一種Fe基非晶納米晶軟磁材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Fe基非晶納米晶軟磁材料及其制備方法，其化學通式為：Fe83.5B15Cu1.5。該材料的制備方法包括下述步驟：(1)將Fe、Cu和B按原子比83.5：15：1.5混合；(2)將上述混合原料在氬氣保護下進行反復(fù)熔煉，得到成分均勻的合金鑄錠；(3)將上述合金鑄錠在氬氣保護下進行熔體快淬，得到非晶帶材；(4)將上述非晶帶材密封在石英管中，抽真空，充入高純氬氣，密封后在360℃～450℃溫度下退火處理8～15分鐘，之后快速淬入水中；再在420℃～430℃退火8～15分鐘，即得到Fe基非晶納米晶軟磁材料。本發(fā)明材料的軟磁性能優(yōu)良，且制備工藝簡單、成本低廉、適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】一種Fe基非晶納米晶軟磁材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Fe基軟磁材料，特別涉及一種Fe (鐵）基非晶納米晶軟磁材料軟 磁性能的熱處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 非晶態(tài)軟磁合金材料為20世紀70年代問世的一種新型材料，因具有鐵芯損耗小、 電阻率高、頻率特性好、磁感應(yīng)強度高、抗腐蝕性強等優(yōu)點，引起了人們的極大重視，被譽為 21世紀新型綠色節(jié)能材料。
[0003] 近年來，隨著信息處理和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種電器設(shè)備趨向高頻化、小 型化、節(jié)能化，而鐵基非晶合金可以很好的滿足這種技術(shù)需求。鐵基非晶合金由于其沒有晶 體的有序結(jié)構(gòu)而缺少磁晶各向異性，所以通常會保持較低的矯頑力和較高的磁導(dǎo)率，鐵基 非晶合金經(jīng)過納米晶化退火后，析出磁感應(yīng)強度更高的a -Fe納米晶，使得非晶/納米晶復(fù) 合材料具有更高的飽和磁感應(yīng)強度，同時由于納米晶a -Fe相通過殘存的非晶相發(fā)生強烈 的交換耦合作用，使得磁晶各向異性被平均，因而非晶合金經(jīng)退火后形成的非晶/納米晶 復(fù)合材料往往具有更優(yōu)異的軟磁性能。
[0004] 近年來有許多文獻報道了 FeBCu合金，該材料成分簡單，具有優(yōu)良的軟磁性能， 特別是具有很高的飽和磁感應(yīng)強Bs，接近于Si鋼，磁芯損耗也小。Cui等人發(fā)現(xiàn)添加 4at. %P和0.7at. %的？683.35;^12(：11(|. 7合金在非晶基底上存在5-10nm的類晶體團簇 (L. Y. Cui, M. He, A. Makino, T. Kubota, K. Yubuta, M. Qi, A. Inoue. Effect of Cu and P on the Crystallization Behavior of Fe-Rich Hetero-Amorphous FeSiB Alloy. Materials Transactions，2009,50,（11) :2515-2520)，通過添加 4at% 的 P和 0· 7at% 的Cu 使得FeSiB 合金的晶粒尺寸從200nm降低到20nm。Makino等人在Fe82Si9B9合金系中（A. Makino, H. Men, T. Kubota, et al. New Excellent Soft Magnetic FeSiBPCu Nanocrystallized Alloys With High Bs of 1. 9T From Nanohetero-Amorphous Phase. IEEE Transaction on Magnetics，2009,45 :4302-4305)，2 %?4% P 替代 B 和 0· 3% Cu 替代 Fe，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些元 素的加入使粗大的a_Fe相晶粒迅速減小到晶粒尺寸小于3nm。因此在Fe基非晶納米晶的 研究中有不少的研究者認為：通過在淬態(tài)合金的非晶基底中產(chǎn)生大量的納米尺寸的a-Fe 晶粒，而且這些a-Fe晶粒不僅可以作為新晶粒形成的形核質(zhì)點，還可以抑制晶粒的長大， 以確保納米晶保持在較優(yōu)磁性能的尺寸范圍內(nèi)。
[0005] 因此可以看出目前對于非晶納米晶軟磁材料來講，減小晶粒的方法通常為添加替 代元素，但存在的問題是在制備的過程中很難控制非晶基體中納米晶粒的數(shù)量和大小，從 而使得該類材料的應(yīng)用受到了一定的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種在某種制備條件下能形 成非晶納米晶、化學性質(zhì)穩(wěn)定、具有優(yōu)良軟磁性能的磁性材料。
[0007] 本發(fā)明的另一個目的在于提供上述Fe基非晶納米晶軟磁材料的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0009] -種Fe基非晶納米晶軟磁材料，其化學通式為：Fe83.5B 15CUl.5，該材料為Fe基非晶 和Fe基納米晶的混合物。所述材料寬2?3mm，厚1?2 μ m。
[0010] 上述Fe基非晶納米晶軟磁材料的制備方法，包括下述步驟：
[0011] (1)將 Fe、Cu 和 B 按原子比 83.5 :15 :1.5 混合；
[0012] (2)將上述混合原料在氬氣保護下進行反復(fù)熔煉，得到成分均勻的合金鑄錠；
[0013] (3)將上述合金鑄錠在氬氣保護下進行熔體快淬，甩帶速度為50?60m/s，得到非 晶帶材；
[0014] (4)將上述非晶帶材密封在石英管中，抽真空，充入高純氬氣，密封后在360°C? 450°C溫度下退火處理8?15分鐘，之后快速淬入水中；再在420°C?430°C退火8?15分 鐘，即得到Fe基非晶納米晶軟磁材料。
[0015] 步驟（4)第一次退火的溫度為390°C，第二次退火的溫度為420°C，兩次退火的時 間均為10分鐘。
[0016] 步驟⑷所述抽真空至10_3Pa以下。
[0017] 步驟⑵所述熔煉的條件為于真空電弧爐或感應(yīng)加熱爐中，抽真空至l(T3Pa以下， 用氬氣清洗爐膛后，再充入氬氣（充入低于1個大氣壓，約〇. IMPa)并在其保護下進行。
[0018] 步驟（3)所述熔體快淬條件為高頻感應(yīng)加熱，抽真空至l(T4Pa以下，用氬氣清洗爐 膛后，充入壓差〇. 08±0. OIMPa的氬氣并在其保護下進行。
[0019] 步驟（4)所述充入高純氬氣的壓強約為0. 02MPa。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點和效果：
[0021] (1)與一次性熱處理相比，可以更好地控制在非晶基體上析出納米晶粒的大小，納 米晶粒的大小、形狀和分布直接決定著該材料的軟磁性能。本發(fā)明中所制備Fe 83.5B15CUl.5非 晶軟磁材料晶化退火之后，貼輥面主要呈現(xiàn)的是球形納米顆粒，而自由面主要呈現(xiàn)具有長 度為200-300nm的片狀多孔結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)合金Fe 83.5B15CUl.5依次在390°C預(yù)處理10分鐘再 在420°C熱處理10分鐘后獲得最佳性能為B smax = 1. 83T，H。= 8. 7A/m。
[0022] (2)合金Fe83 5B15Cu15的元素少，可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本。
[0023] (3)制備方法采用常規(guī)的電弧熔煉和甩帶設(shè)備，若要得到非晶則需熔煉后進行甩 帶，若要得到化合物則需要階段退火即可合成，工藝簡單、成本低廉、適于工業(yè)化生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為實施例1所制備的Fe83.5B15C Ul.5合金的自由面與貼輥面的XRD圖譜。
[0025] 圖2為實施例1所制備的甩帶樣品Fe83.5B15C Ul.5的DSC曲線。
[0026] 圖3為實施例1所所制備的Fe83.5B15C Ul.5合金在360°C，390°C，420°C，450°C下熱 處理lOmin的XRD圖譜。
[0027] 圖4為實施例1制備的Fe83.5B15C Ul.5合金的晶粒尺寸隨溫度變化圖。
[0028] 圖5為實施例1制備的Fe83.5B15C Ul.5合金在熱處理后的SEM(a)貼輥面與（b)自由 面。
[0029] 圖6為實施例1未經(jīng)熱處理和經(jīng)熱處理后制備的Fe83.5B 15CUl.5合金的飽和磁感應(yīng) 強度Bs與矯頑力He隨溫度變化趨勢圖。
[0030] 圖7為實施例1制備的Fe83.5B15C Ul.5合金在不同熱處理條件后的XRD圖譜。

【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0032] 實施例1
[0033] 步驟一：將Fe、B、Cu按Fe83.5B15C Ul.5(原子比）的比例配料；試樣總重量為10g， 其中Fe、B、Cu按照原子比例：83. 5 :15 :1. 5進行計算，重量分別為9. 4768g、0. 3295g、 0. 1937g〇
[0034] 步驟二：將步驟一配制好的原料放入電弧爐內(nèi)，抽真空至l(T3Pa，用高純氬清洗爐 膛后充略低于1個大氣壓（約〇. IMPa)的高純氬氣，在高純氬氣保護下反復(fù)熔煉5次，冷卻 后得到成分均勻的一鈕扣狀合金鑄錠。
[0035] 步驟三：將步驟二制備的合金鑄錠簡單機械破碎后，放入下端開有小孔的石英管 中，高頻感應(yīng)加熱，抽真空至l(T 4Pa，用高純氬氣清洗爐膛后，充入壓差0. 08±0. OIMPa的高 純氬氣并在其保護下進行單輥熔體快淬，甩帶速度為60m/s，得到寬2?3mm，厚約1 μ m的 非晶帶材。步驟三得到的樣品經(jīng)X射線衍射證明其是非晶材料（見圖1所示）。
[0036] 步驟四：將甩帶后的帶材樣品密封在石英管中，抽真空至l(T3Pa后，充入約為 0· 02MPa的高純氬氣，密封后在360°C?450°C溫度下（取360°C、39(TC、42(rC、45(rC )退 火處理10分鐘，之后快速淬入水中；之后在420°C，退火時間為10?90分鐘，即得到Fe基 非晶納米晶軟磁材料。
[0037] 步驟四中的熱處理溫度是根據(jù)樣品的差示掃描量熱儀DSC檢測結(jié)果來確定的（見 圖2所示），熱處理后得到的樣品經(jīng)X射線衍射證明已經(jīng)得到納米晶結(jié)構(gòu)（見圖3所示）， 晶粒大小6. 8nm到23. 2nm(見圖4所示），外觀形貌為貼輥面主要呈現(xiàn)的是球形納米顆粒， 而自由面主要呈現(xiàn)具有長度為200-300nm的片狀多孔結(jié)構(gòu)（見圖5所示）。
[0038] 用物理性能測量系統(tǒng)（PPMS)測量步驟三所得樣品的磁化強度與矯頑力（如圖6 所示）。根據(jù)圖6的磁化強度與矯頑力的關(guān)系曲線可得甩帶后沒有熱處理時樣品性能為B smax =1. 60T，Hc = 13A/m。
[0039] 表lFe83.5B15C Ul.5合金在不同熱處理條件下的Bs與
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種Fe基非晶納米晶軟磁材料，其特征在于，其化學通式為：Fe83.5B 15CUl.5。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟磁材料，其特征在于，該材料為Fe基非晶和Fe基納米晶的 混合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的軟磁材料，其特征在于，該材料寬2?3mm，厚1?2 μ m。
4. 權(quán)利要求1或2或3所述Fe基非晶納米晶軟磁材料的制備方法，其特征在于，包括 下述步驟： (1) 將Fe、Cu和B按原子比83. 5 :15 :1· 5混合； (2) 將上述混合原料在氬氣保護下進行反復(fù)熔煉，得到成分均勻的合金鑄錠； (3) 將上述合金鑄錠在氬氣保護下進行熔體快淬，甩帶速度為50?60m/s，得到非晶帶 材； (4) 將上述非晶帶材密封在石英管中，抽真空，充入高純氬氣，密封后在360°C?450°C 溫度下退火處理8?15分鐘，之后快速淬入水中；再在420°C?430°C退火8?15分鐘，即 得到Fe基非晶納米晶軟磁材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟（4)第一次退火的溫度為 390°C，第二次退火的溫度為420°C，兩次退火的時間均為10分鐘。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟（4)所述抽真空至l(T3Pa以下。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)所述熔煉的條件為 于真空電弧爐或感應(yīng)加熱爐中，抽真空至l(T 3Pa以下，用氬氣清洗爐膛后，再充入氬氣并在 其保護下進行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟（3)所述熔體快淬條件為高頻感 應(yīng)加熱，抽真空至l(T4Pa以下，用氬氣清洗爐膛后，充入壓差0. 08±0. OIMPa的氬氣并在其 保護下進行。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，步驟（4)所述充入高純氬氣的壓強為 0.02MPa。
【文檔編號】H01F1/153GK104233121SQ201410505361
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】鄭志剛, 余紅雅, 張家勝, 劉仲武, 曾德長 申請人:華南理工大學