专利名称：一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基非晶或纳米晶软磁合金材料及其制备方法。
背景技术：
1988年日本日立金属的Yoshizawa等人发现了一种新型的铁基软磁合金 "FINEMET"，其典型成分为Fe73.5Sb.5B9Ci^Nb3 (Journal of Applied Physics (应用物理学报)1988， 64: 6044-6046)。这种软磁合金最大的特点是具有与钴 基非晶合金相当的低损耗、高磁导率和接近于零的磁致伸縮系数，同时它的 饱和磁感应强度Bs超过了同类性能的其他软磁材料，达到1.2 T左右。该软磁 合金是在传统的Fe-Si-B非晶合金的基础上添加少量的Cu和Nb，通过退火处 理而得，大量尺度在10 15nm的Fe-Si晶粒均匀地分布于残余非晶基体之中， 得到了所谓的"纳米晶"结构。目前的研究结果表明，该软磁合金的晶化退 火过程中，Cu具有促进晶粒形核的作用，而Nb则富集在晶粒的周围并强烈 抑制晶粒长大，从而使晶粒的尺寸非常细小。Cu和Nb起到了提高形核率和 降低长大速度的作用，这是形成纳米晶的重要条件，因此它们的作用十分关 键。但是由于Nb的价格昂贵，而且Nb加入后明显降低了 Fe-Si-B合金的饱 和磁感应强度Bs，其他难熔过渡金属，如V、 Mo、 W、 Ta等替代Nb，虽然 可以达到细化晶粒的目的，但是软磁性能却没有明显改善。
发明内容
本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种综合磁性能优良、原 材料成本大幅降低的铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法。
本发明铁基非(纳米)晶合金成分(原子百分比)可表示为 FeaSibBcCudNbeMf， M为Al、 Ni或P; a、 b、 c、 d、 e、 f的变化范围为65《a《85， 5《b《20， 5《c《25， 0《d《5， 0《e《5， 0.1《f《10，并且a + b十 c + d + e + f= 100。
通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶 合金或纳米晶粒均匀分布非晶基体上的纳米晶合金。通过改变各种元素的含 量及热处理工艺，控制非(纳米)晶合金的微观结构，有效地改善和优化了 合金的综合软磁性能，同时大幅降低合金的原材料成本。
合金中的元素B、 Cu和Nb部分由Al、 Ni、 P元素中的任一种或多种替 代，且总的替代量不超过10^%。
更优选择65《a《75， 5《b《15， 5《c《10， 0.5《d《3.0， 0.5《e《3， 0.1 《f《5。合金经过最优化退火处理后，其饱和磁感应强度为1.30 T或以上， 矫顽力为3.0A/m或以下。
本发明铁基非(纳米)晶合金是通过成分设计和一定的热处理工艺而得 到。退火在Ar气保护的环境下进行，温度范围为51(TC 58(TC，不同成分合 金的最优退火温度略有不同。
本发明制备方法是首先通过熔体快淬法制备出非晶合金薄带，再由这些 非晶合金退火晶化获得纳米结构合金。具体的制备方法如下
第一步，将纯度不低于99.9% (质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、 纯硅、硼铁、磷铁等原材料按照合金成分要求配料。将配好的原材料置于非 自耗真空电弧熔炼炉内熔炼，熔炼气氛为略大于一个大气压的氩气保护，熔 炼电流250 350A，为保证合金成分的均匀性，每个铸锭反复熔炼4次，每 次熔炼时间为60s。非自耗真空电弧熔采用WS-4型。
第二步，将熔炼得到的合金铸锭破碎，放入石英试 内，使用单辊甩带 法制备出宽度在2 4mm，厚度约30 pm的非晶合金薄带。第三步，将非晶合金薄带放入管式退火炉内，将温度调至510。C 58(TC, 在Ar气保护下等温退火约一小时，然后在Ar气保护下出炉冷却。
非晶合金中各元素的原子百分比为铁65 75 at%，硅5 15 at %，硼5 10at%，铜0.5 3.0at0/0，铌0.5 3.0at0/。，铝、镍、磷等0.1 10.0 at %。成 分的微小变化会导致非晶合金的最佳退火温度在51(TC到58(TC之间变化，镍 含量增加，最佳退火降低，铝含量增加，最佳退火温度提高。
按照上述方法制备得到的FeaSibBeCudNbeMf(M-Al、 Ni、 P等)非(纳米) 晶合金具有良好的综合软磁性能，其饱和磁感应强度Bs为1.30或以上，矫顽 力He为3.0A/m或以下。在本发明中，材料的饱和磁感应强度采用美国Lake shore Model 74035振动样品磁强计(VSM)测试，矫顽力采用日本理研BHS-40 型直流B-H回线测量仪测得。
本发明适用于变压器、互感器、发电机、磁传感器等。本发明以非(纳 米)晶合金的软磁性能机理及合金玻璃形成能力原理为指导，在 Fe73.5Sin.5B9Q^Nb3合金的基础上做适当成分调整，在不降低甚至提高材料磁 性能的前提下，采用其他合金元素部分替代该合金中的贵金属，大大降低了 合金的原材料成本；通过改变各种合金元素的含量及热处理工艺来控制这种 新型铁基软磁合金的微观结构，从而优化其性能，高饱和磁感应强度、低矫 顽力较低。
具体实施例方式
实施例1:
(1) 将纯度不低于99.9% (质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、 硼铁、磷铁等原材料按Fe73.5Si13.5B9CUlNb3_xMx (x-0.5 1.5)成分配料约60g;
(2) 将清洗干净的原材料放入WS-4型非自耗真空电弧熔炼炉内，经电弧炉熔炼制备出成分均匀的母合金铸锭；
(3) 将铸锭敲碎，放入石英试管中，采用单辊甩带法制备出宽约3 mm， 厚约30pm的非晶合金薄带；
(4) 采用SK2-4-10型管式退火炉，在Ar气的保护下，非晶薄带在530°C 56(TC等温退火一个小时，随后在Ar气保护下出炉冷却。
按上述方法制备得到的Fe^Si^BsCuiNbkM^x-O.S-l.S)* (纳米)晶 合金的饱和磁感应强度Bs=1.35 T或以上，矫顽力He = 1.3 A/m或以下。 实施例2:
(1) 将纯度不低于99.9% (质量百分比)的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、 硼铁、磷铁原材料按Fe73.5Sin.5Cw B9.xNb3.yMx+y (x=0.5~1.5， y-0.5 1.5)成分配 料约60g;
(2) 将清洗干净的原材料放入WS-4型非自耗真空电弧熔炼炉内，经电弧
熔炼制备出成分均匀的母合金铸锭；
(3) 将铸锭破碎，放入石英试管中，采用单辊甩带法制备出宽3 mm，厚 约30nm的非晶合金薄带；
(4) 采用SK2-4-10型管式退火炉，在Ar气的保护下，将非晶薄带在520 "C 55(TC等温退火一个小时，然后在Ar气保护下出炉冷却。
按上述方法制备得到的Fe".5Sb.5Cu！ B9.xNb3_yMx+y(x=0.5~1.5， y=0.5 1.5) 非(纳米)晶合金的饱和磁感应强度B^1.49T或以上，矫顽力Hc-3.0A/m 或以下。
权利要求
1.一种铁基非晶或纳米晶软磁合金，其特征是该合金的成分可以表述为FeaSibBcCudNbeMf，M为Al、Ni或P，a、b、c、d、e、f为原子百分比，变化范围为65≤a≤85，5≤b≤20，5≤c≤25，0≤d≤5，0≤e≤5，0.1≤f≤10，并且a+b+c+d+e+f＝100。
2. 如权力要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金，其特征是合金中的元素 B、 Cu和Nb部分由Al、 Ni、 P元素中的任一种或多种替代，且总的替代量不 超过10at。/。。
3. 如权利要求1所述的铁基非晶或纳米晶合金的制备方法，其特征是 第一步，将纯度按照质量百分比计不低于99.9 %的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、磷铁等原材料按照合金成分要求配料；置于非自耗真空电 弧熔炼炉内熔炼，熔炼气氛为氩气保护；熔炼电流250A 350A;每个铸锭反 复熔炼4次，每次熔炼时间为60s，以保证合金成分的均匀性；第二步，将熔炼得到的合金铸锭破碎，放入石英试管内，使用单辊甩带 法制备出厚度约为30 pm的非晶合金薄带；第三步，将非晶合金薄带放入管式退火炉内，将温度调至510。C 58(TC， 在Ar气保护下等温退火约一小时，然后在Ar气保护下出炉冷却。
4. 如权力要求1、 2、 3所述的铁基非晶或纳米晶合金的制备方法，其特 征是通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶 合金或纳米晶粒均匀分布非晶基体上的纳米晶合金。
全文摘要
一种铁基非晶或纳米晶软磁合金，目的是性能好、成本低；本发明合金成分可表述为Fe<sub>a</sub>Si<sub>b</sub>B<sub>c</sub>Cu<sub>d</sub>Nb<sub>e</sub>M<sub>f</sub>，M为Al、Ni或P；a、b、c、d、e、f为原子百分比，变化范围为65≤a≤85，5≤b≤20，5≤c≤25，0≤d≤5，0≤e≤5，0.1≤f≤10；a+b+c+d+e+f＝100；其制备方法是将纯铁、铜等原料置于真空电弧炉熔炼得到合金铸锭；破碎，放入石英试管，用单辊甩带法制备出非晶合金薄带；放入管式退火炉，温度调至510℃～580℃，在Ar气保护下等温退火，出炉冷却；通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶合金或纳米晶粒均匀分布非晶基体上的纳米晶合金。
文档编号H01F1/147GK101650999SQ200910075150
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月13日 优先权日2009年8月13日
发明者党淑娥, 夏兰廷, 罡 张, 闫志杰 申请人:太原科技大学