一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯技术

本发明专利技术提供了一种全金属铁基纳米晶软磁合金，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的材料采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有Fe

【技术实现步骤摘要】
一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯


[0001]本专利技术涉及铁基纳米晶软磁合金材料
，具体地，涉及一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯。

技术介绍

[0002]随着电力系统和电子通讯器件向高频化、轻量化方向的发展，对其中所用的软磁材料的软磁性能指标要求越来越高。而铁基纳米晶合金恰恰具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低铁损和低矫顽力等优异软磁性能，且成本低和节能效果好等优点，被广泛应用于高频开关电源变压器、高中频大功率变压器、脉冲变压器、电子变压器、逆变式电焊机变压器及配电变压器等电力电子器件中，有利于促进产品节能环保、小型化、轻量化发展。
[0003]铁基纳米晶合金是由非晶合金经过热处理得到的非晶基体和纳米晶粒两相组成。自1988年，日本日立金属公司的Yoshizawa等人发现了Fe
‑
Si
‑
B
‑
Nb
‑
Cu纳米晶体系，由于其高磁导率、低矫顽力等优点而得到广泛的应用。同时在国内外也掀起了铁基纳米晶软磁合金的研究热潮。经过几十年的研究探索，目前的纳米晶软磁合金主要包括四个体系：FeSiBMCu(M＝Nb,Ta,W,Mo等)系Finemet合金，FeMB(Cu)系(M＝Zr,Hf,Nb等)Nanoperm合金，(Fe,Co)MBCu系(M＝Zr,Hf,Nb等)系Hitperm合金以及FeSiBPCu系Nanomet合金。其中，Finemet合金虽具有优异的软磁性能，但因Fe元素含量较低，其典型成分Fe
73.6
Nb3Si
13.5
B9Cu1的饱和磁感应强度仅为1.24，一定程度上限制了在向小型化发展的电力电子器件上的应用；Nanoperm系与Hitperm系合金虽具有较高的饱和磁感应强度且磁致伸缩系数趋近于零，但大量的易氧化贵金属Zr，Hf等元素存在，以及Hitperm系合金中含有大量的Co元素，导致合金生产成本提高，同时使得制备工艺复杂，因此难以得到推广应用。而高铁含量Fe
‑
Si
‑
B
‑
P
‑
Cu合金体系具有极高的饱和磁感应强度可达1.9T，具有广阔的应用前景。但是，苛刻的带材制备工艺要求以及复杂的快速升温热处理工艺条件限制了该合金体系的广泛应用。
[0004]此外，铁基纳米晶软磁合金最终是以带材绕制成环并经过热处理制备出铁芯的形式应用于电力电子器件中的。因此，在实际生产过程中，大批量的纳米晶铁芯热处理过程中会出现受热不均匀、纳米晶粒析出量少且不均匀的问题，导致饱和磁感应强度低和软磁性能差，生产出的纳米晶铁芯质量稳定性差，严重制约着铁基纳米晶软磁合金的推广应用，尤其是高铁含量的软磁合金的生产发展。所以，研究和开发一种具有优异的综合软磁性能、较高的热稳定性、较宽的最佳热处理温度、时间区间的铁基纳米晶软磁合金成为了市场和实际生产的研究重点和热点。
[0005]中国专利技术专利CN101796207A(日立金属株式会社)公开了一种非晶态合金薄带、纳米晶态软磁性合金和磁芯，属于FeSiBMCu纳米晶合金体系，该纳米晶合金具有高的磁导率和低的矫顽力。然而，该合金标准成分的饱和磁感应强度仅为1.6
‑
1.65T，有待进一步提高。且该专利技术的技术方案虽然通过成分的调整及热处理工艺的优化一定程度上改善了纳米晶合金的软磁性能，但是仍然存在着饱和磁感应强度低、高应用场下的磁导率较低和高温热稳定性差等缺点。中国专利技术专利CN112267057A公开了一种软磁高熵合金，采用全金属体系
制备具有软磁性能的全金属合金，但是其含铁量为10～30％，需要添加大比例的Ni、Co和Cu，从经济成本上考虑，极难大规模的推广应用。
[0006]综上所述，开发一种兼具高饱和磁感应强度、高温热稳定性、高场应用下的高磁导率的铁基纳米晶软磁合金材料对于促进新型绿色节能电力电子器件的开发和铁基纳米晶软磁合金的推广应用具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯，全金属铁基纳米晶软磁合金中不添加非金属元素，且具有高热稳定性高功率大容量型高频高磁感应强度，且兼具高饱和磁感应强度、高温热稳定性、高场应用下的高磁导率。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案，一种全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的材料采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有Fe
‑
Co
‑
M
‑
N
‑
Cu纳米合金体系，其中，M＝Zr、Hf、Nb；N＝Li、Be；其中Fe含量为85～90％。
[0009]一般认为，Fe作为磁性元素，是保证高饱和磁感应强度的关键，但较高的Fe含量会导致非晶形成能力的降低，因此现有技术中通常选用的Fe含量不高于85％。而本专利技术提供全金属铁基纳米晶软磁合金在保证非晶形成能力的基础上尽可能高的提高Fe含量，最高可达90％，远远高于现有技术的合金中的铁含量。同时，Zr和Be元素是提高合金非晶形成能力不可或缺的元素，而Cu元素为纳米晶形核提供异质形核点，是提高纳米晶析出量的重要元素。Be元素的加入可以显著提高合金带材的弯折韧性，这为后续合金带材的卷绕成型具有很重要的意义。对于软磁性能方面，Be元素的加入可以显著降低合金带材的磁致伸缩系数，优化合金的软磁性能。作为更优的技术方案，在上述合金体系中引入Co，Co作为铁族过渡元素，既可以提高合金元素之间的混合焓和原子错配比提高非晶形成能力，也可以抑制纳米晶粒的长大，同时FeCo元素之间的磁交互耦合作用可以起到提高合金的饱和磁感应强度改善软磁性能。因此，必须寻找到一个平衡区间使构成的合金元素能够同时起到增加非晶形成能力和优化软磁性能以及热处理区间和提高高频特性的效果。基于上述理论的分析，本专利技术对全金属高铁含量的纳米晶软磁合金成分进行了进一步的优选。
[0010]作为优选地实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的分子式为：Fe
a
Zr
b
Be
c
Co
d
Cu
e
；其中，a、b、c、d和e分别表示所述铁基纳米晶软磁合金中各合金元素的原子百分含量，且，满足以下条件：85≤a≤90；7b≤9；0c≤2；0d≤5；0.7≤e≤2；a+b+c+d+e＝100；更优选地，0.7≤e≤1。
[0011]作为优选的实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的原料的纯度≥99.9％。
[0012]作为优选的实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的结构为体心立方结构的а
‑
Fe(Co)纳米晶，并镶嵌在非晶基底上。更优选地，所述а
‑
Fe(Co)纳米晶的平均晶粒尺寸为10～12nm。
[0013]作为优选的实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合在580～620本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的材料采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有Fe
‑
Co
‑
M
‑
N
‑
Cu纳米合金体系，其中，M＝Zr、Hf、Nb；N＝Li、Be；所述Fe
‑
Co
‑
M
‑
N
‑
Cu体系中，Fe含量为85～90％。2.根据权利要求1所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的分子式为：Fe
a
Zr
b
Be
c
Co
d
Cu
e
；其中，a、b、c、d和e分别表示所述铁基纳米晶软磁合金中各合金元素的原子百分含量，且，满足以下条件：85≤a≤90；7b≤9；0c≤2；0d≤5；0.7≤e≤2；a+b+c+d+e＝100。3.如权利要求2所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的结构为体心立方结构的а
‑
Fe(Co)纳米晶，并镶嵌在非晶基底上。4.如权利要求3所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述а
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Fe(Co)纳米晶的平均晶粒尺寸为10～12nm。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金依次经过熔炼
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单辊急冷甩带工艺
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晶化热处...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢磊，朱政权，刘果明，庞军，常春涛，赵成亮，
申请(专利权)人：东莞市昱懋纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：