高饱和磁感应强度铁基非晶合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于磁性金属材料制备技术领域，公开了一种高饱和磁感应强度、高铁含量(或高铁磁元素含量)的铁基非晶合金及其制备方法。所述铁基非晶合金中Fe的原子百分数为81‑87。所述制备方法是根据铁基非晶合金化学表达式中合金成分进行配料，采用真空感应熔炼炉或电弧熔炼炉对配料反复熔炼制成母合金，然后将母合金或提纯后的合金再次熔化、快速冷却得到条带状非晶合金带材。所述铁基非晶合金既可以非晶合金材料应用，也可望利用其第一、第二晶化峰间距大的特点，采用纳米晶化退火工艺制备出具有α‑Fe相的铁基纳米晶软磁合金。本发明专利技术提出的铁基软磁非晶合金具有高的饱和磁感应强度、低的矫顽力和较好的综合软磁性能，具有很好的工业应用潜力。

Iron-based amorphous alloys with high saturation magnetic induction strength and their preparation methods

The invention belongs to the technical field of magnetic metal material preparation, and discloses an iron-based amorphous alloy with high saturation magnetic induction strength, high iron content (or high ferromagnetic element content) and a preparation method thereof. The atomic percentage of Fe in the Fe-based amorphous alloy is 81 87. The preparation method is based on the alloy composition in the chemical expression of the iron-based amorphous alloy, and the master alloy is repeatedly melted by vacuum induction smelting furnace or arc smelting furnace, then the master alloy or the purified alloy is melted again and rapidly cooled to obtain strip amorphous alloy strips. The Fe-based amorphous alloys can be used not only as amorphous alloy materials, but also as soft magnetic alloys with alpha-Fe phase can be prepared by nanocrystallization annealing process, taking advantage of the large spacing between the first and second crystallization peaks of the amorphous alloys. The iron-based soft magnetic amorphous alloy has high saturated magnetic induction strength, low coercivity and good comprehensive soft magnetic properties, and has good industrial application potential.

【技术实现步骤摘要】
高饱和磁感应强度铁基非晶合金及其制备方法
本专利技术属于磁性金属材料制备
，特别涉及一种高铁磁元素含量的高饱和磁感应强度铁基非晶合金及其制备方法。
技术介绍
相对于晶态合金来说，通过快速凝固方法制备出的非晶合金具有原子呈长程无序排列的结构特征，这种特殊的结构特征使其具有独特的力学性能、磁性能、耐腐蚀性能及电学性能等等。迄今为止，研究人员已成功研发和制备出多种不同体系的非晶合金，其中包括Pd-，Zr-，Mg-，Zn-，Al-，Co-，Fe-，Ln-，Cu-等非晶合金体系。在这些非晶合金体系中，铁基非晶合金相对于其它非晶合金体系来说资源丰富、价格低廉，同时具备高强度、高硬度、耐腐蚀、很好的软磁性能等特征，因而备受关注。铁基非晶软磁合金薄带已获得工业化规模应用，1K101非晶合金(Fe78B13Si9，美国牌号METGLAS2605SA1)已大量用于制造变压器铁芯，而晶化后获得的纳米晶合金(1K107合金，即Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1纳米晶合金，国际牌号Finement)也被大量用于制造互感器、共模电感铁芯等。并且，铁基非晶/纳米晶合金的应用领域还在不断扩大，应用前景广阔。铁基非晶软磁合金主要用来替代传统的硅钢软磁合金，制造各种铁芯。尽管其饱和磁感应强度Bs不是很高，如1K101的饱和磁感应强度约1.56T，小于硅钢软磁合金饱和磁感应强度(Bs＝1.8-2.1T)，但其具有矫顽力低、磁导率高、电阻高、铁损小等优点，同时非晶合金条带具有制备工艺流程短等特点。美国、日本、德国、中国等国家已将非晶合金条带大量用于制备变压器的铁芯和其它感应线圈铁芯等软磁材料铁芯。采用铁基非晶合金制备变压器铁芯因具有加工工艺简单、损耗低、体积小、效率高等优点而得到了大规模的推广应用。而软磁纳米晶合金可以替代钴基非晶合金、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获得了广泛应用，达到减小体积、降低成本等目的(姚可夫等，铁基软磁非晶/纳米晶合金研究进展及应用前景，《物理学报》2018，67,016101)。然而铁基非晶合金对制备条件的要求较为苛刻，冷却速度需达到约105K/s以上，常用单辊法甩带或双辊甩带法制备出厚度约20-40μm的合金薄带，厚度大的带材难以获得纯非晶合金材料。为了提高Fe基合金体系的非晶形成能力，需通过合金化方法添加提高非晶形成能力的元素(又称玻璃化元素或非晶化元素)，研究人员据此成功开发出了Fe-B、Fe-Si-B、Fe-P-C等一系列非晶合金材料。添加玻璃化形成元素虽然可以提高其玻璃化形成能力，但这些玻璃化形成元素对铁元素的替换导致合金体系的磁学性能劣化，特别是饱和磁感应强度Bs降低。而提高Fe元素含量又会降低合金的非晶形成能力，使得难以制备出非晶态合金。因而在相当长的时间内，研发和应用的绝大多数铁基非晶合金的Fe含量均低于81at.％。显然提高Fe含量，开发具有较高非晶形成能力、高饱和磁感应强度、优异综合软磁性能的新型铁基非晶合金具有重要意义和实用价值。最近几年，研究人员加大了高铁含量(Fe≥81at.％)铁基非晶合金的研发，并取得了一系列进展。如2006年，Ogawa等人专利技术了一种商品名为HB1的铁基非晶合金Fe81.7Si2B16C0.3和Fe82Si2B14C2，Bs分别达1.64T和1.67T(OgawaY，NaoeM，YoshizawaY，HasegawaR，2006JMagnetismandMagneticMaterials304e675)。研究发现，相比饱和磁感应强度为1.56T的1K101非晶合金，这种高Bs非晶合金在50Hz、1.4T工作磁感条件下的损耗值降低了15％。即具有更高Bs的HB1非晶合金在相同的工作条件下的损耗更低(MakinoA，KubotaT，ChangC，MakabeM，InoueA2007MaterialsTransactions483024)。这一研究结果引起国内外同行的高度重视。尽管在工业化中仍存在不少问题，但这表明在不添加Co等贵金属元素的条件下，仍可进一步提高铁基软磁非晶合金的饱和磁感应强度。2009年，Makino和门贺等人[30-31]开发出了Fe-Si-B-P-Cu体系(MakinoA，MenH，KubotaT，YubutaK，InoueA，2009MaterialsTransactions50204；2009IEEETransactionsonMagnetics454302)，该体系在实验室可在纳米晶化后具有高达约1.9T的饱和磁感应强度，可与硅钢相媲美，而且该合金具有高磁导率和较小的矫顽力，因此非常有吸引力。该铁基软磁非晶/纳米晶合金体系被注册为NANOMET，并申请了专利。最新的结果表明下列合金具有很好的软磁性能：Fe84-x-yCuxNbySi4B12、Fe84-xSi4B8P4Cux(FanX，MenH，MaA，ShenB2013JournalofMagnetismandMagneticMaterials32622)、Fe81Mo1P7.5C5.5B2Si3(LiuFJ，YaoKF，DingHY2011Intermetallics191674)、Fe82Si4B10P2Cu1Nb1(XiangZ，WangA，ZhaoC，MenH，WangX，ChangC，2015JournalofAlloysandCompounds6221000)、Fe85Si2B8P4Cu1(SharmaP，ZhangX，ZhangY，MakinoA2015ScriptaMaterialia953)、Fe84.3Si4B8P3Cu0.7(JafariS，BeitollahiA，YektaBE，OhkuboT，BudinskyV，MarsiliusM，HerzerG，HonoK，2016JournalofAlloysandCompounds674136)等等。但这些合金中除其它合金元素如Cu、Nb等金属元素外，多数合金为FeSiB、FeSiBP、FeSiBC、FePC等。即在多数铁基软磁非晶合金中，只含有3个元素或4个元素。含有FeBCSiP五个元素的合金或同时含有B、C、Si、P四个非金属元素的非晶合金较少(Fe81Mo1P7.5C5.5B2Si3，LiuFJ，YaoKF，DingHY2011Intermetallics191674)。在含有5个元素或四个非金属元素的少数研究工作中，一般含碳量较低，含Si较高，以提高非晶形成能力。并且在少数含有FeSiBPC五组元合金中，P元素的含量通常较高，一般P含量多大于3at.％，以提高非晶形成能力。5组元以上或4个非金属组元合金中，多个组元的交互作用十分复杂，要获得优异非晶形成能力和较好的软磁性能，需要开展深入理论分析和大量实验研究。专利技术人在长期理论和实验研究和的基础上，发现P元素添加虽然有利于降低矫顽力，但也会降低饱和磁感应强度，C和B在一定程度上有利于增加饱和磁感应强度。非晶合金中原子呈无序排列，其平均原子半径差与结构和非晶形成能力直接关联，研究发现在高铁含量非晶合金中饱和磁感应强度与平均原子半径差存在正相关性。此外，Si元素因与C、P、B有较大负混合热，因此会影响平均原子半径差，并影响合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高铁含量或高铁磁性元素含量的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的化学表达式为：Fe(a‑x)‑Co(x)‑B(b)‑C(c)‑Si(d)‑P(e)‑M(f)，其中a，b，c，d，e，f，x为各组元的原子百分数，取值范围为：81≤a≤87，0≤x≤20，7≤b≤13，1≤c≤4.5，0.2≤d≤5，0.5≤e≤3，0≤f≤2；且满足：13≤b+c+d+e≤19，a+b+c+d+e+f＝100；M为Ag、Bi、Cu、In、Mo、Ni、Sn、Zn、Y或稀土元素。

【技术特征摘要】
1.一种高铁含量或高铁磁性元素含量的铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的化学表达式为：Fe(a-x)-Co(x)-B(b)-C(c)-Si(d)-P(e)-M(f)，其中a，b，c，d，e，f，x为各组元的原子百分数，取值范围为：81≤a≤87，0≤x≤20，7≤b≤13，1≤c≤4.5，0.2≤d≤5，0.5≤e≤3，0≤f≤2；且满足：13≤b+c+d+e≤19，a+b+c+d+e+f＝100；M为Ag、Bi、Cu、In、Mo、Ni、Sn、Zn、Y或稀土元素。2.根据权利要求1所述铁基非晶合金，其特征在于，C元素含量不小于P元素含量，且P含量与C含量之比大于0.2at.％，小于等于1at.％；同时，C含量不小于Si含量；或者C+P含量不小于Si含量；B+C的含量大于等于9at.％、小于等于16at.％；铁、钴磁性元素含量总和不小于81at.％，Co含量不大于20at.％。3.根据权利要求1所述铁基非晶合金，其特征在于，含有元素M，M为Ag、Bi、Cu、In、Mo、Ni、Sn、Zn、Y元素或稀土元素中的一个元素或两个元素。4.根据权利要求1所述铁基非晶合金，其特征在于，含有小于20at.％的钴元素，81≤(Fe+Co的原子百分数)≤87。5.根据权利要求1-4任一项所述铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的表达式为：Fe(83)-B(b1)-C(c1)-Si(d1)-P(e1)-M(f1)，其中，8≤b1≤13，1≤c1≤4.5，0.2≤d1≤5，0.5≤e1≤3，0≤f1≤2；且满足：b1+c1+d1+e1+f1＝17。6.根据权利要求1-4任一项所述铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的表达式为：Fe(84)-B(b2)-C(c2)-Si(d2)-P(e2)-M(f2)，其中，7≤b2≤13，1≤c2≤4.5，0.2≤d2≤5，0.5≤e2≤3，0≤f2≤2；且满足：b2+c2+d2+e2+f2＝16。7.根据权利要求1-4任一项所述铁基非晶合金，其特征在于，所述铁基非晶合金的表达式为：Fe(85)-B(b3)-C(c3)-Si(d3)-P(e3)-M(f3)，其中，7≤b3≤13，1.0≤c3≤4.5，0.2≤d3≤5，0.5≤e3≤3，0≤f3≤2；且满足：b3+c3+d3+e3+f3＝15。8.根据权利要求1-4任一项所述铁基...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚可夫，施凌翔，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11