一種鐵基非晶納米晶軟磁合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鐵基非晶納米晶軟磁合金及其制備方法，該合金的成分組成由化學式表示為Fe73Cu1Nb3.5-xVxSi13.5B9，其中，0＜x≤3；首先配比母合金原料；將母合金原料反復熔煉并澆注成合金錠；將合金錠破碎并超聲清洗；將清洗干凈的塊體合金采用單輥快淬法制備出非晶薄帶；對非晶薄帶進行等溫退火處理，然后隨爐冷卻至室溫，得到鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要選用與Nb同屬于元素周期表中VB族的V元素部分取代Nb進行制備鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶，改善合金在熔融噴帶過程中的流動性，使鐵基非晶納米晶軟磁合金的非晶形成能力增強，即易于形成帶材，制備得到低成本、低損耗鐵基非晶納米晶軟磁合金。
【專利說明】一種鐵基非晶納米晶軟磁合金及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及磁性材料及其制備【技術(shù)領域】，尤其是涉及一種鐵基非晶納米晶軟磁合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]八十年代以來，由于計算機網(wǎng)絡和多媒體技術(shù)、高密度記錄技術(shù)和高頻微磁器件等的發(fā)展和需要，越來越要求所用各種元器件高質(zhì)量、小型、輕量，這就要求制造這些器件所用的軟磁合金等金屬功能材料不斷提高性能，向薄小且高穩(wěn)定性發(fā)展。正是根據(jù)這種需要，1988年日本日立金屬公司的吉澤克仁(Yoshizawa)等人首先發(fā)現(xiàn)，在Fe-S1-B (Metglas)非晶合金的基體中加入少量Cu和M(M = Nb、Ta、Mo、W等)，經(jīng)適當?shù)臏囟染Щ嘶鹨院?，發(fā)現(xiàn)在非晶基體上均勻分布著許多無規(guī)取向的具有b.c.c結(jié)構(gòu)的超細a -Fe (Si)晶粒(D約為IOnm~15nm)軟磁合金。這時材料磁性能不僅不惡化,反而非常優(yōu)良，這種非晶合金經(jīng)過特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱為納米晶合金。其典型成份為Fe73.5CUlNb3Si13.5B9，商品牌號為“Finemet”。吉澤克仁的發(fā)現(xiàn)掀起了世界范圍內(nèi)納米晶軟磁合金的研究熱潮。1990年，日本的鈴木(Suzuki)等人又推出了 Fe-M-B (M = Zr、Hf、Nb或Ta)系的納米晶軟磁合金，其飽和磁感應強度高達1.7T，在這些合金中加入少量的Cu、Nb、Mo、Ta等元素后也可以獲得優(yōu)良的綜合軟磁性能。
[0003]由于鐵基非晶納米晶軟磁合金的獨特的結(jié)構(gòu)及其具有的高飽和磁感應強度、高初始磁導率、低矯頑力、低損耗等一系列優(yōu)異的軟磁性能，已引起了國內(nèi)外眾多學者極大的關注和研究興趣，并成為 近年來非晶和納米晶材料的研究熱點。此外，鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備工藝簡單、成本低廉，可以代替鈷基非晶合金、晶態(tài)坡莫合金和鐵氧體，被廣泛應用于高頻變壓器、扼流器、傳感器等領域，具有很好的應用前景。
[0004]鐵基納米晶軟磁合金一般采用非晶晶化法獲得，其制備過程可分為兩個階段:一是通過快速凝固獲得非晶態(tài)合金；二是對非晶態(tài)前驅(qū)體進行晶化退火形成非晶納米晶雙相結(jié)構(gòu)，同時消除快速凝固過程中產(chǎn)生的殘留內(nèi)應力，從而減小應力誘導的各向異性。非晶納米晶雙相結(jié)構(gòu)可明顯降低磁晶各向異性和飽和磁致伸縮系數(shù)，從而得到具有低矯頑力、高初始磁導率等優(yōu)異軟磁性能的材料。非晶納米晶的微觀結(jié)構(gòu)(納米晶合金的晶粒尺寸及納米晶的體積分數(shù))及物理性能與晶化退火時的熱處理參數(shù)密切相關。
[0005]然而目前商品化的Finemet合金中含有Nb元素。Nb的加入會使得合金在熔融噴帶過程中的流動性變差，不利于形成非晶帶材。此外，Nb較為珍稀且昂貴，提高了材料的成本。
[0006]中國專利CN 101834046A公布了一種高飽和磁化強度鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法，其特征在于其是由鐵、娃、硼、磷、銅構(gòu)成的FexSiyBzPaCub合金,式中x、y、z、a、b分別表示各對應組分的原子百分比含量，其中X = 70-90%>y = 1-15%、z = 1-20%>a =1-20%、b = 0.1-1 %,且x+y+z+a+b = 100% ;該鐵基納米晶軟磁合金的微結(jié)構(gòu)為尺寸介于l_35nm的體心立方a -Fe(Si)納米晶相與富含磷和硼的非晶相共存，且以非晶相為基體相。制備方法主要是將配比好的原料先制備成合金錠，然后制成非晶合金，再進行其它工序的處理，最后得到高飽和磁化強度的鐵基納米晶軟磁合金。該發(fā)明能夠大幅提高納米晶軟磁合金的飽和磁化強度，同時能夠保持較低的矯頑力并有效降低原材料成本。然而P的加入會導致合金在制備過程中容易氧化，且材料的矯頑力比商品化的Finemet合金高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種低成本、低損耗的鐵基非晶納米晶軟磁合金及其制備方法和應用。 [0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0009]一種鐵基非晶納米晶軟磁合金，該合金的成分組成由化學式表示為Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9，其中，0 < x ≤ 3。
[0010]一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0011](I)配比母合金原料:按Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9中各元素的比例將Fe粉、Cu絲、FeB合金、Nb塊、Si塊及FeV合金配置成成分為Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9的母合金原料，其中，0 < X < 3，F(xiàn)e粉的純度不低于99.5% ;
[0012](2)母合金熔煉:將母合金原料裝入真空感應熔煉爐的坩堝中，真空條件下采用中頻感應熔煉的方法把母合金原料反復熔煉3遍以上，并澆注成合金錠；
[0013]步驟(2)中對母合金原料反復熔煉的過程中進行攪拌，使合金成分均勻；
[0014]步驟⑵所述的中頻感應熔煉的加熱溫度為1300~1400°C ；
[0015](3)合金錠清洗:將步驟(2)得到的合金錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進行超聲清洗，取出后晾干待用；
[0016](4)急冷制帶:將清洗干凈的塊體合金放入急冷制帶設備的石英管中，采用單輥快淬法制備出成分為Fe73Cu1Nb3^-XVxSi13.5B9的非晶薄帶；
[0017]步驟(4)所述的單輥快淬法的輥面線速度為25~35m/s ；
[0018]步驟⑷所得的非晶薄帶的寬度為10mm，厚度為30~35 y m ;
[0019](5)納米晶化處理:在真空退火爐中對步驟(4)所得非晶薄帶進行等溫退火處理，然后隨爐冷卻至室溫，得到成分為Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9的鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。
[0020]步驟(5)中等溫退火處理的環(huán)境為壓強小于10_2Pa的環(huán)境或者氬氣氣體保護的環(huán)境。
[0021]步驟(5)中等溫退火處理的退火溫度為500~560°C，退火時間為30分鐘至2個小時。
[0022]對制得的成分為Fe73Cu1Nb3IxVxSiu5B9的鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶性能進行檢測，包括:(I)非晶納米晶薄帶的微觀結(jié)構(gòu)檢測；(2)非晶納米晶薄帶的磁性能檢測(測試條件是Bm = 0.2T，f = 100kHz，測試溫度為室溫)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是在商品化Finemet合金的基礎上進行成分改進，主要選用與Nb同屬于元素周期表中Vb族的V元素部分取代Nb進行制備鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶，改善合金在熔融噴帶過程中的流動性，使鐵基非晶納米晶軟磁合金的非晶形成能力增強，即易于形成帶材，制備得到低成本、低損耗鐵基非晶納米晶軟磁合金?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1為實施例4中在不同退火溫度下制得的成分為Fe73Cu1Nbh5V2JSili5B9的鐵基非晶納米晶軟磁合金的XRD圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0026]實施例1
[0027]將將純度不低于99.5%的Fe粉、Cu絲、FeB合金、Nb塊、Si塊及FeV合金等原料以適量的質(zhì)量百分比配制成分為Fe73CuiNK5V1Siu5B9的母料，共計5公斤；將配比好的母合金原料裝入真空感應熔煉爐的坩堝中，在真空條件下采用中頻感應熔煉的方法把原料反復熔煉4遍，并在熔煉過程中進行攪拌，使合金成分均勻，并澆注成合金錠；將熔煉得到的合金錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進行超聲清洗，取出后自然晾干；將塊體合金錠放入急冷制帶設備的石英管中，采用感應加熱融化，利用單輥急冷甩帶工藝，制得帶寬度為10mm、厚度為30微米的非晶薄帶；將非晶合金薄帶放入管式真空熱處理爐中，真空度在KT5Torr左右，以15°C /分鐘的加熱速率升溫至退火溫度為500°C，退火時間為120分鐘，然后隨爐冷卻至室溫，得到鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。納米晶化處理后的納米晶帶材晶粒大小約為10nm，通過磁測量得到其矯頑力約為15A/m，鐵損P1/5(l =0.05W/kg。
[0028]實施例2:
[0029]將將純度不低于99.5%的Fe粉、Cu絲、FeB合金、Nb塊以及Si塊、FeV合金等原料以適量的質(zhì)量百分比配制成分為Fe73CuiNb2VuSi1I5B9的母料，共計5公斤；將配比好的母合金原料裝入真空感應熔煉爐的坩堝中，在真空條件下采用中頻感應熔煉的方法把原料反復熔煉4遍，并在熔煉過程中進行攪拌，使合金成分均勻，并澆注成合金錠；將熔煉得到的合金錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進行超聲清洗，取出后自然晾干；將塊體合金錠放入急冷制帶設備的石英管中，采用感應加熱融化，利用單輥急冷甩帶工藝，制得帶寬度為10_、厚度為32微米的非晶薄帶；將非晶合金薄帶放入管式真空熱處理爐中，真空度在KT5Torr左右，以15°C /分鐘的加熱速率升溫至退火溫度為540°C，退火時間為60分鐘，然后隨爐冷卻至室溫，得到鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。納米晶化處理后的納米晶帶材晶粒大小約為14nm，通過磁測量得到其矯頑力約為13A/m，鐵損P1/5(l =0.03W/kg。
[0030]實施例3:
[0031]將將純度不低于99.5%的Fe粉、Cu絲、FeB合金、Nb塊以及Si塊、FeV合金等原料以適量的質(zhì)量百分比配制成分為Fe73Cu1Nb1.J1Si13.5B9的母料，共計5公斤；將配比好的母合金原料裝入真空感應熔煉爐的坩堝中，在真空條件下采用中頻感應熔煉的方法把原料反復熔煉4遍，并在熔煉過程中進行攪拌，使合金成分均勻，并澆注成合金錠；將熔煉得到的合金錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進行超聲清洗，取出后自然晾干；將塊體合金錠放入急冷制帶設備的石英管中，采用感應加熱融化，利用單輥急冷甩帶工藝，制得帶寬度為10mm、厚度為35微米的非晶薄帶；將非晶合金薄帶放入管式真空熱處理爐中，真空度在KT5Torr左右，以15°C /分鐘的加熱速率升溫至退火溫度為560°C，退火時間為30分鐘，然后隨爐冷卻至室溫，得到鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。納米晶化處理后的納米晶帶材晶粒大小約為18nm，通過磁測量得到其矯頑力約為6.5A/m，鐵損P1/5(l =0.02W/kg。
[0032]實施例4
[0033]一種鐵基非晶納米晶軟磁合金，該合金的成分組成由化學式表示為Fe73Cu1Nb1 5^2.0S113.5B9。
[0034]一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，該方法包括以下步驟: [0035](I)配比母合金原料:按Fe73Cu1NK5V2^Siu5B9中各元素的比例將Fe粉、Cu絲、FeB合金、Nb塊、Si塊及FeV合金配置成成分為Fe73Cu1NbuV2JSi1UB9的母合金原料，其中，F(xiàn)e粉的純度不低于99.5% ；
[0036](2)母合金熔煉:將母合金原料裝入真空感應熔煉爐的坩堝中，真空條件下采用中頻感應熔煉的方法把母合金原料反復熔煉3遍以上，中頻感應熔煉的加熱溫度為1350°C，在反復熔煉的過程中進行攪拌，使合金成分均勻，并澆注成合金錠；
[0037](3)合金錠清洗:將步驟(2)得到的合金錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進行超聲清洗，取出后晾干待用；
[0038](4)急冷制帶:將清洗干凈的塊體合金放入急冷制帶設備的石英管中，采用單輥快淬法制備出成分為Fe73Cu1Nb1.^tlSiu5B9的寬度為10mm，厚度為30 y m的非晶薄帶，其中，單輥快淬法的輥面線速度為30m/s ；
[0039](5)納米晶化處理:在真空退火爐中對步驟⑷所得非晶薄帶進行等溫退火處理，等溫退火處理的環(huán)境為壓強小于10_2Pa的環(huán)境，等溫退火處理的退火溫度分別為460°C、500°C、560°C、65(rC，退火時間為30分鐘。然后隨爐冷卻至室溫，得到成分為Fe73Cu1Nb1.5V2.0Si13.5B9的鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。
[0040]對制得的成分為Fe73Cu1Nb3IxVxSiu5B9的鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶性能進行XRD檢測，結(jié)果如圖1所示，圖1中，三個峰都是a -Fe相的峰。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵基非晶納米晶軟磁合金，其特征在于，該合金的成分組成由化學式表示為Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9，其中，O < x ≤ 3。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)配比母合金原料:按Fe73CUlNb3.5_xVxSi13.5B9中各元素的比例將Fe粉、Cu絲、FeB合金、Nb塊、Si塊及FeV合金配置成成分為Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9的母合金原料，其中，O< X ^ 3 ； (2)母合金熔煉:將母合金原料裝入真空感應熔煉爐的坩堝中，真空條件下采用中頻感應熔煉的方法把母合金原料反復熔煉3遍以上，并澆注成合金錠； (3)合金錠清洗:將步驟(2)得到的合金錠破碎，將破碎的塊體合金依次放入丙酮溶液和酒精溶液中進行超聲清洗，取出后晾干待用； (4)急冷制帶:將清洗干凈的塊體合金放入急冷制帶設備的石英管中，采用單輥快淬法制備出成分為Fe73Cu1Nb3^-XVxSi13.5B9的非晶薄帶； (5)納米晶化處理:在真空退火爐中對步驟(4)所得非晶薄帶進行等溫退火處理，然后隨爐冷卻至室溫，得到成分為Fe73Cu1Nb3.5_xVxSi13.5B9的鐵基非晶納米晶軟磁合金薄帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，步驟(2)中對母合金原料反復熔煉的過程中進行攪拌，使合金成分均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的中頻感應熔煉的加熱溫度為1300~I 400°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的單輥快淬法的輥面線速度為25~35m/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，步驟⑷所得的非晶薄帶的寬度為10mm，厚度為30~35 y m。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，步驟(5)中等溫退火處理的環(huán)境為壓強小于10_2Pa的環(huán)境或者氬氣氣體保護的環(huán)境。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鐵基非晶納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于，步驟(5)中等溫退火處理的退火溫度為500~560°C，退火時間為30分鐘至2個小時。
【文檔編號】H01F1/153GK103602931SQ201310549185
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】陸偉, 黃平 申請人:同濟大學