具有高饱和磁感应强度和强非晶形成能力的铁基非晶合金的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能材料中的非晶软磁合金领域，特别涉及高饱和磁感应强度铁基非 晶软磁合金材料。
【背景技术】
[0002] 自1967年问世以来，非晶软磁性合金立即引起了人们的极大重视，是近几十年来 材料研究的热点之一。非晶软磁性合金的形成过程是用快淬的方法将熔融金属液体快速冷 却，使原子来不及移动重排而被冷冻下来，保持熔融态的无序排列结构。因其原子不规则排 列、无周期性、无晶粒晶界的存在，磁畴的钉扎点或钉扎线少，磁晶各向异性很小，而显示良 好的软磁特性：矫顽力小、磁导率高、磁感应强度高、电阻率高、损耗小、频率特性好。在电力 电子领域应用，可极大的促进各种电器设备向节能化、高效化、小型化方向发展。
[0003] 然而，与硅钢相比，铁基非晶软磁合金还存在饱和磁感应强度低和热处理后韧性 差等不足，用其替代硅钢在电力传输或电力转换领域应用，将导致器件磁芯的体积明显增 大。如现有典型铁基非晶合金Fe78Si9B13的饱和磁感应强度为I. 56T，而硅钢的饱和磁感应 强度接近2T。
[0004] 众多研究人员致力于开发高饱和磁感应强度非晶合金。在非晶软磁合金材料中， 为获得强非晶形成能力常添加非磁性金属元素，此举将明显降低合金的饱和磁感应强度， 并大幅提高合金的原材料成本，所以高饱和磁感应强度非晶软磁合金中应该避免添加。不 含非磁性金属元素、高饱和磁感应强度和强非晶形成能力三者之间近乎呈现矛盾关系，极 大增加了高饱和磁感应强度非晶软磁合金开发的难度。
[0005] 另外，对饱和磁感应强度起贡献的主要是铁磁性元素，提高合金的饱和磁感应强 度的方法有两种：一是适量添加钴元素，利用其与铁原子间之间的强交换耦合作用提高饱 和磁感应强度；二是提高铁元素含量，降低非铁磁性非晶形成元素含量。
[0006] 美国Allied-Signal公司用第一种方法与上世纪80年代开发了牌号为 Metglas2605Co的合金，饱和磁感应强度达到I. 8T。但是由于合金中含有18%的钴元素，原 材料成本过高，不适合大规模推广应用。
[0007] 后期的研究主要集中于提高铁元素含量，降低非铁磁性非晶形成元素含量。由于 非晶软磁合金材料的性能优点源于其非晶态结构，因此在提高饱和磁感应强度的同时，还 需要考虑合金的非晶形成能力和临界冷却速度。片面考虑提高饱和磁感应强度，会导致合 金的非晶形成能力过低，使其临界冷却速度超出现有非晶合金带材生产线的冷却能力，生 产设备和工艺条件难以满足。另外，研究表明，相同工艺条件下制备的非晶合金的矫顽力与 其非晶形成能力有直接的关联，非晶形成能力高的合金，其非晶度低，原子堆积密度低，钉 扎磁畴的磁偶极子数量少，矫顽力低。具有较强的非晶形成能力是高饱和磁感应强度铁基 非晶合金规模化生产和应用的前提。
[0008] 美国专利US4226619中公开了一种非晶态Fe-B-C合金，其饱和磁感应强度超过 I. 7T，典型成分Fe86B7C7合金的饱和磁感应强度达到I. 74T，但是由于非晶形成能力太低，合 金的矫顽力大，同时淬态带材脆性大，无法实际推广应用。
[0009] 日立金属在CN1721563A专利中公开了一种Fe-Si-B-C合金，其饱和磁感应强度达 到I. 64T，但其制备过程采用渗碳工艺，大大提高了工艺复杂程度。
[0010] 新日本制铁公司在专利CN1356403A中，公布了一种高铁含量Fe-Si-B-C-P非晶 合金，铁含量在82-90 %之间，其饱和磁感应强度达到I. 75T，然而由于过度追求饱和磁 感应强度，忽视了非晶形成能力的限制，合金成分设计不合理。其典型高铁含量成分如 FeI7S^3Bfi9CasPu等的非晶形成能力太低，用常规快淬制带工艺不能制备完全非晶样品， 磁性能差。其典型低铁含量成分如Fefa4Si2.3Bs.sCa5P5.s合金的P元素含量高，饱和磁感应强 度低。此外，此专利中实施例的饱和磁感应强度值明显高于正常值，说明合金的非晶形成能 力有限，样品不是完全非晶结构。
[0011] 新日本制铁公司在专利CN101589169A中公开了另一种低铁含量Fe-Si-B-C-P非 晶合金，合金的铁含量在78-86%之间，然而该合金6-20%的P含量明显降低合金的饱和磁 感应强度，另外，过高的P含量和C含量都极大提高了合金的熔炼难度和制带工艺要求。
[0012] 安泰科技公司在专利CN101840764A中公布一种高饱和磁感应强度非晶合金，其 优选成分硅含量较高，超过5%，非晶形成能力低，此外，此专利中实施例中，具有相近成分 的不同合金其饱和磁感应强度值相差较大，说明该组分的合金在制备过程中重复性差，导 致相近成分的不同合金样品中非晶态比例差别大。
[0013] 美国专利US5958153A和US5626690公布了一种非晶形成能力高的（FeSiBC) 1Q。XPX 合金，其临界厚度在40-90iim之间，但是该合金的铁含量低，饱和磁感应强度低。
[0014] 综上所述，目前市场上缺乏高饱和磁感应强度和强非晶形成能力的铁基非晶软磁 合金及其制品，需要开发兼具高饱和磁感应强度，强非晶形成能力，生产成本低且磁性能优 异的铁基非晶软磁合金。
【发明内容】
[0015] 本发明的目的是提供一种成分设计合理，饱和磁感应强度高，非晶形成能力强，生 产成本低，综合磁性能优异的铁基非晶软磁合金。
[0016] 本发明通过以下技术方案实现：
[0017] 具有高饱和磁感应强度和强非晶形成能力的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁 基非晶合金中Fe的原子百分含量在81. 8~84. 3之间，且所述铁基非晶合金的饱和磁感应 强度彡I. 61T，和/或矫顽力彡5A/m。
[0018]Fe为磁性元素，为了获得高饱和磁感应强度，必须保证合金含有较高的Fe含量。 然而，过高的Fe含量会导致非晶形成能力的明显下降，本发明中的Fe的原子百分含量能满 足高饱和磁感应强度与强非晶形成能力的需要，由此铁基非晶合金制成的材料具有很好的 韧性。
[0019] 作为优选，所述铁基非晶合金的表达式为FeaSibBeP dCeMf,表达式中M为原材料中 不可避免的一种或多种杂质元素，a、b、c、d、e、f?分别表示各对应组元的原子百分含量， a+b+c+d+e+f= 100〇
[0020] 本发明中的非晶形成元素选择Si,B，P和C。其中，Si,B，P元素与Fe元素间有很 大的负值混合焓，是重要的非晶形成元素；C元素与主组元Fe元素之间的混合焓为正值，但 其原子半径小，且在晶化过程中倾向于与Fe,B和P形成复杂化合物如Fe23 (B，C，P)6等，适 量添加有利于获得高非晶形成能力。
[0021] 作为优选，所述的1彡b彡6,6彡。彡13，1彡(1彡6,0.75彡6彡2.75彳彡0.5。
[0022] Si基本不与其他合金组成元素单独形成化合物，常以固溶体的形式存在于合金晶 化析出相中或存在于晶粒间残余非晶中。Si的添加有利于提高合金原子排列的混乱程度， 并降低合金的熔点，提高其流动性，从而提高非晶形成能力。
[0023] B是小原子，是不可缺少的非晶形成元素，当c彡6时，合金的形成能力低，当 c彡13时合金偏离共晶点，非晶形成能力降低。
[0024]P是重要的非晶形成元素，P和Fe元素之间有较大的负的混合热，P的添加有利于 提高过冷液相区的稳定性，起非晶形成元素的作用。
[0025] C是小原子，其添加有利于提高合金的原子失配比，适量添加有利于获得高非晶形 成能力。
[0026] Si、B、P和C对非晶形成能力除了有上述的独立作用之外，其各元素之间的相互 作用对非晶形成能力和磁性能也有极为重要的影响。首先，B和P元素均能和Fe单独形成 Fe3M相，在含B体系中加入P元素，置换形成结构更复杂的Fe3 (B，P)二次相，将抑制Fe2B相 的形成，有利于非晶形成能力的增强，而P含量升高过高又将导致Fe3P,a-Fe,Fe3Pa37Ba63 形成，降低非晶形成能力。Si的加入能提高B、P和C在Fe中的溶解度，降低合金的熔点， 抑制硼化物和磷化物析出相的形成，同时提高熔融液体的粘度，抑制原子的扩散，从而有助 于提高非晶形成能力，并扩大可形成非晶的合金成分范围。Si、B、P和C元素作为非晶形成 元素，它们的同时加入，极大的增加了体系的混乱度，对合金的非晶形成能力提高有利。
[0027] 作为优选，对本发明中的非晶形成元素进行进一步优化：Kb< 4,8 <c< 12， 1彡d彡4,0. 75彡e彡2。
[0028] 作为中等半径元素，Si元素与Fe的混合焓不如B和P与Fe的高，Si含量过高会 导致其他元素含量的减少，且过量的添加会破坏合金体系的高混乱度并降低合金组元间的 相互吸引作用，导致非晶形成能力的降低，也会降低带材的韧性。因此，进一步优选的Si含 量为1彡b彡4。
[0029] 由于P的3p轨道电子比B和Si多，P含量的增加会使更多的Fe和Ni的3d轨道 充满，导致饱和磁