一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用技术

一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用，所述铁基非晶软磁合金的典型成分为FexNbyNizSiaBbCucTbdLae，其中，x=60‑70at%，y=10‑15at%，z=3‑5at%，a=8‑12at%，b=3‑5 at%，c=0.5‑1at%，d=1‑2at%，e=0.5‑1 at%。本发明专利技术所述的铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用，配方设置合理，通过添加Tb、La稀土元素，可以增加纳米晶软磁合金的有序相之间的铁磁耦合交换作用，提高纳米晶软磁合金高磁感应强度和高频高磁导率，制备方法步骤简单，易于大规模推广和生产，可以应用于电源开关、配电变压器、电流互感器等磁性器件，应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用
本专利技术属于非晶纳米晶软磁合金
，具体涉及一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用。
技术介绍
非晶合金是通过传统材料采用特殊的工艺处理而得到的一种新兴合金材料；同传统的氧化物玻璃相比，该类合金主要以金属元素为主，彼此之间以金属键的方式相结合，因而具备许多金属方面的独特性质，加之特殊的原子排列结构，使其在各方面均呈现优异的性能，被广泛应用于各个领域。在众多的非晶合金中，Fe基非晶合金以其低廉的原材料、简单的制备工艺和优异的软磁性能成为了材料界中的研究热点。铁基非晶软磁合金正逐渐取代以硅钢二坡莫合金和铁氧体等传统晶态材料，作为变压器和电感器的理想材料。铁基非晶软磁合金逐渐演变为三大体系：Finemet类合金、Nanoperm类合金以及Hitperm类合金。对于非金属元素占比较大(约22at．％)的Finemet系合金，导致低Fe含量的饱和磁感应强度Bs较低(仅1.25T左右)，与高Bs的硅钢片(1．8T以上)较，存在一定的差距。同时，由于其含有贵金属Nb，也加大了材料的成本。Nanoperm类合金较好的解决了这一劣势，大幅提升了Bs。不足之处由于含有Zr等金属元素，一般需要在真空环境下进行，导致工艺复杂化；同样对于Hitperm系合金，合金的软磁性能得到改善，但是由于含有Co等元素，极大地增加了材料成本，应用领域受到限制。因此，本专利技术研发出一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用，具有高饱和磁感应强度，并且成本低，易于生产和大规模生产。中国专利申请号为CN201811347087.4公开了一种铁基非晶纳米晶软磁合金及其制备方法和应用，将铁、硅、硼源、铜、铌和镍进行熔炼后，得到合金锭；将合金锭破碎后清洗，然后进行甩带，得到非晶合金带；在真空或保护性气氛的条件下，将非晶合金带在430～450℃进行热处理后，得到铁基非晶纳米晶软磁合金，其饱和磁感应强度需要进一步提高和成本降低。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服以上不足，本专利技术的目的是提供一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用，配方设置合理，通过添加Tb、La稀土元素，可以增加纳米晶软磁合金的有序相之间的铁磁耦合交换作用，提高纳米晶软磁合金高磁感应强度和高频高磁导率，制备方法步骤简单，易于大规模推广和生产，可以应用于电源开关、配电变压器、电流互感器等磁性器件，应用前景广泛。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种铁基非晶软磁合金，所述铁基非晶软磁合金的典型成分为FexNbyNizSiaBbCucTbdLae，其中，x=60-70at%，y=10-15at%，z=3-5at%，a=8-12at%，b=3-5at%，c=0.5-1at%，d=1-2at%，e=0.5-1at%。本专利技术所述的铁基非晶软磁合金，配方设计合理，Fe、Ni作为金属磁性元素，是铁基非晶软磁合金磁性能的主要来源，含量占比大，饱和磁感应强度；Si、B作为类金属元素，可以提高铁基非晶软磁合金的非晶形成能力、增强热稳定性同时对于控制微观结构；Ni、Cu作为特定金属元素，难溶于铁基合金中，添加少量的Ni、Cu可以在热处理过程中为纳米晶的析出提供形核位点且有效的阻碍晶粒的过度长大，使得纳米晶颗粒的大小适当从而具有良好的软磁特性和力学性能；Tb、La作为稀土元素，可以增加纳米晶软磁合金的有序相之间的铁磁耦合交换作用，提高纳米晶软磁合金高磁感应强度和高频高磁导率。其中，Nb存在排斥和偏析等行为，为纳米晶的析出提供形核位点，从而阻碍α-Fe(Si)纳米晶粒的过度生长同时增大了晶化温度，提升了热稳定性以及稳固了非晶相；Ni能够提高合金的非晶形成能力，且能大大提高饱和磁感应强度；Si可以减小平均晶粒尺寸和拓宽合金热处理的温度区间以及抑制Fe-(B)等二次相的析出增加热稳定，B元素可以起到稳定非晶相和阻碍晶粒进一步生长的作用，从而更好地控制晶粒尺寸和非晶态的形态；通过添加少量的Cu元素，退火前期促使形成Cu原子团簇，对a-Fe纳米晶的析出提供有效成核点位；Tb、La元素具有较大的原子尺寸，且它们和小原子B、Si的负混合热都很大(例如，Tb-B为-36KJ/mol，Tb-Si为-57KJ/mol)，因为原子尺寸的差异和较大负混合热，引起了原子尺寸上连续的变化，同时产生了具有大的负混合热的新原子对，必然导致体系的堆垛结构更加紧密。从热力学观点来看，Tb对氧有很强的吸附性，从而抑制了在熔融过程中氧的不利影响，抑制了异质形核，可以提高非晶形成能力，增加纳米晶软磁合金的有序相之间的铁磁耦合交换作用。本专利技术还涉及所述铁基非晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤：（1）母合金成分配制：先用砂轮把Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料的表面氧化层打磨掉，按照上述配方对Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料进行准确称量，称量误差控制在±0.003%；（2）熔炼母合金：通过非自耗真空电弧熔炼炉，将上述原料熔炼成合金锭；（3）制备带材：上述合金锭破碎成合金块，经丙酮溶液清洗后装入石英管，采用感应线圈熔融石英管内的合金块，当石英管内的合金块熔融成液体后，采用单铜辊快淬急冷法，通过感应式急冷甩带机制备成铁基非晶合金带材；（4）热处理：将上述铁基非晶合金带材放置于真空管式炉的石英舟中，然后推入至真空管式炉的加热炉膛中间；对真空管式炉的炉腔进行抽真空，当真空度达到-0.1Mpa时关闭机械泵，同时开启通气阀通入N2气体，真空管式炉先以25-30℃升温速率由室温升至280-300℃，再以5-10℃升温速率升至430-480℃，保温处理10-20min；热处理完成后，非晶合金带材随着真空管式炉的炉腔一起冷却到室温后取出，得到铁基非晶软磁合金。进一步的，上述的铁基非晶软磁合金的制备方法，所述步骤（2）的熔炼母合金，具体包括如下步骤：（1）清洗：将上述配料好的Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料置于有丙酮/乙醇溶液内，经超声波清洗去除表面油污及其他有机物；（2）抽真空：将Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料依次放入坩埚内，其中密度大且熔点低放在坩埚上面；通过机械泵对非自耗真空电弧熔炼炉抽低真空至1.5×10-2Pa，随后利用扩散泵抽高真空至10-3Pa数量级，充入高纯氩气对非自耗真空电弧熔炼炉内洗气，接着继续抽真空，重复上述过程2—3次；（3）熔炼：先在非自耗真空电弧熔炼炉内熔炼钛锭吸收掉炉体内残存的氧气，再将坩埚内放置好的Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料依次熔炼成合金锭，每个合金锭反复熔炼4~6次以减少成分偏析。进一步的，上述的铁基非晶软磁合金的制备方法，所述步骤（2）的制备带材，具体包括如下步骤：（1）熔融：合金锭破碎成合金块，经丙酮溶液清洗后装入石英管，采用感应线圈熔融石英管内的合金块，当石英管内的合金块熔融成液体；（2）制备带材：开启感应式急冷甩带机的水冷铜辊，铜辊转速为100-120m/s，抽将石英管抽低真空至10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金的典型成分为FexNbyNizSiaBbCucTbdLae，其中，x=60-70at%，y=10-15at%，z=3-5at%，a=8-12at%，b=3-5at%，c=0.5-1at%，d=1-2at%，e=0.5-1 at%。/n

【技术特征摘要】
1.一种铁基非晶软磁合金，其特征在于，所述铁基非晶软磁合金的典型成分为FexNbyNizSiaBbCucTbdLae，其中，x=60-70at%，y=10-15at%，z=3-5at%，a=8-12at%，b=3-5at%，c=0.5-1at%，d=1-2at%，e=0.5-1at%。


2.根据权利要求1所述铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）母合金成分配制：先用砂轮把Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料的表面氧化层打磨掉，按照上述配方对Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料进行准确称量，称量误差控制在±0.003%；
（2）熔炼母合金：通过非自耗真空电弧熔炼炉，将上述原料熔炼成合金锭；
（3）制备带材：上述合金锭破碎成合金块，经丙酮溶液清洗后装入石英管，采用感应线圈熔融石英管内的合金块，当石英管内的合金块熔融成液体后，采用单铜辊快淬急冷法，通过感应式急冷甩带机制备成铁基非晶合金带材；
（4）热处理：将上述铁基非晶合金带材放置于真空管式炉的石英舟中，然后推入至真空管式炉的加热炉膛中间；对真空管式炉的炉腔进行抽真空，当真空度达到-0.1Mpa时关闭机械泵，同时开启通气阀通入N2气体，真空管式炉先以25-30℃升温速率由室温升至280-300℃，再以5-10℃升温速率升至430-480℃，保温处理10-20min；热处理完成后，非晶合金带材随着真空管式炉的炉腔一起冷却到室温后取出，得到铁基非晶软磁合金。


3.根据权利要求2所述铁基非晶软磁合金的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的熔炼母合金，具体包括如下步骤：
（1）清洗：将上述配料好的Fe、Nb、Ni、Si、FeB、Cu、Tb、La原料置于有丙酮/乙醇溶液内，经超声波清洗去除表面油污及其他有机物；
（2）抽真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：安石，
申请(专利权)人：江苏三环奥纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32