高性能鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法技術

本發明專利技術提供了一種高性能鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法，屬于功能材料中軟磁合金的制備領域。其特征在于該納米晶軟磁合金的化學成分可表示為FeaPbCcSidAleCrfCug，其中a、b、c、d、e、f為所對應組分的原子百分數，變化范圍：b=4~10，c=5~9，d=0~6，e=0.5~1，f=0.3~0.5，g=0-2，a=(100-b-c-d-e-f-g)。按照本發明專利技術的成分配比要求并利用旋淬法制備的軟磁非晶薄帶具有良好的非晶形成能力和退火工藝性能，特別在較寬的退火溫度區間內都能保持較低的矯頑力，本發明專利技術制得的納米晶軟磁合金因其相對廉價的成本和優異的軟磁性能優勢具有巨大的潛在應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于功能材料中軟磁合金的
，具體地講是涉及一種具有優異軟磁性能寬退火溫度區間的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法。
技術介紹
1988年Yoshizawa研制出了 FINEMET鐵基納米晶軟磁合金，從此掀開了軟磁合金的發展史上新的一頁。學術和工業界對這種具有優異軟磁性能的新型合金展開了廣泛而深入的研究，鐵基納米晶軟磁合金優異的軟磁性能歸因于非晶基體及基體上均勻分布納米晶粒這種特殊的雙相復合結構，納米晶粒通過晶粒間的非晶基體交換耦合作用有效地降低了 合金的磁晶各向異性能，與旋淬態的非晶帶材相比較，經過退火處理后，部分晶化的鐵基非晶/納米晶帶材軟磁性能有了極大的改善。自從鐵基納米晶軟磁合金問世以來，數十種合金體系已被開發出來，其中一些已經得到了很好的工業應用，展示出了傳統軟磁合金無法比擬的綜合軟磁性能，尤其表現在基于鐵基納米晶軟磁合金的器件損耗的降低和系統工作穩定性的提高。但是鐵基納米晶軟磁合金由于其生產成本較傳統的軟磁合金(如軟磁鐵氧體、硅鋼片等)高，非晶前驅體的連續生產穩定性不高，與此同時一些合金體系窄的退火溫度區間使非晶帶材在實際的批量生產過程中受退火設備的影響較大，次品率較高，而目前大的退火爐很難保證溫度場的均一性，爐腔內數十度的溫度差往往是不可回避的事實，許多中小型企業由于其生產設備較落后，技術資源不足，生產出的納米晶軟磁帶材質量穩定性較差，嚴重制約了具有鐵基軟磁納米晶合金推廣應用。然而，目前多數納米晶軟磁合金都含有硼元素，硼元素在實際的生產過程中是以硼鐵的形式加入的，較之鐵碳合金硼鐵價格要貴得多，如果能用在元素周期表中與硼近鄰元素碳代替硼，將大大降低鐵基非晶帶材的生產成本。從理論上講，碳比硼更有利于提高體系的非晶形成能力，因為根據日本材料科學家井上非晶制備三原則，具有較強非晶形成能力的體系必須具備以下三個特征1.含有三種或三種以上的元素；2.組成元素間的原子半徑差值要大；3.各組元之間要有負的混合焓。根據該非晶形成經驗判據，首先B的原子半徑為O. 095 nm,而C的原子半徑為O. 086 nm,僅從原子尺寸上看，C代替B可使組成元素的半徑差值更大，大的原子尺寸差可使原子排列堆積更加密集，阻止原子的擴散重排，進而阻止液體金屬冷卻過程中的成核結晶。再次,從電負性的角度來看，B和Fe的混合焓為-26kJ/mol，而C和Fe的混合焓為-50kJ/mol，由此可見C具有比B更強的與鐵結合力，這種較強的結合力更有利于形成穩定的化學短程結構，使合金體系在由液態冷卻的過程中更容易形成非晶。但是目前的主流鐵基軟磁帶材如(1K107)其退火溫度較高(535° C)，保溫時間較長(lh)，如果用C代替B，則會在退火時生成NbC和Fe3C,相反彌散分布的NbC和Fe3C相的析出將會釘扎磁疇從而惡化了其軟磁性能。因此要想成功開發出含碳的鐵基納米晶軟磁帶材，首先必須保證所研制的非晶體系具有退火時保溫溫度低、退火時間短這樣的特性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種成本較低的具有優異軟磁性能的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法。 本專利技術是通過以下技術方案實現的一種高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于該鐵基納米晶軟磁合金化學成分表示為FeaPbCeSidAleCrfCug,其中a、b、C、d、e、f為所對應組分的原子百分數，變化范圍b=4 10, c=5 9, d=0 6, e=0. 5 I, f=0. 3 O. 5, g=0_2, a= (100-b-c-d-e-f-g)。優選方案所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于b=6 8, c=5 7, d=3飛，e=0. 5 I, f=0. 3 O. 5, g=0. 5 I. 5, a= (100-b-c-d-e-f-g)。所述的高性能鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于包括以下過程步驟一、按照合金成分進行配料并熔煉成成分均勻的母合金；步驟二、將母合金加熱到熔融狀態，通過噴嘴噴射到銅輥上進行快速冷卻制備非晶薄帶;步驟三、將快淬得到的非晶薄帶在真空退火爐中退火，保溫溫度區間30(T40(TC，時間2 5min。本專利技術成分體系之所以能在較低的退火溫度和較短的保溫時間下得到均勻分布的納米晶粒在于本成分體系同時加入了 P和Cu，由熱力學可知Fe和Cu的混合焓Λ H是正的(13kJ/mol)，Ρ和Cu的混合焓Λ H是負的(-9kJ/mol)，這意味著Fe和Cu之間存在著斥力，P和Cu之間存在著引力。那么在旋淬的過程中會在非晶基體上均勻分布著富含P和Cu的微區，這些微區的周圍Fe含量較高成為退火時形成納米晶α -Fe的潛在核心，通過快速升溫短時間保溫的退火工藝可以使該非晶合金在較短和相對較低的溫度下晶化出均勻分布的納米晶粒。Si的加入在提高合金非晶形成能力的同時，還可有效地擴寬退火溫度區間，C的加入增加了合金的非晶形成能力，Al的加入除了提高非晶形成能力外，還可以在退火后在表面形成Al2O3保護層，降低了退火時的對真空度和保護氣氛的要求。Cr的加入可以在提高鐵基納米晶軟磁合金帶材的電極電位，提高其在使用過程中的抗腐蝕能力。且本體系制得的非晶帶材具有較好的非晶形成能力，優異的退火工藝性能，較寬的退火溫度區間可以保證該非晶合金帶材批量生產中退火時性能的穩定性本專利技術鐵基納米晶軟磁合金不含有貴重的Nb、W、Zr、B等元素，原料成本相對低廉，少量Al和Cr的加入提高了非晶帶材在制備和熱處理過程中的抗氧化能力及使用過程中的抗腐蝕性能。本合金體系具有較強的非晶形成能力，在退火過程中較寬的退火溫度區間可以大大降低退火后產品的次品率。同時本專利技術的實施例在熱處理過程中均采用隨爐升溫和隨爐降溫的熱處理工藝，沒有采用一般預研試驗保溫后快速冷卻的工藝，本退火工藝更接近生產實踐。最終結果表明在合適的退火工藝條件下，本合金成分體系的飽和磁感應強度Bs最高可達到I. 76Τ，矯頑力Hc最低可以達到O. 7 A/m，可獲得具有優異軟磁性能的鐵基納米晶帶材。因此，本專利技術合金更適合規模生產，可取代現有的硅鋼片和鐵基非晶、納米晶軟磁合金應用于電力電子變壓器、互感器等領域。附圖說明附圖I為本專利技術在最優成分區間制備的實施例1、2、3，即Fe8tlP7C5Si6Al1Cra5Cuc^Fe78.5P6C7Si6Al0.5Cr0.5CuL5, Fe8a7P8C6Si3Al1Cra3Cu1納米晶軟磁合金及作為對比例的工業上廣泛應用的FINEMET合金(Fe73.5Si13. ^9Nb3Cu1)的磁滯回線。縱坐標為磁感應強度B⑴，橫坐標為磁場強度H(kA/m)。為了清楚地得出各個實施的例的矯頑力H。，附圖I的插圖給出了各實施例在坐標原點附近的磁滯回線放大圖；附圖2為各實施例與對比例的軟磁性能對照表；具體實施例方式下面通過幾組實施例和一組對比例(FINEMT合金)的制備及性能檢測來對本專利技術作進一步的說明，但本專利技術并不僅僅限于這些實施例。在本專利技術鐵基納米晶軟磁合金的成分范圍內，我們制備了多組實施例，其中具有代表性的3組實施例及對比例成分配比見附圖2。實施例及對比例的制備工藝以及性能檢測方法如下(I)按圖 2 的成分配比稱取純度大于 99. 9% 的 Fe、P_Fe、C_Fe、B_Fe、Si-Fe、Cr-Fe、Cu、Al本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高性能鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于：該鐵基納米晶軟磁合金化學成分表示為FeaPbCcSidAleCrfCug，其中a、b、c、d、e、f為所對應組分的原子百分數，變化范圍：b=4~10，c=5~9，d=0~6，e=0.5~1，f=0.3~0.5，g=0?2，a=(100?b?c?d?e?f?g)。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王寅崗，陳夫剛，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：