一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝的制作方法
【專利摘要】一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝，屬于鐵基非晶合金的制備方法。該方法工藝成本低且簡便易行，可以在不降低飽和磁化強度的情況下，明顯提高非晶形成能力。本發(fā)明采用單輥快淬或銅模鑄造的方法分別制備條帶和塊體鐵基非晶合金樣品。具體包括在氬氣保護下，在鐵基非晶合金中添加微量元素，按計量比在反應(yīng)爐中熔化并快速冷卻凝固，添加元素為銅元素，占鐵基非晶合金總體原子百分比的0.1％～1.0％。得到兼具高飽和磁化強度和大非晶形成能力的鐵基非晶合金。優(yōu)點：1、采用的鐵基非晶合金制備技術(shù)，簡便易行、成本低廉。2、在提高非晶形成能力的同時，不降低飽和磁化強度。3、能適用于大多數(shù)初晶相非α-Fe的鐵基非晶合金體系，促進其推廣應(yīng)用。
【專利說明】-種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵基非晶合金的制備工藝，特別是一種提高鐵基非晶合金形成能 力的制備工藝。 技術(shù)背景
[0002] 鐵基非晶合金具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低損耗等優(yōu)異的軟磁性能，已被廣泛用于 電流互感器、開關(guān)電源、變壓器、濾波器等電力、電子等相關(guān)領(lǐng)域，被稱為"21世紀(jì)的綠色電 子材料"。一臺非晶變壓器與相同容量常規(guī)變壓器正常使用30年相比的經(jīng)濟效應(yīng)：可省電 能492075KWh ;節(jié)省電費393660元；節(jié)約天然煤278. 4噸；少排放二氧化碳3. 06噸。鐵基 非晶合金還可替代極薄硅鋼用于惡略環(huán)境下，也能夠大大促進變壓器向高頻、片式化方向 發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，今后的電磁元件還必將向制備的簡單化、體積的小型化方向發(fā) 展，這就迫切要求鐵基非晶合金材料既具有理想的非晶形成能力，有具有高的飽和磁化強 度。一方面，研究人員通過降低鐵含量，添加 Nb, Zr,Hf等非磁性、大原子金屬元素來提高鐵 基非晶合金的非晶形成能力，但這將導(dǎo)致合金飽和磁感應(yīng)強度的大幅降低，成本大大增加； 另一方面，通過增加鐵含量來提高飽和磁化強度，又必然導(dǎo)致非晶形成能力的惡化。這樣一 來，開發(fā)兼?zhèn)涓唢柡痛鸥袘?yīng)強度、高非晶形成能力、成本低廉的鐵基非晶合金就愈發(fā)困難， 這大大阻礙了鐵基非晶合金的大規(guī)模應(yīng)用和電磁元件發(fā)展的小型化。這就迫切需要我們?nèi)?尋找一種能提高高鐵含量非晶形成能力的經(jīng)濟有效的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是要提供一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝，解決目前高 飽和磁感應(yīng)強度鐵基非晶合金的非晶形成能力普遍較低的問題，具有兼具高飽和磁化強 度、大非晶形成能力、成本低廉，有利于促進大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0004] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：該方法，首先按合金分子式的合金成份，按合金 不同種類元素的原子百分比換算成質(zhì)量百分比稱量，將稱量的合金原料混合后置于熔煉爐 中，抽真空至低于5 X 10_5Pa，然后再充入保護氣體，氣壓為600mbar，在鐵基非晶合金中添 加微量元素，按計量比在反應(yīng)爐中熔化；熔煉、凝固、翻轉(zhuǎn)，反復(fù)4次，利用銅輥或銅模快速 冷卻成型，得到母合金錠；
[0005] 將冷卻至室溫的母合金錠子從熔煉爐中取出，用砂輪打磨掉表面雜質(zhì)，置于酒精 中用超聲波清洗后，破碎成小塊；
[0006] 用銅模鑄造法制備Fe基塊體非晶合金：首先將小塊合金裝入下端開口的石英玻 璃管中，然后置于鑄造設(shè)備的感應(yīng)線圈中，抽真空至低于KT 3Pa后充入適量氬氣，利用壓力 差將熔融的合金液噴入預(yù)先放置的銅模中，按要求可制得塊體非晶合金圓棒；
[0007] 用單棍快淬法制備鐵基非晶合金帶材：銅棍轉(zhuǎn)速為35?40m/s，壓差為200? 300mbar，石英管口與銅輥間距為0. 7mm ;加熱母合金錠熔融至表面抖動的一剎那，瞬間將 合金溶液噴出，制備出寬1?2mm，厚20?30 μ m的非晶合金條帶。
[0008] 所述保護氣體包括氬氣、氮氣、氖氣中的一種或者幾種的混合氣體；保護氣體純度 要求體積百分比大于98 %。
[0009] 所述的微量元素為銅元素；添加銅元素的原子百分比占合金總含量的0. 1%? 1. 0%,優(yōu)選為 0. 3%?0. 5%。
[0010] 所述的合金中各原料的質(zhì)量百分比純度大于99%。
[0011] 有益效果，由于米用了上述方案，多數(shù)鐵基非晶合金不含銅時的初晶相為Fe23B 6、 Fe3C、Fe3P等。銅元素添加到鐵基非晶合金里會形成類FCC結(jié)構(gòu)的團簇。由于銅原子與鐵 原子之間的混合焓是正的，鐵原子與銅原子之間會相互排斥而拒絕進入銅團簇內(nèi)部而分布 在團簇周圍。又由于銅的FCC結(jié)構(gòu)與a-Fe的BCC結(jié)構(gòu)的原子排布很好的匹配。這會使得 a -Fe由原來的均質(zhì)形核轉(zhuǎn)變?yōu)楫愘|(zhì)形核，大大降低了 a -Fe的形核勢魚，促進了 a -Fe晶 相的析出；與此同時，合金中原來的初晶相也要析出，導(dǎo)致競爭相的形成，反而使兩種向都 不容易析出，進而提高了非晶形成能力。
[0012] 優(yōu)點：
[0013] 1、本發(fā)明采用的鐵基非晶合金制備技術(shù)，簡便易行、成本低廉。
[0014] 2、本發(fā)明在提高非晶形成能力的同時，不降低飽和磁化強度。
[0015] 3、本發(fā)明能適用于大多數(shù)初晶相非a -Fe的鐵基非晶合金體系，通過本發(fā)明可以 形成均質(zhì)的非晶結(jié)構(gòu)，有效克服高飽和磁感應(yīng)強度鐵基非晶合金形成能力弱的缺點，促進 其推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖I (a)為Fe72_xB19.2Si4. 8Nb4Cux非晶合金晶化溫度Tx隨銅含量的變化情況。
[0017] 圖 I (b)為 Fe71.8B19.2Si4. 8Nb4CuQ.2 和 Fe71.6B19.2Si4. 8Nb4CuQ.4 非晶合金的 DSC 曲線，其 中紅色箭頭表示退火位置。
[0018] 圖1(c)為淬態(tài)和900K退火600s Fe71.8B19.2Si4. 8Nb4Cua2合金的XRD圖譜及析出相。
[0019] 圖 I (d)為淬態(tài) 900K 和 1000K 分別退火 600s 的 Fe71.6B19.2Si4. 8Nb4CuQ.4 合金的 XRD 圖譜及析出相。
[0020] 圖2Fe72_xB19. 2Si4.8Nb4Cux非晶合金初晶相及其自由能與銅含量的關(guān)系。
[0021] 圖3 (a)塊體Fe72_xB19.2Si4. 8Nb4Cux非晶合金臨界尺寸與銅含量的關(guān)系。
[0022] 圖3 (b)鑄態(tài)Fe72_xB19.2Si4. 8Nb4Cux非晶的初晶相隨退銅含量的變化。
[0023] 圖4Fe84_xNb2B 14Cux非晶合金條帶的臨界厚度與銅含量的關(guān)系。

【具體實施方式】
[0024] 下面通過實例對本發(fā)明做進一步說明。
[0025] 該方法，首先按合金分子式的合金成份，按合金不同種類元素的原子百分比換算 成質(zhì)量百分比稱量，將稱量的合金原料混合后置于熔煉爐中，抽真空至低于5 X KT5Pa,然后 再充入保護氣體，氣壓為600mbar，在鐵基非晶合金中添加微量元素，按計量比在反應(yīng)爐中 熔化；熔煉、凝固、翻轉(zhuǎn)，反復(fù)4次，利用銅輥或銅模快速冷卻成型，得到母合金錠；
[0026] 將冷卻至室溫的母合金錠子從熔煉爐中取出，用砂輪打磨掉表面雜質(zhì)，置于酒精 中用超聲波清洗后，破碎成小塊；
[0027] 用銅模鑄造法制備Fe基塊體非晶合金：首先將小塊合金裝入下端開口的石英玻 璃管中，然后置于鑄造設(shè)備的感應(yīng)線圈中，抽真空至低于KT 3Pa后充入適量氬氣，利用壓力 差將熔融的合金液噴入預(yù)先放置的銅模中，按要求可制得塊體非晶合金圓棒；
[0028] 用單輥快淬法制備鐵基非晶合金帶材：銅輥轉(zhuǎn)速為35?40m/s，壓差為200? 300mbar，石英管口與銅輥間距為0. 7mm ;加熱母合金錠熔融至表面抖動的一剎那，瞬間將 合金溶液噴出，制備出寬1?2mm，厚20?30 μ m的非晶合金條帶。
[0029] 所述保護氣體包括氬氣、氮氣、氖氣中的一種或者幾種的混合氣體；保護氣體純度 要求體積百分比大于98 %。
[0030] 所述的微量元素為銅元素；添加銅元素的原子百分比占合金總含量的0. 1%? 1. 0%,優(yōu)選為 0. 3%?0. 5%。
[0031] 所述的合金中各原料的質(zhì)量百分比純度大于99%。
[0032] 實施例 1 :按照 Fe72_xB19.2Si4. 8Nb4Cux(x = 0, 0· 1，0· 2, 0· 3, 0· 4, 0· 6, 0· 8, 1. 0)合金 的名義成分將合金不同種類元素的原子百分比換算成質(zhì)量百分比，按比例稱量高純原料： 卩6(99.99%)、〇1(99.99%)、8(99.7%)、51(99.99%)和恥（99.99%)備用。
[0033] 將按上述成分配比的原料混合置于電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，抽真空至低于 5 X KT5Pa后充入氬氣至氣壓為600mbar，熔化后再持續(xù)熔煉5分鐘，等待熔融的合金冷卻至 凝固后，將其翻轉(zhuǎn)，再次進行熔煉，反復(fù)熔煉4次，得到成分均勻的母合金錠。
[0034] 將冷卻至室溫的錠子從電弧熔煉爐中取出，用砂輪打磨掉表面雜質(zhì)（氧化物），置 于酒精中用超聲波清洗后，破碎成小塊。
[0035] 利用銅模鑄造法制備Fe基塊體非晶合金：首先將小塊合金裝入下端開口的石英 玻璃管中，然后置于鑄造設(shè)備的感應(yīng)線圈中，抽真空至低于KT 3Pa后充入適量氬氣，利用壓 力差將熔融的合金液噴入預(yù)先放置的銅模中，按要求即可制得臨界尺寸以下不同尺寸的塊 體非晶合金圓棒。
[0036] 利用單棍快淬法制備鐵基非晶合金帶材：銅棍轉(zhuǎn)速為35?40m/s，壓差為200? 300mbar，石英管口與銅輥間距為0. 7mm。加熱母合金錠熔融至表面抖動的一剎那，瞬間將合 金溶液噴出，制備出寬1?2mm，厚20?30 μ m的非晶合金條帶。
[0037] 用DSC獲得該樣品的熱力學(xué)參數(shù)，包括晶化溫度Tx。樣品質(zhì)量均用精度為0. Img 的精密電子天平稱量。
[0038] 用XRD表征合金的非晶的結(jié)構(gòu)。圖3 (a)為塊體Fe72_xB19.2Si 4.8Nb4Cux2非晶合金臨 界尺寸與銅含量的關(guān)系，可見當(dāng)銅含量為0.3%時，合金的非晶形成能力由1.5mm增加到 2. 0mm，XRD無任何晶相析出，為典型非晶材料的"饅頭"狀衍射峰。
[0039] 證明銅添加可以有效提高鐵基非晶合金的非晶形成能力。
[0040] 實施例2 :合金成分為Fe84_xNb2B14Cu x (X = 0, 0. 5, 1. 0, 1. 5)。只利用單輥快淬法制 備鐵基非晶合金帶材。從圖4可以看出當(dāng)銅含量的原子百分比為0.5%時，該合金的非晶形 成能力得到了有效提高。其它與實施例1同。
[0041] 實施例3 :下述各種鐵基非晶合金體系的工藝過程均與實施例同。
[0042] 表1中列舉了七種鐵基非晶合金體系及其實例合金成分。從表1可以看出，添加 微量銅元素后這七種鐵基非晶合金體系中實例合金成分的非晶合金的形成能力均得到了 提高，表明在下列七種合金體系中采用本發(fā)明的方法提高非晶合金的形成能力，切實可行。 特別是對于提高高鐵含量如Fe84Nb2B14、Fe86B 7C7、Fe84PltlC6等合金的非晶形成能力，有其他非 晶合金難以替代的優(yōu)勢。
[0043] 表1銅元素添加對幾種典型鐵基非晶合金體系形成能力的影響

【權(quán)利要求】
1. 一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝，其特征是：該方法，首先按合金分子 式的合金成份，按合金不同種類元素的原子百分比換算成質(zhì)量百分比稱量，將稱量的合 金原料混合后置于熔煉爐中，抽真空至低于5X ΚΓ5 Pa，然后再充入保護氣體，氣壓為600 mbar，在鐵基非晶合金中添加微量元素，按計量比在反應(yīng)爐中熔化；熔煉、凝固、翻轉(zhuǎn)，反復(fù) 4次，利用銅輥或銅?？焖倮鋮s成型，得到母合金錠； 將冷卻至室溫的母合金錠子從熔煉爐中取出，用砂輪打磨掉表面雜質(zhì)，置于酒精中用 超聲波清洗后，破碎成小塊； 用銅模鑄造法制備Fe基塊體非晶合金：首先將小塊合金裝入下端開口的石英玻璃管 中，然后置于鑄造設(shè)備的感應(yīng)線圈中，抽真空至低于1〇_3 Pa后充入適量氬氣，利用壓力差將 熔融的合金液噴入預(yù)先放置的銅模中，按要求可制得塊體非晶合金圓棒； 用單棍快淬法制備鐵基非晶合金帶材：銅棍轉(zhuǎn)速為35?40 m/s，壓差為200?300 mbar， 石英管口與銅輥間距為〇. 7 mm ;加熱母合金錠熔融至表面抖動的一剎那，瞬間將合金溶液 噴出，制備出寬1?2 mm，厚2(Γ30 μπι的非晶合金條帶。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝，其特征是：所 述保護氣體包括氬氣、氮氣、氖氣中的一種或者幾種的混合氣體；保護氣體純度要求體積百 分比大于98%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝，其特征是： 所述的微量元素為銅元素；添加銅元素的原子百分比占合金總含量的〇. 19Γ1.0%，優(yōu)選為 0· 3%?0· 5%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高鐵基非晶合金形成能力的制備工藝，其特征是：所 述的合金中各原料的質(zhì)量百分比純度大于99%。
【文檔編號】C22C45/02GK104264080SQ201410469941
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】楊衛(wèi)明, 劉海順, 薛琳, 侯龍, 趙玉成, 竇林名 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)