利說明】高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁性金屬材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相對于晶態(tài)合金來說，通過快速凝固方法制備出的非晶合金具有原子呈無序排列的結(jié)構(gòu)特征，使其具有獨特的力學(xué)性能、磁性能、耐腐蝕性能及電學(xué)性能等。迄今為止，已成功制備出不同體系的非晶合金，其中包括Pd-，Zr-, Mg-, Zn-, Al-, Co-, Fe-, Ln-, Cu-等非晶合金體系。在這些非晶合金體系中，很多包含貴金屬或稀有金屬，昂貴的制造成本使其難以得到實際應(yīng)用。鐵基非晶合金相對于其它非晶合金體系來說資源較為豐富，同時具備高強度、高硬度、耐腐蝕、較好的軟磁性能，因此鐵基非晶合金成為最具有應(yīng)用前景的非晶合金材料。
[0003]迄今，美國、日本、中國等國家已開發(fā)制備出具有優(yōu)異磁學(xué)性能的非晶合金條帶，并用于制備變壓器的鐵芯等。采用鐵基非晶合金制備變壓器鐵芯因其加工工藝簡單、損耗低、體積小、效率高等優(yōu)點而得到了大規(guī)模的推廣。然而鐵基非晶合金對制備條件的要求較為苛刻，冷卻速度需達到105K/s以上，常用單輥法或雙輥甩帶法制備合金薄帶，薄帶厚度低于0.1_。為了提高Fe基合金體系的非晶形成能力，通過合金化方法添加提高非晶形成能力的元素(又稱玻璃化元素)，開發(fā)出 Fe-Al-Ga-PCB，F(xiàn)e-M-S1-B (M=Nb, Cr, V, Mo, Zr, ff)，F(xiàn)e-RE-B (RE=Y, Sc, Dy, Ho, Er)，F(xiàn)e-M-B (M=Zr, Hf, Nb, Si)等一系列非晶合金。添加玻璃化形成元素雖然提高其玻璃化形成能力，但這些玻璃化形成元素對鐵元素的替換使其飽和磁化強度大幅降低，導(dǎo)致合金體系的磁學(xué)性能降低。因此，開發(fā)高非晶形成能力、高飽和磁化強度的新型鐵基非晶合金具有重要意義和實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金及制備方法，其特征在于，所述鐵基非晶合金是一種具有高鐵磁性元素含量、高飽和磁化強度且具有較高非晶形成能力的鐵基非晶合金系，且多數(shù)合金具有臨界尺寸大于Imm的非晶形成能力，使這種合金具有很強的工業(yè)應(yīng)用潛力；所述高磁性元素含量的塊體及條帶狀的鐵基非晶合金的表達式為:
[0005]TMl (a) -TM2 (b) -TM3 (c) -AMl (d) -AM2 (e) -AM3 (f) -AM4 (g)，其中 a, b, c, d, e, f, g 為各組元的原子百分數(shù)，取值范圍為60≤a≤85，0≤b≤20，0≤c≤2 ;5.5≤d≤9.5 ;
5.5≤e≤6.5；2≤f≤3.5；2≤g≤3 ;且滿足:15 ≤d+e+f+g ≤ 20，a+b+c+d+e+f+g=100?
[0006]表達式中TMl=Fe;TM2=Co;TM3=Mo;AMl=P;AM2=C;AM3=B;AM4=Si。
[0007]所述高鐵磁性元素含量是指鐵鈷磁性元素總和大于80at%。
[0008]所述高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0009]I)根據(jù)鐵基非晶合金的表達式的合金成分進行配料；
[0010]2)在真空感應(yīng)熔煉爐中(真空度小于2X 10_3Pa)對原料反復(fù)熔煉3_5次制成母合金；
[0011]3)將氧化硼包覆劑放置于真空條件下(真空度小于5Pa)，并在1200~1400K的溫度下保溫，去除水分；
[0012]4)當氧化硼包覆劑澄清無氣泡時，在真空條件下將上述母合金置于氧化硼包覆劑中；并在真空條件下，在高于母合金熔點50K~250K的溫度條件下提純，在提純過程中讓合金熔體冷卻至凝固，然后再升溫熔化提純，并重復(fù)上述熔化凝固過程，直至再次熔化時合金界面無氣泡產(chǎn)生，且界面穩(wěn)定為止；
[0013]5)采用銅模或水冷方式快速冷卻得到塊體及條帶狀非晶合金，包括直接將母合金或純化處理后的母合金置于:(I)真空電弧爐中，電弧熔化后吸鑄到帶有空腔的銅模中冷卻得到塊體非晶合金棒材或板材；(2)快速凝固裝置的感應(yīng)爐中熔化，熔化后噴射到帶有空腔的銅模具中冷卻得到塊體非晶合金棒材或板材；(3)真空石英管中采用電爐等加熱方式加熱熔化，然后和石英管一同淬入冷卻水(液)中，得到塊體非晶合金棒材或板材；(4)快速凝固裝置的感應(yīng)爐中熔化，熔化后噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥輪表面冷卻得到條帶狀非晶合金。上述四種方法中，(I)和(2)的冷卻速度由銅模的散熱能力確定，(3)的冷卻速度由石英管的散熱能力確定，一般約為40K/s; (4)的冷卻速度由銅棍的散熱能力確定。
[0014]本發(fā)明的有益效果是制備得到的鐵基非晶合金具有高非晶形成能力、高強度和優(yōu)異的軟磁性等特點，即該合金同時擁有優(yōu)秀的玻璃化形成能力，力學(xué)性能和軟磁性能；且多數(shù)合金具有臨界尺寸大于1_的非晶形成能力，使這種合金具有很強的工業(yè)應(yīng)用潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為制備出的直徑為l_2mm合金所對應(yīng)的XRD圖譜。
[0016]圖2為制備出直徑為1mm合金對應(yīng)的VSM曲線。
[0017]圖3為直徑Imm的Fe66Co15Mo1P7U2Si3合金所對應(yīng)的壓縮曲線。
[0018]圖4a、圖4b為直徑Imm的Fe66Co15Mo1P7U2Si3合金樣品壓縮斷裂后側(cè)面形
[0019]貌和斷口形貌。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明提出一種高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金及制備方法。下面通過實施例對本發(fā)明進一步說明，所述塊體及條帶狀鐵基非晶合金的組成的化學(xué)表達式如下:
[0021 ] TM1 (a) -TM2 (b) -TM3 (C) -AM1 (d) -AM2 (e) -AM3 (f) -AM4 (g)，
[0022]其中TM1=Fe; TM2=Co; TM3=Mo; AM1=P; AM2=C; AM3=B; AM4=Si ;
[0023]其中a，b，c，d，e，f，g為各組元的原子百分數(shù)，取值范圍為65 ≤ a≤ 82，O ≤ b ≤20，O ≤ c ≤ 2 ;5.5 ≤ d ≤ 9.5 ;5.5 ≤ e≤ 6.5 ;2 ≤ f≤ 3.5 ;
2≤ g≤ 3 ;且滿足:15 ≤ d+e+f+g ≤20, a+b+c+d+e+f+g=100 ；
[0024]制備上述鐵基非晶合金材料的方法包括下列步驟:[0025]步驟一:稱取合金元素
[0026]根據(jù)鐵基非晶合金的組成的化學(xué)表達式中合金成分進行配料，依據(jù)合金中各原子百分比，計算和稱量配制各合金元素原料，稱量配制出Fe，Co, Mo, Si, P, C，B的元素待用；
[0027]步驟二:熔煉合金
[0028]在真空感應(yīng)熔煉爐中(真空度小于2X 10_3Pa)對步驟一所配制的原料反復(fù)熔煉3-5次制成母合金錠；將氧化硼包覆劑在真空條件下(真空度小于5Pa)，在1200~1400K的溫度下保溫，去除水分；當氧化硼包覆劑澄清無氣泡時，在真空條件下將上述母合金置于氧化硼包覆劑中；并在真空條件下，在高于母合金熔點50K~250K的溫度條件(約1150~1450K)下提純，在提純過程中讓合金熔體冷卻至凝固，然后再升溫熔化提純，并重復(fù)上述熔化凝固過程，直至再次熔化時合金界面無氣泡產(chǎn)生，且界面穩(wěn)定為止。
[0029]步驟三:制備非晶合金棒材或帶材
[0030]將步驟二制成的合金錠、或提純后的母合金放置于真空感應(yīng)爐中進行熔化，通過銅模鑄造的方法，采用噴射或吸鑄方式鑄入銅模中，利用銅?？焖倮鋮s凝固直接得到非晶合金塊體樣品；或采用在石英管中熔化并淬入冷卻水冷獲非晶合金塊體樣品；也可以用甩帶法制備非晶合金薄帶。對制備得到的鐵基非晶合金采用X-射線衍射儀和透射電子顯微鏡對樣品進行了分析。分析結(jié)果表明，得到的鐵基非晶合金為完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上利用熱分析儀器對非晶合金物性參數(shù)進行了測試，并利用VSM和壓縮實驗測試了樣品的磁學(xué)和力學(xué)性能，測試結(jié)果表明制備出來的鐵基非晶合金具有高形成能力，高強度，較好的塑性變形能力，優(yōu)異的軟磁性等特點。該合金同時具有優(yōu)秀的玻璃化形成能力，力學(xué)性能和軟磁性能。
[0031]實施例1:制備Fe81Mo1P7U2Si3非晶合金棒材
[0032]根據(jù)鐵基非晶合金的組成的化學(xué)表達式中合金成分進行配料，依據(jù)合金中各原子百分比，計算和稱量配制各合金元素原料，稱量配制出Fe，Co, Mo, Si, P, C，B的元素，在真空感應(yīng)熔煉爐中(真空度小于2X I(T3Pa)反復(fù)熔煉3-5次制成母合金錠；將氧化硼包覆劑在真空條件下(真空度小于5Pa)，在約1200K的溫度下保溫，去除水分；當氧化硼包覆劑澄清無氣泡時，在真空條件下將上述母合金置于氧化硼包覆劑中，在1200~1400K溫度條件下提純，在提純過程中讓合金熔體冷卻至凝固，然后再升溫熔化提純，并重復(fù)上述熔化凝固過程，直至再次熔化時合金界面無氣泡產(chǎn)生，且界面穩(wěn)定為止。提純后的母合金置于感應(yīng)爐中進行熔化，通過銅模鑄造的方法，采用噴射或者吸鑄的方式鑄入銅模中，利用銅?？焖倮鋮s凝固直接得到合金棒材樣品(冷卻速度取決與樣品尺寸和銅模大小，一般約為每秒幾百度)。該合金Φ 1.0mm棒狀樣品所對應(yīng)的X射線衍射圖見圖1，從圖中可以看到圖譜中僅有一個饅頭狀衍射峰，表明其樣品的結(jié)構(gòu)為完全的非晶合金。
[0033]對該合金樣品進行了相關(guān)性能測試，結(jié)果表明飽和磁極化強度Js(Js=UtlMs)為1.55T (見圖2和表1)，而非晶合金的起始晶化溫度為723K (見表1)
[0034]表1非晶合金體系所對應(yīng)的熱力學(xué)性能，磁學(xué)性能
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金，其特征在于，所述鐵基非晶合金是一種具有高鐵磁性元素含量、高飽和磁化強度且具有較高非晶形成能力的鐵基非晶合金系，且多數(shù)合金具有臨界尺寸大于Imm的非晶形成能力，使這種合金具有很強的工業(yè)應(yīng)用潛力；所述高磁性元素含量的塊體及條帶狀的鐵基非晶合金的表達式為:
TMl (a) -TM2 (b) -TM3 (c) -AMl (d) -AM2 (e) -AM3 (f) -AM4 (g)，其中 a, b, c, d, e, f, g 為各組元的原子百分數(shù)，取值范圍為60 ≤ a ≤ 85, O ≤ b ≤20, O ≤ c ≤ 2 ；7.5≤ d ^ 9.5 ；5.5≤e≤6.5；2≤f≤3.5；2≤g≤3 ;且滿足:15 ( d+e+f+g ( 20，a+b+c+d+e+f+g=100
表達式中 TMl=Fe; TM2=Co; TM3=Mo; AMl=P; AM2=C; AM3=B; AM4=Si。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金，其特征在于，所述高鐵磁性元素含量是指鐵鈷磁性元素總和大于80at%。
3.一種高磁性元素含量的塊體及條帶狀鐵基非晶合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)鐵基非晶合金的表達式的合金成分進行配料； 2)在真空感應(yīng)熔煉爐中(真空度小于2XI(T2Pa)對原料反復(fù)熔煉3-5次制成母合金； 3)將氧化硼包覆劑放置于真空條件下(小于5Pa)，并在1200~1400K的溫度下保溫，去除水分； 4)當氧化硼包覆劑澄清無氣泡時，在真空條件下將上述母合金置于氧化硼包覆劑中；并在真空條件下，在高于母合金熔點50K~250K的溫度條件下提純，在提純過程中讓合金熔體冷卻至凝固，然后再升溫熔化提純，并重復(fù)上述熔化凝固過程，直至再次熔化時合金界面無氣泡產(chǎn)生，且界面穩(wěn)定為止； 5)采用銅模或水冷方式快速冷卻得到塊體及條帶狀非晶合金，包括直接將母合金或純化處理后的母合金置于:(1)真空電弧爐中，電弧熔化后吸鑄到帶有空腔的銅模中冷卻得到塊體非晶合金棒材或板材；(2)快速凝固裝置的感應(yīng)爐中熔化，熔化后噴射到帶有空腔的銅模具中冷卻得到塊體非晶合金棒材或板材；(3)真空石英管中采用電爐等加熱方式加熱熔化，然后和石英管一同淬入冷卻水(液)中，得到塊體非晶合金棒材或板材；(4)快速凝固裝置的感應(yīng)爐中熔化，熔化后噴射到高速旋轉(zhuǎn)的`銅輥輪表面冷卻得到條帶狀非晶合金。上述四種方法中，(I)和(2)的冷卻速度由銅模的散熱能力確定，(3)的冷卻速度由石英管的散熱能力確定，一般約為40K/s; (4)的冷卻速度由銅棍的散熱能力確定。
【文檔編號】C22C33/06GK103882347SQ201410079836
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】姚可夫, 李晉鋒 申請人:清華大學(xué)