一种复合材料磁芯及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种复合材料磁芯及其制备方法，通过调控合金组分以及各组分的含量，以及进一步的热处理工艺，得到了具有稳定的磁导率、优异的直流偏置能力、低矫顽力以及高饱和磁感应强度的复合材料磁芯。该材料晶粒尺寸在30nm以下，饱和磁感应强度为1.1‑1.5T，矫顽力低于6A/m，综合性能良好。本发明专利技术提供的方法制备工艺简单，成本低且不需要高的升温速率，热处理的温度范围和保温时间范围比较宽泛，容易实现工业化生产，具有良好的经济效益和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料磁芯及其制备方法
本专利技术涉及新材料领域，具体涉及一种复合材料磁芯及其制备方法。
技术介绍
随着现代电子、电力设备不断向节能化、小型化、轻薄化和高效化方向发展，人们对电磁转换器件中的磁芯材料的磁性能提出了更高的要求。软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料铁芯易于磁化，也易于退磁，作为电磁转换器件被广泛应用于电工和电子设备中。自上世纪以来，矽钢片材料因其较高的饱和磁感应强度，一直被广泛用来作为是磁芯材料。但是硅钢片材料的矫顽力较高，损耗较大，造成的能耗较高。因此，矽钢片一般只能应用在工频场合。在一些高频工作场合，会因为铁芯发热量过大导致性能下降，从而严重影响其使用性能。为了解决硅钢片在使用过程中过高的损耗问题，人们开发出了铁基非晶合金，该合金具有极低的损耗和较低的矫顽力、且磁导率和电阻率较高，现已作为高性能软磁材料被规模化应用于工频配电变压器铁芯。但是，铁基非晶合金还存在磁滞伸缩系数较大，中、高频磁导率较低、高温下结构及性能不稳定等问题，这些不足严重限制了它们的使用范围。例如CN103258612A公开了一种低导磁磁芯及其制造方法与用途，通过调控合金成分及含量，制备得到了具有低磁导率、高抗饱和性能的非晶合金。但该非晶态材料的磁芯磁致伸缩系数较高，制备时的退火温度较低，退火时间较短，导致去应力热处理不够充分，进而导致应力没有完全消除，影响了恒导磁的磁导率的线性度；另外，由于该磁芯的磁导率较低，矫顽力较高，铁芯损耗较大，不适用于中、高频的使用环境中。随着新兴电子产业发展，对软磁材料提出了更多更高的要求，例如光伏、风电、变频拖动等逆变电源的发展，对电磁兼容的关键元器件电感提出了具有高电感量、高抗饱和性能、优异的MHz级的频率特性等要求，因此在铁基非晶合金材料的基础上，铁基纳米晶合金应运而生。该合金经过快速凝固工艺会首先形成一种非晶态材料，该非晶态材料再经过晶化热处理后可获得纳米晶晶粒主相，同时还保留少量非晶残留相。铁基纳米晶材料具有较高的饱和磁感应强度、高初始磁导率和低矫顽力等综合磁性能，纳米晶材料制成的磁芯在高频、高磁感下具有很低的铁芯损耗，并且具有极小的磁致伸缩系数以及极强的感生各向异性常数Ku，在经过磁场处理后，得到不同剩余磁感应强度值的磁芯，可在不同频率条件下使用。纳米晶材料磁芯被广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈、电流互感器、漏电保护开关和共模电感以及无线电能传输系统中。但是，目前市场上应用于上述电子元器件中的纳米晶材料仍然存在着饱和磁感应强度较低，矫顽力较高，且热处理后脆性较大等问题，限制了其更广泛的应用。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种复合材料磁芯及其制备方法，通过对合金中的元素种类及配比进行设计与优化，并利用后续热处理工艺进行处理，得到了具有稳定的磁导率、优异的直流偏置能力、低矫顽力以及高饱和磁感应强度的复合材料磁芯，该材料晶粒尺寸小于30nm，饱和磁感应强度为1.1-1.5T，矫顽力小于6A/m，具有优异的综合软磁性能；且制备工艺简单，原料成本低，生产效率高，可进行规模化工业生产，具有良好的经济效益和应用前景。为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种复合材料磁芯，所述复合材料磁芯含有以下组分：Fe、Si、B、Nb、Cu以及A、D、E和M；其中，所述A为Co和/或Ni；所述D为C、P、Ge、As、Sn、Ga或Al中的任意一种或至少两种的组合；所述E为Mo、V、Cr、Ti、Zr、Hf、Ta或W中的任意一种或至少两种的组合；M为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合；按原子百分含量计，所述Fe和A的含量之和计为p，所述Si、B和D的含量之和计为x，所述Nb和E的含量之和计为y，所述Cu和M的含量之和计为z；各组分的含量满足以下关系：70％≤p≤80％；20％≤x≤24％，2.5％≤y≤3.2％；1.2％≤z≤2.0％；p+x+y+z＝100％。本专利技术为使合金具有高的饱和磁感应强度，必须保证足够含量的铁磁性元素(Fe、Co或Ni)，但是铁磁性元素含量过高时会使合金的非晶形成能力下降，过低时铁磁性能不足，因此本专利技术确定铁磁性元素含量在70％-80％。辅助形成非晶元素是形成铁基非晶不可缺少的，辅助形成非晶元素(B、C、P、Ge、As、Sn、Ga、Al等)含量如果过低则不能形成非晶态，含量过高则会降低软磁性能，此外，适量非金属元素(Si、C、P等)的加入还能够降低合金熔点，提高非晶形成能力，增大两个结晶温度的区间，有利于获得更加纯净的α-Fe相。因此本专利技术确定辅助形成非晶元素含量在20％-24％。助形核元素(Cu、Ag、Pt、Au等)作为α-Fe纳米晶析出的异质形核点是不可缺少的，适当提高助形核元素的含量有利于提高非晶形成过程中初始α-Fe晶核密度，在后续热处理过程中形成晶粒尺寸较小、分布均匀的纳米晶结构，进而提高合金的软磁性能；但是助形核元素的含量过高会降低合金的非晶形成能力，甚至不能形成非晶带材，因此本专利技术确定助形核元素的含量为1.2％-2.0％，优选为1.2-1.6％时综合性能最佳。适量抑制晶粒长大的元素(Mo、V、Cr、Ti、Zr、Hf、Ta、W等)的添加可以提高合金的非晶形成能力，并且有效抑制α-Fe纳米晶的长大，但是含量过高会降低合金的软磁性能且增加了原材料的成本，因此，抑制晶粒长大的元素含量为2.5％-3.2％。根据本专利技术，所述D为C、P、Ge、As、Sn、Ga或Al中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是C、P、Ge、As、Sn、Ga或Al中的任意一种，典型但非限定的组合为：C和P，Ge和As，Sn和Ga，C和Al，C、As和Sn，P、Ga和Al等，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述E为Mo、V、Cr、Ti、Zr、Hf、Ta或W中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是Mo、V、Cr、Ti、Zr、Hf、Ta或W中的任意一种，典型但非限定的组合为：Mo和V，Cr和Ti，Zr和Hf，Ta和W，Mo、V、和Ti，Zr、Hf和W，Mo、V、Cr和Zr等，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述M为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是Au、Pt或Ag中的任意一种，典型但非限定性的组合为：Au和Pt，Au和Ag，Pt和Ag，Au、Pt和Ag。根据本专利技术，所述Fe和A的含量之和p的范围为70-80％，例如可以是70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％或80％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述Si、B和D的含量之和x的范围为20-24％，例如可以是20％、20.5％、21％、21.5％、22％、22.5％、23％、23.5％或24％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举。根据本专利技术，所述Nb和E的含量之和y的范围为2.5-3.2％，例如可以是2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％、3％、3.1％或3.2％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料磁芯，其特征在于，所述复合材料磁芯含有以下组分：Fe、Si、B、Nb、Cu以及A、D、E和M；其中，所述A为Co和/或Ni；所述D为C、P、Ge、As、Sn、Ga或Al中的任意一种或至少两种的组合；所述E为Mo、V、Cr、Ti、Zr、Hf、Ta或W中的任意一种或至少两种的组合；M为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合；按原子百分含量计，所述Fe和A的含量之和计为p，所述Si、B和D的含量之和计为x，所述Nb和E的含量之和计为y，所述Cu和M的含量之和计为z；各组分的含量满足以下关系：70％≤p≤80％；20％≤x≤24％，2.5％≤y≤3.2％；1.2％≤z≤2.0％；p+x+y+z＝100％。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料磁芯，其特征在于，所述复合材料磁芯含有以下组分：Fe、Si、B、Nb、Cu以及A、D、E和M；其中，所述A为Co和/或Ni；所述D为C、P、Ge、As、Sn、Ga或Al中的任意一种或至少两种的组合；所述E为Mo、V、Cr、Ti、Zr、Hf、Ta或W中的任意一种或至少两种的组合；M为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合；按原子百分含量计，所述Fe和A的含量之和计为p，所述Si、B和D的含量之和计为x，所述Nb和E的含量之和计为y，所述Cu和M的含量之和计为z；各组分的含量满足以下关系：70％≤p≤80％；20％≤x≤24％，2.5％≤y≤3.2％；1.2％≤z≤2.0％；p+x+y+z＝100％。2.如权利要求1所述的复合材料磁芯，其特征在于，按原子百分含量计，所述各组分的含量满足以下关系：70％≤p≤78％；21％≤x≤23％；2.6％≤y≤3.0％；1.2％≤z≤1.8％；p+x+y+z＝100％。3.如权利要求1或2所述的复合材料磁芯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)按配方量对各合金组分进行配料，将原料置于真空中频感应熔炼炉中，在保护气氛下进行合金熔炼，熔炼完成后得到母合金；(2)将步骤(1)得到的母合金制备为带状合金；(3)将步骤(2)得到的带状合金卷绕成磁芯，然后进行热处理，得到复合材料磁芯。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述用于配料的各合金组分的纯度大于99.9％。5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述合金熔炼的时间为2-3h；优选地，步骤(1)所述的保护气氛为氩气。6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)采用单辊制带工艺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽强，罗益，谭俊贤，刘志勇，
申请(专利权)人：江门市汇鼎科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44