含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金制造技术

本发明专利技术是属于铁基非晶纳米晶合金材料的制备领域。特别适用具有纳米晶和非晶混合的组织结构并含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金材料。该非晶纳米晶合金材料的具体化学成分重量％为：Ｓｉ７－９％；Ｂ１．５－２．５％；Ｃｕ１－２％；其中Ｍｏ、Ｎｂ中的任意一种或两种元素与Ｃｏ之和为４－９％；稀土元素中的Ｃｅ含量为０．００１－０．５％；其余为Ｆｅ。本发明专利技术铁基非晶纳米晶合金材料与现有技术相比较，具有成分设计合理，制备处理工艺简单和产品综合性能好等特点。由于在本发明专利技术合金中含有稀土Ｃｅ等元素，解决了由于成分中的不合理因素所带来制备过程中难以克服的困难，并且细化了晶粒和增强了磁场退火的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是属于铁基非晶纳米晶合金材料的制备领域。特别适用具有纳米晶和非晶混合的组织结构并含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金材料。
技术介绍
在现有技术中，铁基非晶、纳米晶合金材料已经有十余年的发展历史。例如日本特许公开JP62-167852和美国专利4881989均公开了一种新型的铁基非晶、纳米晶的合金材料，该材料的化学成分表达式为(Fe1-aMa)100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzM′αM″βXγ在该材料的表达式中，M是Co和Ni的至少一种；M′是Nb，W，Ta，Zr，Hf，Ti和Mo的至少一种；M″是V，Cr，Mn，Al，铂族元素，Sc，Y，稀土元素，Au，Zn，Sn和Re的至少一种，X是C，Ge，P，Ga，Sb，In，Be，As的至少一种。并且0.1≤a≤0.5，0.1≤x≤3，0.1≤y≤30，0.1≤z≤25，5≤y+z≤30，0.1≤α≤30，β≤10，γ≤10。(合金的50％以上为尺寸小于100nm的细小晶粒)。上述铁基纳米晶合金材料的成形方法首先是在惰性气体气氛(如氩气)中冶炼所设定成分的母合金熔液，再利用快速凝固技术，使熔液通过一个狭长的缝隙，将熔液喷射到金属冷却介质上，形成非晶合金带材。然后将带材卷绕成铁芯，再在保护气氛中对铁芯进行退火处理，并形成纳米晶和非晶的混合组织。当采用上述铁基纳米晶合金材料在电力电子领域中应用时，经常是要求该铁芯材料应具有很高或很低的矩形比Br/Bs(剩余磁感应强度与饱和磁感应强度之比)。例如，当采用该铁基纳米晶材料用作开关电源的稳压磁放大器时，要求铁芯的矩形比要在0.9以上；当采用上述铁基纳米晶合金材料被用作单端开关电源变压器时，则要求铁芯的矩形比要低于0.1。一般来说，上述的非晶、纳米晶合金材料的制备，普遍是采用在磁场中进行退火处理后才有可能获得这种特殊的磁性能，这种退火也称为磁场热处理。我们在试验过程中发现到，当采用上述铁基纳米晶材料在已知的磁场热处理条件下进行处理，其结果是不能获得有足够高的或者足够低的矩形比的软磁铁芯。例如，在经过纵向磁场退火后，该纳米晶合金一般只能获得矩形比在0.8左右，其原因是该合金的成分决定了材料结构是很难得到0.9以上的矩形比性能。再有就是现有技术的制备方法，当上述铁基纳米晶材料是采用在空气环境中进行喷铸时，钢水熔液需要通过一条宽度只有0.2--0.8毫米的狭长缝隙被喷出，此时的钢水熔液与空气的接触面积很大。由于该类的现有技术材料中是含有Nb等元素，因此该合金材料是很容易被氧化和堵塞喷嘴，所以该材料的成分设定是不利于带材的制造和喷铸装置的维护。另外在中国专利96120255.6和03116279.7的文献中，还公开了一种是含有1％Zr或Y的铁基纳米晶合金，和另一种仅含有Zr的铁基纳米晶合金。该类铁基纳米晶合金虽然具有良好的韧性，但是，由于这两类材料中都含有较多的Zr或Y等极易被氧化的元素，所以这类铁基纳米晶的合金材料只能是在真空保护的环境中进行喷吹和制带的处理，其工艺难度大和限制了工业化大规模的生产及发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种具有成分设计合理，制备处理工艺简单和产品综合性能好并含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金。1、根据本专利技术的目的，我们所设计的铁基非晶、纳米晶合金材料，应具备有比现有技术中的纳米晶合金使用范围要宽和综合性能要好的特点，尤其是当采用不同的制备方法对该合金材料进行热处理时，其产品的使用性能均能达到设计者要求。例如对该铁基纳米晶合金采用纵磁场进行退火处理后，则产品应能达到比现有技术产品更高的矩形比。而该合金产品经过横向磁场进行退火处理后，还应具备达到比现有技术更低的矩形比。另外本专利技术的铁基纳米晶合金在大气环境中，还应具有良好的制备工艺和使用性能。根据上述要求，我们所设计含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金材料，其特征在于该合金材料的具体化学成分重量％为Si 7-9％；B1.5-2.5％；Cu 1-2％；其中Mo、Nb、Co元素之和为4-9％；稀土元素中的Ce含量为0.001-0.5％；其余为Fe。在本专利技术微量稀土元素的铁基纳米晶合金材料成分中的其他特征还在于包括有Mo、Nb元素中的任意一种或两种之和含量为4-7％。在本专利技术铁基纳米晶合金材料成分中的稀土元素还有Nd、Sm、La、Tb中的任意一种或一种以上之和为0.001-0.50％。根据本专利技术的目的，我们所提出的微量稀土的铁基纳米晶合金材料不但要满足产品的使用性能要术，而且还要适合铁基纳米晶合金在大气环境中的制备处理工艺。其原因在于该纳米晶合金材料，在使用前均需要进行必要磁场退火处理后而使铁芯产品达到必要的使用性能要求。既该合金材料为了要得到设计的使用要求矩形比产品，则纳米晶的材料铁芯就需要进行纵向或横向的磁场退火处理。在现有传统的技术中，该类铁基纳米晶合金因成分设计中的不足，其产品铁芯在磁场退火处理后的使用及性能效果均不理想。例如，为了制备磁放大器产品使用，当铁芯经过纵向磁场退火后，纳米晶合金的矩形比一般仅能达到在0.8左右，很难足使用要求。又如在制备单端脉冲变压器铁芯时，为了得到最大的功率密度和希望铁芯的磁感应强度增量ΔB越大越好时，也就是矩形比越小越好，所以该类纳米晶合金的铁芯必须进行横向磁场退火处理，但是该材料在经过横向磁场退火后的矩形比也很难满足使用要求，其原因是在该材料中的部分磁感应强度增量未能被利用而造成了实际上的材料功能的浪费。在本专利技术的微量稀土铁基纳米晶合金材料的成分设计中，我们在考虑到铁是本专利技术材料的基体重要组成元素，同时也是获得该功能材料的软磁特性所必备条件之一，因此在本专利技术材料中的Fe约占合金总量80％以上。另外，在本专利技术的材料成分中所添加的类金属Si和B元素，其原因在干获得该合金材料的非晶产品时，是利用现有技术中的快速凝固喷带方法所制备的，而在该材料中的Si和B又有改变本合金软磁特性的功能，所以Si和B均为本专利技术中必要元素之一，其含量限定为Si 7-9％；B 1.5-2.5％。Cu元素在本专利技术纳米晶合金中的作用是为了提高该合金在热处理时的晶化相形核率，但含量应该控制为1-2％范围内。钼、铌元素在专利技术纳米晶合金中的作用是阻止晶化相的晶粒长大，并有保持纳米晶组织稳定的特征，因此在本专利技术合金的成分中，Mo、Nb元素中的任意一种或两种元素之和应控制在4-7％范围内。另外在本专利技术成分中还采用Mo、Nb、Co三种元素之和的混料方式加入，其含量控制在4-9％范围内。在本专利技术的纳米晶合金成分中添加微量的稀土元素Ce和其他稀土元素，是可以改善该合金材料的加工性能，使本专利技术合金具有更加优良的工艺性能。在现有技术中，非晶纳米晶合金带材的批量生产一般均在大气中进行，在真空设备中或在保护气氛中喷制非晶纳米晶薄带，目前仅适用于在实验室或小规模的试验阶段期。尤其是对铁基的纳米晶合金在制备期间防止材料的氧化问题，其原因在于该合金成分中均含有易于氧化的Nb等元素。再有就是为了降低该材料的制备成本，由于在批量的生产中均采用纯度不高的原材料，由于在这些原材料中普遍含有较多的氧化物夹杂，而这些氧化物夹杂则明显降低钢水溶液的流动性而不利于制带，严重时常有堵塞喷吹薄带的喷嘴，造成喷制薄带的失败。为解决钢液的流动性而不提高熔融的温度，和防止其他元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有微量稀土元素的铁基纳米晶合金材料，其特征在于该合金材料的具体化学成分重量％为：Ｓｉ７－９％；Ｂ１．５－２．５％；Ｃｕ１－２％；其中Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｏ三种元素之和为４－９％；稀土元素中的Ｃｅ含量为０．００１－０．５％；其余为 Ｆｅ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国栋，刘宗滨，陈文智，
申请(专利权)人：安泰科技股份有限公司，钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]