一种铁基纳米晶软磁合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于合金组成满足分子式FeaCobNicZrdBeCuf，式中下标a、b、c、d、e、f分别表示对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，a+b+c+d+e+f＝100。所述合金材料由非晶基体和平均晶粒尺寸约10nm的体心立方α‐(Fe,Co,Ni)纳米晶粒相组成。与现有技术相比，本发明专利技术的优点在于该纳米晶合金兼具高饱和磁感应强度、高居里温度以及低的损耗，且降低了原材料成本，因此在高温环境下具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁基纳米晶软磁合金材料，本专利技术还涉及该纳米晶软磁合金材料的制备方法。
技术介绍
软磁材料是人类开发最早的一类磁性功能材料，具备较高的磁导率、饱和磁化强度以及电阻率等特性。纳米晶软磁材料是一类新型软磁材料，它由非晶基体及分布在基体上具有纳米级尺寸的晶粒组成，可以由非晶合金部分晶化得到。纳米晶软磁材料具有低矫顽力、高磁导率和低损耗等多项优点，可以满足各类电子设备向高效节能、集成化方面发展的需求，而且制备容易，成本低廉，被称为“第三代软磁”材料。对纳米晶软磁合金的研究始于1988年，经过三十多年的研究，目前纳米晶软磁合金主要有三个体系：FeSiBMCu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金、FeMB(M＝Zr、Hf、Nb等)系NANOPERM合金以及(Fe,Co)MBCu(M＝Zr、Hf、Nb等)系HITPERM合金。FINEMET合金具有低损耗，高磁导率和饱和磁致伸缩系数趋近于零的特点，和坡莫合金、Co基非晶合金材料不相上下。FINEMET合金虽已获得广泛应用，但其饱和磁化强度相对较低，一定程度上限制了其应用范围。NANOPERM合金饱和磁化强度较高，而综合性能不及FINEMET合金。FINEMET和NANOPERM合金由于受到其非晶相和纳米晶相居里温度的限制，只能被应用在200℃以下，高温环境下将失去磁性。HITPERM合金，具有较高的饱和磁感应强度和居里温度，其高频特性也优于NANOPERM合金，但矫顽力高达70A/m，损耗也较高，因而限制了其在高温领域的应用。中国专利CN102254665A公开了一种铁钴基纳米晶合金及其制备方法。合金的化学成分为FeCoMBCu，M为Nb，Zr，Hf，Mo，W，Ta中的一种或几种，具体原子百分含量为Fe＝40‐42.8％，Co＝40‐42.8％，M＝5‐8％，B＝5‐12％，Cu＝0.1‐1.5％。该合金兼具高的饱和磁感应强度与高的居里温度。然而，该合金中Co的元素百分比含量仍旧较高，为40％～42.8％，高的Co含量使得该合金成本较为昂贵。航空、航天和国防科技的迅速发展对磁性材料提出了更高的要求。例如电动航天飞机的集成电力器件的转子材料要求具有优异的高温软磁性能和热稳定性，工作温度在500～600℃之间。核电站反映堆内部的发动机和发电机组中的磁性材料要求可在高温条件下长时间服役。因此研究兼具高饱和磁化强度、低损耗和高居里温度，可以在高温环境下使用，同时原材料成本低廉的纳米晶软磁材料至关重要。
技术实现思路
技术问题：本专利技术针对上述技术现状提供了一种铁基纳米晶软磁合金材料，该材料具有高饱和磁感应强度、高居里温度以及低的高频损耗等优异软磁性能，同时与现有纳米晶合金相比，降低了原材料成本。技术方案：本专利技术的一种铁基纳米晶软磁合金材料的合金组成满足分子式：FeaCobNicZrdBeCuf，式中下标a、b、c、d、e、f分别表示对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100。其中：Fe的原子百分比优选为52.8≤a≤79.2。Co的原子百分比优选为8.8≤b≤35.2。Ni的原子百分比优选为8.8≤c≤26.4。所述的纳米晶，其结构包括非晶基体和纳米晶相，其中纳米晶相为体心立方结构的α‐(Fe,Co,Ni)，其平均晶粒尺寸约10nm。该合金材料的饱和磁感应强度为1.54‐1.79T，矫顽力为7‐28A/m。其中该合金材料在1.0T，50Hz、10kHz条件下的损耗分别为0.68‐1.78W/kg和465‐875W/kg。其中该合金在0.2T，20kHz、100kHz条件下的损耗分别为70‐152W/kg和433‐1204W/kg。本专利技术的铁基纳米晶软磁合金材料的制备方法包括以下步骤：步骤1：将合金组分中的Fe、Co、Ni、Zr、B和Cu按照合金组成分子FeaCobNicZrdBeCuf进行配料，式中下标a、b、c、d、e、f分别表示对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，a+b+c+d+e+f＝100，其中各原料纯度均大于99％；步骤2：将步骤1配制的原料装入熔炼炉中，在惰性气氛保护下进行熔炼，冷却后得到成分均匀的母合金铸锭；步骤3：将上述母合金铸锭破碎为小块样品，将破碎后的合金锭装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷法制备连续的非晶合金；非晶合金为条带状，并且宽度为1‐2mm，厚度为20‐25μm；步骤4：将所述非晶合金装入热处理炉中，抽真空至低于1×10‐2Pa，进行晶化热处理，而后淬火冷却至室温，得到纳米晶软磁合金材料；退火温度为530‐570℃，退火保温时间为45‐75分钟。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供的铁基纳米晶软磁合金中，以少量Co和Ni同时添加部分取代Fe，减少了HITPERM合金中贵金属元素的含量，极大降低了原材料成本；(2)具有本专利技术合金组成的铁基纳米晶软磁合金不仅具备高的饱和磁感应强度、高的居里温度，还具有较低的矫顽力和高频损耗，其中饱和磁感应强度高达1.79T，居里温度在900℃以上，矫顽力低于28A/m，优选为7‐20A/m。相对于HITPERM合金而言，具有本专利技术合金组成的铁基纳米晶软磁合金在1.0T，10kHz的铁损降低了40％以上；(3)本专利技术提供的制备该纳米晶软磁合金材料的方法简单易操作，制得的合金材料结构中包括非晶基体和纳米晶相，其中纳米晶相为体心立方结构的α‐(Fe,Co,Ni)，纳米晶晶粒尺寸平均值小于20nm，优选为10nm。附图说明图1为本专利技术实施例1中(Fe0.7Co0.2Ni0.1)88Zr7B4Cu1非晶合金及纳米晶合金的X射线衍射图谱；图2为本专利技术实施例1中(Fe0.7Co0.2Ni0.1)88Zr7B4Cu1非晶合金的DSC曲线；图3为本专利技术实施例1中(Fe0.7Co0.2Ni0.1)88Zr7B4Cu1纳米晶合金的磁滞回线；图4为本专利技术实施例1中(Fe0.7Co0.2Ni0.1)88Zr7B4Cu1纳米晶合金损耗随磁感应强度变化曲线；图5为本专利技术实施例2中(Fe0.8Co0.1Ni0.1)88Zr7B4Cu1纳米晶合金损耗随磁感应强度变化曲线。具体实施方式本专利技术提供的铁基纳米晶软磁合金材料的分子式为：FeaCobNicZrdBeCuf，式中下标a、b、c、d、e、f分别表示各对应元素的原子百分含量，44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100。作为优选，所述Fe的原子百分比优选为52.8≤a≤79.2。作为优选，所述Co的原子百分比优选为8.8≤b≤35.2。作为优选，所述Ni的原子百分比优选为8.8≤c≤26.4。本专利技术还提供了一种制备上述铁基纳米晶软磁合金材料的方法，包括如下步骤：步骤1：将合金组分中的Fe、Co、Ni、Zr、B和Cu按照合金组成分子FeaCobNicZrdBeCuf进行配料，下标a、b、c、d、e、f分别表示对应合金元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于该纳米晶软磁合金材料的合金组成满足分子式：FeaCobNicZrdBeCuf，式中下标a、b、c、d、e、f分别表示对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100。

【技术特征摘要】
1.一种铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于该纳米晶软磁合金材料的合金组成满足分子式：FeaCobNicZrdBeCuf，式中下标a、b、c、d、e、f分别表示对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100。2.如权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于Fe的原子百分比优选为52.8≤a≤79.2。3.如权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于Co的原子百分比优选为8.8≤b≤35.2。4.如权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于Ni的原子百分比优选为8.8≤c≤26.4。5.如权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于所述的纳米晶，其结构包括非晶基体和纳米晶相，其中纳米晶相为体心立方结构的α‐(Fe,Co,Ni)，其平均晶粒尺寸约10nm。6.如权利要求1至4中任一权利要求所述的铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于该合金材料的饱和磁感应强度为1.54‐1.79T，矫顽力为7‐28A/m。7.如权利要求1至4中任一权利要求所述的铁基纳米晶软磁合金材料，其特征在于该合金材料在1.0T，50Hz、10kHz条件下的损耗分别为0.68‐1.78W/kg和4...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈宝龙，汤永田，范星都，江沐风，江向荣，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32