一种梯度结构非晶纳米晶软磁合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有梯度结构的高饱和磁感非晶纳米晶软磁合金，其原子百分比成分式为Fe

【技术实现步骤摘要】
一种梯度结构非晶纳米晶软磁合金及其制备方法
本专利技术涉及软磁材料
，具体涉及一种具有梯度结构的高饱和磁感非晶纳米晶软磁合金及其制备方法。
技术介绍
软磁材料主要用作发电机和电动机转子、变压器电感器和继电器的铁芯、磁屏蔽材料等，广泛地应用于电机工程、通讯设备和家用电器等领域。在当前节省能源和资源、保护环境及减少温室气体排放的新经济发展形式下，电力电子设备向着小型化、高频化、节能化方向发展，这就要求软磁材料具有高磁感应强度(Bs)、高磁导率、低矫顽力(Hc)和铁损等性能。当前用量最大的软磁材料是硅钢，虽然其Bs高达2.0T，生产工艺成熟且成本较低，但其较高的铁损每年依然浪费大量电力资源。因此，开发高性能软磁合金是材料研究工作者面临的重要课题。上世纪70年代，Duewz等发现Fe-P-C系合金可通过液态急冷法获得完全非晶态的结构，标志着铁基非晶软磁合金的发现。铁基非晶合金由于其均匀的微观结构，没有晶界和位错等缺陷，因此表现出优异的软磁性能，如低矫顽力和高磁导率等，其铁损仅为硅钢的1/5-1/3，并且具有优异的力学性能，如高强度、高硬度和良好的韧性，可对折180°而不断裂，因此具有十分广阔的应用前景。自发现以来，铁基非晶合金就作为新一代软磁材料引起科学工作者和产业界的关注，在基础理论研究和工业应用方面进行了大量的工作，现已作为高性能的软磁材料被应用，尤其是Fe-Si-B(典型成分Fe78Si9B13)系列合金经作为节能变压器的磁芯材料正在我国及全球推广使用，但其Bs较低(～1.56T)，不利于电力电子设备的小型化，同时也存在磁致伸缩系数较大，高频导磁率较低的问题，限制了其使用范围。1988年，Yoshizawa等报道了具有全新微观结构的Fe-Si-B-Nb-Cu系纳米晶软磁合金，并将其命名为FINEMET[JournalofAppliedPhysics,1988,64(10):6044-6046]，标志着软磁材料的发展进入了全新的阶段。随后材料研究工作者们又相继开发出具有类似结构的Fe-(Zr,Nb,Hf)-B、Fe-Co-(Zr,Nb,Hf)-B、Fe-Si-B-P-Cu和Fe-B-(Cu)等系列纳米晶合金，它们的微观结构均为由纳米尺度的α-Fe(α-(Fe,Si)或α-(Fe,Co)晶粒均匀分布于残余非晶相中的复相组织。当α-Fe晶粒尺寸小于铁磁交换长度时，晶粒之间强烈的交换耦合作用可显著降低磁晶各向异性，因此铁基纳米晶合金表现出比硅钢、铁基非晶合金、坡莫合金和铁氧体等传统软磁材料更为优异的综合磁性能，如高Bs、低磁致伸缩系数、低铁损和优异的高频磁导率等，但它们也存在着脆性较大等缺点，这使其在生产和服役过程中易发生脆断而导致器件失效。梯度功能材料是指一类组成结构和性能在材料厚度或长度方向连续或准连续变化的非均质复合材料，这种特殊的结构使该类材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化，进而兼具多种优异性能。针对铁基非晶合金和纳米晶合金的优势和不足之处，如果开发出具有梯度结构的铁基非晶纳米晶软磁合金，则可兼具两种合金的优异性能并克服其缺点，实现兼具高Bs、低铁损、低磁致伸缩系数、优异高频磁导率和较小的脆性。铁基非晶合金的主要制备方法为液态急冷法，而铁基纳米晶合金则需在非晶合金的基础上进行后续晶化热处理，使合金中形成α-Fe相并取得较大的晶化体积分数。由于热处理过程中非晶态前驱体可均匀受热，因此制得的铁基纳米晶合金，如Fe-Si-B-Nb-Cu、Fe-(Zr,Nb,Hf)-B、Fe-Co-(Zr,Nb,Hf)-B、Fe-Si-B-P-Cu和Fe-B-(Cu)等系列纳米晶合金的结构十分均匀，并不存在完全非晶态到纳米晶结构的梯度变化。事实上，在铁基非晶合金的制备过程中经常会发生α-Fe相析出的现象，但其往往仅发生在合金的表面，形成的α-Fe相体积分数很小，合金的Bs较低且会导致软磁性能下降，因此其通常是需要避免的情况。例如文献[ActaMaterialia96(2015)10-17]报道了Fe84.3Cu0.7Si4B8P3合金前驱体表面晶化会降低后续制得的纳米晶合金软磁性能的现象。文献[JournalofMagnetismandMagneticMaterials483(2019)158–163]则报道了抑制Fe84.75Si2B9P3C0.5Cu0.75合金的表面晶化可改善纳米晶合金的软磁性能的现象。在某些铁基合金体系中也可通过液态急冷法获得较大体积分数的α-Fe相。例如文献[JournalofAlloysandCompounds790(2019)524-528]报道了采用液态急冷法获得的Fe70+xNi12-xB14Si4(x＝0-10)系列纳米晶合金含有大量α-Fe相，并且表现出良好的韧性，但这些合金中α-Fe晶粒粗大，导致软磁性能较差，且合金的Bs仅为1.54T。文献[JournalofAppliedPhysics103(2008)07E722；MaterialsTransactions48(2007)2378-2380；JournalofAlloysandCompounds722(2017)859-863]报道了采用液态急冷法获得的Fe-Si-B-Cu系纳米晶合金含有大量细微α-Fe相，但这些α-Fe相的体积分数很小，通常不到10％，这导致合金的Bs较低。结合目前铁基纳米晶合金的发展现状，发展一种具有梯度结构的高饱和磁感非晶纳米晶软磁合金将具有十分重要的理论和产业化价值。
技术实现思路
针对现有非晶纳米晶软磁合金的不足，本专利技术提供了一种具有梯度结构的高饱和磁感非晶纳米晶软磁合金及其制备方法。本专利技术解决上述技术问题所提供的技术方案为：一种具有梯度结构的高饱和磁感非晶纳米晶软磁合金，其原子百分比成分式为FeaBbCcSidCue，其中78≤a≤85，4≤b≤10，1≤c≤8，2≤d≤10，1.3≤e≤2.2，且满足13≤b+c+d≤21，a+b+c+d+e＝100，所述合金由α-Fe相和非晶相的组成，且α-Fe相的尺寸和体积分数呈梯度变化。所述非晶纳米晶软磁合金由α-Fe相和非晶相组成，贴铜辊表面显微组织为完全非晶态，贴铜辊面浅表层(距离贴铜辊面表面1μm)至自由面表面则为α-Fe相分布于非晶相中的复合结构，其中贴铜辊面浅表层中α-Fe相的平均尺寸和体积分数分别为6-10nm和8-12％，非晶纳米晶软磁合金中心部位的分别为18-22nm和38-42％，自由面表面的分别为22-26nm和48-52％。对比现有的非晶纳米晶软磁合金，所述合金具有非晶纳米晶梯度结构，且含有的α-Fe相尺寸细微且体积分数较大，其平均尺寸和体积分数分别为14-20nm和30-42％，这使得合金具有优良的软磁性能，Bs和Hc分别为1.71-1.80T和11.4-19.6A/m，并且非晶和纳米晶的梯度结构使其脆性较小，相对断裂应变为3.5-4.9％。过高的Fe含量会降低合金的非晶形成能力，易使合金中形成α-Fe相尺寸粗大，合金软磁性能变差。过低的Fe会使合金的非晶形成能力过强，抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，原子百分比成分式为Fe

【技术特征摘要】
1.一种非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，原子百分比成分式为FeaBbCcSidCue，其中78≤a≤85，4≤b≤10，1≤c≤8，2≤d≤10，1.3≤e≤2.2，且满足13≤b+c+d≤21，a+b+c+d+e＝100，所述合金由α-Fe相和非晶相的组成，且α-Fe相的尺寸和体积分数呈梯度变化。


2.根据权利要求1所述的非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，非晶纳米晶软磁合金紧贴铜辊，其贴铜辊面表面的显微组织为完全非晶态，贴铜辊面浅表层至自由面表面均为含有α-Fe相，其中贴铜辊面浅表层中α-Fe相的平均尺寸和体积分数分别为6-10nm和8-12％，非晶纳米晶软磁合金中心部位的α-Fe相的平均尺寸和体积分数分别为18-22nm和38-42％，自由面表面的α-Fe相的平均尺寸和体积分数分别为22-26nm和48-52％。


3.根据权利要求1所述的非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，合金的饱和磁感应强度为1.71-1.80T，矫顽力为11.4-19.6A/m，相对断裂应变为3.5-4.9％。


4.根据权利要求1所述的非晶纳米晶软磁合金，其特征在于，所述的Fe元素的原子百分比含量为80≤a≤83。


5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾行杰，董亚强，贺爱娜，黎嘉威，
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