具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金及利用工业原料制备该合金的方法技术

本发明专利技术提供了一种具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金，合金表达式为：Fe

【技术实现步骤摘要】
具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金及利用工业原料制备该合金的方法
本专利技术属于磁性功能材料中的软磁合金领域，特别涉及一种具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金，以及利用工业原料制备该合金的方法，并且提出一种表面晶化抑制的方法。
技术介绍
非晶晶化法制备的纳米晶合金具有高饱和磁感(Bs)、高磁导率(μ)、低损耗(P)和低磁致伸缩系数(λ)等优异性能，应用于变压器和电机等器件上，可促进产品向节能、高效、小型化和安静化方向发展，对于能源传输和转换领域的发展具有重要意义。纳米晶软磁合金是由日立金属公司的Yoshizawa等人于1988年首先研制成功的，他们在FeSiB系非晶合金中加入少量Cu和M元素(M＝Nb、Mo、W、Ta等)，经过适当条件的热处理后，在非晶基体中析出平均晶粒尺寸约为10nm的α-Fe晶粒，形成由非晶基体和纳米晶粒复合的结构。由于其Fe含量低，带材生产工艺和设备要求基本与FeSiB系非晶合金相同，并且热处理过程中α-Fe晶粒的生长受到大原子半径M元素的抑制，热处理过程容易控制。因此，同年该纳米晶软磁合金就实现了产业化，合金牌号为Finemet。这类合金的突出优点是兼备了Fe基非晶合金的高饱和磁化强度和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，并且成本较低，因而可以替代钴基和铁镍基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，在高频电力电子和电子信息领域中广泛应用，达到减小体积、降低成本等目的。提高合金的饱和磁化强度，需要尽量增加合金内的Fe含量，相应地减少合金内部的非铁磁性元素，特别是大原子半径的金属非晶形成元素。但是，这些非铁磁性元素含量的减少会导致母合金非晶形成能力的下降以及晶粒的异常长大，从而造成纳米晶材料整体尺寸的减小、热处理工艺难以控制以及综合软磁性能的急剧恶化。因此，如何在具有高铁含量的同时得到高非晶形成能力和优异的工艺性，一直是目前纳米晶软磁材料研究中的重要课题。经过多年的深入研究，目前纳米晶软磁材料已经形成四个主要的合金体系，包括：Fe-Si-B-M-Cu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金、Fe-M-B系(M＝Zr、Hf、Nb等)系NANOPERM合金、(Fe,Co)-M-B(M＝Zr、Hf、Nb等)系HITPERM合金和近几年出现的不含大原子半径元素的具有高饱和磁感应强度的FeSiB(P,C)Cu系纳米晶合金。其中，NANOPERM合金的综合软磁性能不及FINEMET合金，同时还含有大量易氧化的贵金属元素，成本高昂且制备工艺复杂，不适宜推广应用；而在NANOPERM的基础上专利技术的HITPERM合金系，虽然具有居里温度高的优点，但由于添加了元素Co导致综合软磁性能下降、成本大幅增高，仅适合在军工等高温特殊环境应用。相比而言，FINEMET合金和高饱和磁感应强度纳米晶合金的综合性能最好，并且磁性能突出。与FINEMET合金稳定的性能和成熟的工艺不同，高饱和磁感应强度纳米晶合金还存在一系列问题，需要开展大量的研究。高Fe含量(≥80at.％)且不含大原子半径元素的纳米晶合金出现的时间不长，但其广泛的应用前景迅速吸引了全世界范围的关注和研究，目前的代表性工作如下：2007年，日立金属公司在中国专利CN101906582A和日本专利JP2005-2704322005.09.16P中公开了高Fe含量FeBCu系和FeSiBCu系纳米晶合金，并在学术论文(JapaneseJournalofAppliedPhysicsPart2-Letters&ExpressLetters,2007,46(20-24):L477-L479；MaterialsTransactions,2007,48:2378-2380；AppliedPhysicsLetters,2007,91(6):062517-062513.)中报道了此开创性工作。这两个合金体系成分简单，而且所用的Fe、Si、B和Cu元素都是现有非晶和纳米晶合金工业生产常用的元素，熔炼工艺性好。上述专利中FeBCu系的最佳铜含量在1.5at.％，FeSiBCu系的最佳铜含量在1.35at.％，高的Cu含量可以使淬态带材中形成高密度的初晶相，从而起到形核点的作用，在晶化过程中竞争抑制晶粒长大，但使得这两个合金体系的非晶形成能力都处于临界值，这为后续的应用带来了一系列问题。他们后续的报道(AppliedPhysicsExpress,2009,2(2):23005-23005)和我们的实验都证实，该合金的热处理对于升温速度的要求极高，只有在180℃每分钟的快速升温速度下，该合金才能获得最佳的软磁性能，常规热处理(18℃每分钟)样品的性能明显恶化。此外，该合金的性能还严重依赖于淬态带材中初晶相的形态(IeeeTransactionsonMagnetics,2010,46(2):203-206)，只有形成高密度的初晶相才能获得优异的磁性能(JapaneseJournalofAppliedPhysicsPart2-Letters&ExpressLetters,2007,46(20-24):L477-L479)。然而，在快淬制带过程中控制初晶相的形态是极其困难的，而且单辊制带不可避免的冷却速度梯度也会导致带材横截面方向的初晶相结构不均匀，这样苛刻的制带和热处理工艺条件显然无法满足规模化生产的要求。日本东北大学在专利CN102741437A中公布了一种FeSiBPCu系纳米晶合金，该合金同样具有高饱和磁感的优点，其典型有效成分Fe83.3-84.3Si4B8P3-4Cu0.7的饱和磁感应强度达到1.8T以上。该合金中P的引入可以起到抑制大尺寸初晶相析出的作用，并在纳米晶化过程中细化晶粒。然而该合金的规模化生产依然存在三个关键问题：1)由于为了借助P对晶粒细化的作用，设计时采用了高P含量，使该合金对杂质极其敏感，现有熔炼工艺下无法采用工业原料制备。2)P的大量添加使该合金的抗氧化性和耐腐蚀性明显降低。3)该合金热处理条件要求严苛，同样未能克服热处理过程中高升温速度的要求(ScriptaMaterialia，2015，95(0):3-6)。中科院宁波材料所在专利CN101834046A中公布了一种成分接近的FeSiBPCu纳米晶合金，该合金的典型成分Fe82.7Si3.95B8.4P4.3Cu0.65的热稳定性差，热处理时间极短，显然不符合产业化要求，同时该合金也一样未能克服工业原料的问题。南京航空航天大学在专利CN200910184483.4中公布了一种高Si含量的FeSiBPCu纳米晶合金，该合金的类金属元素含量设计不合理，非晶形成能力低，常规的制带工艺难以制备完全非晶的合金带材。日本东北大学在后续的工作中为了拓展合金体系，加入了1at.％原子的C元素，使得合金(Fe85.2Si0.5B9.5P4Cu0.8)99C1的非晶形成能力有所提高(JournalofMagnetismandMagneticMaterials，2016，401:479-483)，但是依然无法克服表面晶化的问题。安泰科技公司在专利CN201010034512.1中公布了一种FeTaBbCucCdMe纳米晶合金，其中，T为Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金，其特征在于，所述铁基纳米晶合金的组成分子式为Fe

【技术特征摘要】
1.一种具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金，其特征在于，所述铁基纳米晶合金的组成分子式为FeaBbSicPdCeCufMg，其中M为原材料中的杂质或不明显改变合金性质的微量添加元素，a、b、c、d、e、f和g分别表示各对应组元的原子百分含量，a+b+c+d+e+f+g＝100，并且82.1≤a≤85.2，8≤b≤13，1.5≤c≤4.5，1≤d≤2.9，0.3≤e≤1，0.5≤f≤0.95，g≤0.2。2.如权利要求1所述的具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金，其特征在于，其磁感应强度≥1.79T，矫顽力≤7A/m；作为优选，其磁感应强度≥1.81T；作为优选，矫顽力≤5A/m；作为优选，矫顽力≤2.5A/m。3.利用工业原料制备如权利要求1或2所述的具有高磁感应强度高杂质兼容性的铁基纳米晶合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)使用市场上常用的工业原料或中间合金，按合金组成原子百分比配料；(2)将步骤(1)配比好的原料放入感应熔炼炉熔炼，得到熔融合金液；(3)利用熔体急冷法将合金液制成非晶结构的带材；(4)将步骤(3)制得的非晶结构的带材进行热处理，得到铁基纳米晶合金带材。4.如权利要求3所述的利用工业原料制备具有高磁感应强度高杂质兼容性的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王安定，常春涛，刘锦川，刘涛，王新敏，岳士强，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33