一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金及其制备方法技术

一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金及其制备方法，属于新材料技术领域。纳米晶软磁合金的合金成分化学式为FeaBbSicCudCeMfZg，其中M为元素Co或Ni中的至少一种，Z为元素Al、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta或Mo中的至少一种，a、b、c、d、e、f和g分别为各对应元素的原子百分比含量，并满足：80≤a+f≤84、10≤b≤15、0≤c≤6、1.6<d≤2.2、0≤e≤2、0≤f≤5和0≤g≤2。该合金由非晶条带经热处理获得的晶粒尺寸50nm以下的α‑Fe相均匀分布于残留非晶相的组织构成，饱和磁感应强度大于1.7T，矫顽力低于15A/m。该合金不含挥发性元素磷，而且热处理工艺简单，不需高升温速率，热处理的温度范围和保温时间范围宽，易实现工业化生产，便于推广应用。

Nanocrystalline soft magnetic alloy with good process performance and high saturation magnetic induction strength and preparation method thereof

The invention relates to a nanocrystalline soft magnetic alloy with good technical performance and high saturation magnetic induction strength and a preparation method thereof, which belongs to the technical field of new materials. The chemical composition of alloy type nanocrystalline soft magnetic alloy is FeaBbSicCudCeMfZg, wherein M is at least one element of Co or Ni, Z is at least one of the elements of Al, Cr, Mn, Ti, Nb, Ta or Mo, a, B, C, D, e, F and g respectively for the atom the percentage of the corresponding elements, and satisfy: 80 = a+f = 84, 10 = b = 15, 0 = C = 6, 1.6< d = 2.2, 0 = e = 2, 0 = f = 5 and g = 0 ~ 2. The alloy is composed of amorphous ribbons by heat treatment Fe alpha 50nm below the grain size obtained by uniform distribution of tissue formed in the residual amorphous phase, saturation magnetic induction strength greater than 1.7T, the coercivity of less than 15A/m. The alloy does not contain the volatile element phosphorus, and the heat treatment process is simple, the temperature range of the heat treatment is not high, and the range of the heat preservation time is wide.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金及其制备方法，属于新材料

技术介绍
随着现代电力、电子设备向节能化、小型化、轻量化和高效化方向发展，人们对变压器、电动机等电磁转换器件中磁芯/铁芯材料的软磁性能提出了更高的要求。自上世纪以来，电工钢(硅钢)因其饱和磁感应强度(Bs)可达2.0T，一直是铁芯材料的首选。但硅钢的矫顽力(Hc)高，铁损大，能耗很高。为克服硅钢过高的Hc和铁损，人们发展了Fe基非晶合金，该合金具有极低的铁损(仅为硅钢的1/5-1/3)和Hc、且导磁率和电阻率较高，现已作为高性能软磁材料被应用，例如日立金属公司生产的Metglas2605SA1(Fe-Si-B系)和Metglas2605HB1(Fe-Si-B-C系)合金已大规模应用于工频配电变压器。但大多Fe基非晶合金的Bs不超过1.7T，不利于设备的小型化和轻量化。而且，Fe基非晶合金还存在磁致伸缩系数较大、高频导磁率不高、高温下结构及性能不稳定等缺点，这些也限制了它们的使用范围。1988年，日立金属公司的Yoshizawa等人发现了具有全新结构的Fe基纳米晶软磁合金FINEMET(Fe-Si-B-Nb-Cu系)。该纳米晶合金是通过对其非晶合金进行适当热处理获得由纳米尺度的α-Fe和残余非晶相组成的均匀混合组织。纳米晶粒小于一定尺度的α-Fe和非晶相间产生交互耦合作用，可降低合金的平均磁晶各向异性和磁致伸缩系数，使其表现出高Bs、低Hc和高导磁率等优异软磁性能。随后NANOPERM(Fe-M-B-Cu系，M＝Zr、Hf、Nb等)和HITPERM((Fe,Co)-M-B-Cu系，M＝Zr、Hf、Nb等)纳米晶软磁合金也相继被开发。这些纳米晶软磁合金显示出同Fe基非金合金相当的铁损和优异的综合软磁性能，甚至在高频下铁损还低于非金合金。但NANOPERM和HITPERMM因其含有大量的易氧化的Zr和Hf，不能在大气条件下生产，且不易加工，HITPERMM还含有高含量价格昂贵的Co等元素。这些不足使得NANOPERM和HITPERMM未得到大量应用，仅综合性能优良的FINEMET得到了工业化应用，但其过低的Bs(仅1.24T)也限制了应用范围。直到2007年，Ohta[MOhtaetal,ApplPhysLett,2007(91):2517]和Makino[AMakinoetal,MaterTrans,2009(50):204]相继报道了Bs可达1.7T以上的含量的Fe-Si-B-Cu系和NANOMET(Fe-Si-B-P-Cu系)纳米晶软磁合金。特别是NANOMET合金不仅具有高于1.80T的Bs值，还具有和FINEMET相当的低铁损以及低Hc、高导磁率、低磁致伸缩系数等优异的软磁性能，在工业化生产中有巨大的应用前景。然而，制备上述优异软磁性能的Fe-Si-B-Cu系和NANOMET纳米晶合金，需要对非晶合金在一定温度下进行高升温速率(≥170℃/min)、短时间(～10min)的热处理来实现，并且热处理温度范围很窄(≤20℃)。如果升温速率过慢，该合金会形成晶粒尺寸较大且分布不均的组织，使其软磁性能被破坏。Fe-Si-B-Cu及NANOMET合金所必需的高升温速率对热处理设备的要求很高，热处理时间短会也使合金样品受热不均匀，影响α-Fe相的均匀析出，热处理温度范围窄使得热处理工艺窗口小，这均不利于该类合金的大批量工业化生产。此外，NANOMET合金中含有P元素，而纯P元素或其合金在熔炼时极易挥发，并存在与熔炼坩埚反应的问题，这使得含P纳米晶合金的熔炼和制备工艺复杂，而且不能保证合金成分和磁性能的精确度和可靠性，不利于工业化生产。最近，常春涛等在CN201410415305.9专利中公开了一种铁基纳米晶软磁合金及其制备方法。该合金在具有较好软磁性能(Bs：1.65-1.79T)的同时，允许的热处理温度宽度有所提高(～100℃)，保温时间也可延长至90min。但该专利中并未公开该纳米晶合金可经低升温速率的热处理获得，且该合金中含有的P元素也提高了熔炼成本。结合目前铁基纳米晶软磁合金的研究现状，发展一种兼具优异的综合软磁性能(高Bs、低Hc和铁损)、良好生产工艺性能(可通过低升温速率的热处理实现纳米晶化、热处理温度范围宽、时间长，并且不含易挥发元素)和低成本(不含贵重金属元素、对生产设备要求低)的铁基纳米晶合金是当前纳米晶软磁合金材料研究及生产领域中亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有铁基纳米晶软磁合金的不足，本专利技术提供了一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金及其制备方法。该纳米晶软磁合金兼具高Bs(≥1.7T)、低铁损、低矫顽力、不含易挥发元素，并且可通过较低升温速率的普通热处理获得，制备工艺简单，具有很高的实用性。本专利技术采用的技术方案为：一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金，所述纳米晶软磁合金采用的合金成分化学式为FeaBbSicCudCeMfZg，其中M为元素Co或Ni中的至少一种，Z为元素Al、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta或Mo中的至少一种，a、b、c、d、e、f和g分别为各对应元素的原子百分比含量，并满足：80≤a+f≤84、10≤b≤15、0≤c≤6、1.6<d≤2.2、0≤e≤2、0≤f≤5和0≤g≤2。所述纳米晶软磁合金采用的合金成分化学式的优选方案为FeaBbSicCudCeMfZg，其中M为元素Co或Ni中的至少一种，Z为元素Al、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta或Mo中的至少一种，a、b、c、d、e、f和g分别为各对应元素的原子百分比含量，并满足：80≤a+f≤84、10≤b≤15、2≤c≤4、1.6≤d≤2、0≤e≤2、0≤f≤5和0≤g≤2。所述的一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金制备方法包含以下步骤：步骤一、采用质量百分比大于99％的所述合金成分进行称重配料；步骤二、配好的合金采用非自耗电弧炉在Ar气氛围下制备母合金锭，合金反复熔炼4遍，保证母合金锭成分均匀；步骤三、将母合金锭破碎后装入石英管中，采用单辊甩带工艺，以30m/s的速度甩带，制得宽度为2-3mm、厚度为20-25μm的非晶合金条带；步骤四、将非晶合金条带在保温温度为365-470℃、升温速率为20-30℃/min、保温时间为30-90min的条件下进行普通等温热处理后冷却至室温，获得晶粒尺寸小于50nm，饱和磁感应强度为1.71-1.80T、矫顽力为3.4-14.9A/m的纳米晶软磁合金。采用上述的技术方案，为使合金具有高的Bs，必须保证足够含量的磁性元素Fe，但过高的Fe含量会使合金的非晶形成能力降低，通过大量实验，本专利技术中确定Fe元素的原子百分比含量为80-84％；为进一步提高合金的Bs和非晶形成能力，Fe元素中可用原子百分比不超过5％的磁性元素Co或Ni代替；类金属B元素作为小原子，是形成Fe基非晶不可缺少的元素，过低的B含量不能形成非晶，过多的B则会引起Bs降低，本专利技术通过大量实验确定B的原子百分比含量为10-15％；Cu元素可作为α-Fe纳米晶析出的异质形核点，不可缺少，适当提高Cu元素的含量既有利于形成非晶过程中预存更多的α本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金，其特征在于，所述纳米晶软磁合金采用的合金成分化学式为FeaBbSicCudCeMfZg，其中M为元素Co或Ni中的至少一种，Z为元素Al、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta或Mo中的至少一种，a、b、c、d、e、f和g分别为各对应元素的原子百分比含量，并满足：80≤a+f≤84、10≤b≤15、0≤c≤6、1.6<d≤2.2、0≤e≤2、0≤f≤5和0≤g≤2。

【技术特征摘要】
1.一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金，其特征在于，所述纳米晶软磁合金采用的合金成分化学式为FeaBbSicCudCeMfZg，其中M为元素Co或Ni中的至少一种，Z为元素Al、Cr、Mn、Ti、Nb、Ta或Mo中的至少一种，a、b、c、d、e、f和g分别为各对应元素的原子百分比含量，并满足：80≤a+f≤84、10≤b≤15、0≤c≤6、1.6<d≤2.2、0≤e≤2、0≤f≤5和0≤g≤2。2.根据权利要求1所述的一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金，其特征在于，2≤c≤4、1.6≤d≤2。3.根据权利要求1所述的一种具有良好工艺性能、高饱和磁感应强度的纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，李艳辉，贾行杰，许永强，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21