一種鐵基納米晶軟磁合金及制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種鐵基納米晶軟磁合金，屬于軟磁合金【技術領域】。其特征在于該納米晶軟磁合金的化學式為：FeaSibBcCudTeREf，T為Ti、V、Mn、Cr、Mo、Nb、Zr、W中的至少一種，RE為La、Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er中的一種或兩種。其中a、b、c、d、e、f為所對應組分的原子百分數：b=12~16，c=4~7，d=0.5~1，e=1~4，f=0.5~2，a=(100-b-c-d-e-f-g)。本發明提供的鐵基納米晶軟磁合金具有接近零的飽和磁滯伸縮系數，高的磁導率和飽和磁感應強度，可代替鈷基非晶合金應用于精密電子元器件磁芯制造領域。
【專利說明】一種鐵基納米晶軟磁合金及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于軟磁合金的【技術領域】，具體地講是涉及一種鐵基納米晶軟磁合金及制備方法。
【背景技術】
[0002]科技進步對電力電子設備微型化、智能化及系統穩定性的要求不斷提高。在高【技術領域】，特別是航空航天、雷達及軍工電源等領域，對精密電子元器件的品質如抗電磁干擾能力、應力敏感性、使用壽命等指標提出了更高的要求。作為電子元器件產業的技術制高點——精密電子元器件產業，其生產技術水平代表著一個國家在電子元件制造業的技術高度。作為一些電子元器件的核心部件一磁芯，其質量水平關乎電子元器件的制造水平。目前，鈷基非晶薄帶因其優良的軟磁性能(如低矯頑力、高磁導率、低損耗及低應力敏感性)被作為精密電子元器件的磁芯材料的首選。然而，由于鈷基非晶薄帶高昂的制造成本，其制造的磁芯僅限于軍工電源等特殊領域電子元器件的應用，而在民用領域的應用非常難以推廣。同時，由于鈷基非晶合金薄帶的飽和磁感應強度低(如1K202J Bs:0.55T)，已無法滿足電子元件系統微型化的發展要求。近年來，鐵基納米晶軟磁合金得到了國內外的廣泛研究，并已被廣泛應用于制作微型電子變壓器、互感器、電抗器等鐵芯，取得了良好的經濟效益和社會效益。特別是近幾年國內外研究者對高飽和磁感應強度鐵基納米晶軟磁合金薄帶的研究取得了豐碩的成果，如日本東北大學井上課題組研制出的低成本Fe-S1-B-P-Cu納米晶軟磁合金帶材[J.Appl.Phy.46 (2007) 477]，飽和磁感應強度大于1.7 T。高飽和磁感應強度的鐵基納米晶軟磁薄帶的出現為電子元器件的微型化提供了材料基礎。但鐵基納米晶薄帶的軟磁性能較鈷基非晶合金薄帶差，特別是飽和磁滯伸縮系數較大(>10_6)。降低磁滯伸縮系數可以有效地降低軟磁材料的磁彈性各向異性能[Acta.Mater.53(2005)2937]，這對于提高軟磁材料的磁導率、高頻使用性能、降低損耗有著十分重要的意義。與此同時，對于非晶/納米晶軟磁合金薄帶制備的軟磁磁芯，由于薄帶的厚度較小(20-30 μ m)，疊片系數較傳統的軟磁材料(如硅鋼片)低，降低磁滯伸縮系數可有效降低器件工作噪聲，提高器件的工作穩定性和使用壽命，特別是在苛刻環境(如振動、電磁干擾等)條件下的穩定性。這也是目前具有零磁滯伸縮的鈷基非晶合金薄帶作為精密軍工電子元器件首選軟磁材料的主要原因之一。因此，鐵基納米晶軟磁合金能否成功代替鈷基非晶合金在精密電子元器件中的應用，關鍵在于降低目前鐵基納米晶軟磁合金的飽和磁滯伸縮系數。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在于提供一種低飽和磁滯伸縮系數、高飽和磁感應強度的鐵基納米晶軟磁合金及制備方法。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于該鐵基納米晶軟磁合金的化學式為FeaSibBcCudTeREf ;所述的 T 為 T1、V、Mn、Cr、Mo、Nb、Zr 和 W 中的至少一種;所述的 RE 為 La、Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho 和 Er 中的任意一種或任意兩種；所述的 a、b、C、d、e、f為原子百分數，b=12~16, c=4~7, d=0.5~I, e=l~4, f=0.5~2, a= (100-b-c-d-e-f)。
[0005]所述的一種鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟:步驟1、按照合金成分進行配料；步驟2、將步驟I中配好的原料熔煉成均勻的合金，將熔煉好的母合金破碎，清洗干凈，然后放入石英玻璃管中，將裝有母合金的石英玻璃管固定于輥輪上方，抽真空，充入氬氣，將母合金感應加熱到熔融狀態，通過噴嘴噴射到旋轉的銅輥上，得到非晶薄帶；步驟3、將非晶薄帶在真空退火爐中晶化退火，保溫溫度40(T47(TC，時間40~60mino
[0006]有益效果:
1)本發明成分體系之所以具有高的飽和磁感應強度，是因為較目前廣泛應用的鐵基納米晶軟磁合金lkl07 (Fe73.5Si13.5B9Nb3CUl)，本發明合金體系具有高的Fe含量。
[0007]2)過渡族金屬元素和稀土元素的聯合加入有效拓寬了該體系非晶合金的晶化退火溫度范圍。
[0008]3)該合金體系硼含量較低，在退火時硬磁硼化物析出的傾向小，同時該合金成分中硅含量較高，在退火過程中晶化析出的高Si的C1-Fe(Si)相具有較大的負的飽和磁滯伸縮系數(如 a-Fe8tlSi2tl 飽和磁滯伸縮系數-6 X 1(T6) [Handbook.Magne.Mater.(1997)444]，可以有效地降低非晶基體正的磁滯伸縮系數對軟磁性能不利影響。
[0009]4)本發明所制備的非晶合金薄帶可以在較寬松退火溫度區間內進行晶化處理而不出現硬磁Fe-B相,大尺寸的稀土元素和過渡族金屬元素在晶化相a-Fe(Si)晶粒周圍形成具有一定濃度梯度的梯度層，可有效阻止晶粒在退火過程中的過分長大。晶化退火后的納米晶合金可以在具有大的晶化體積分數的條件下，晶粒尺寸仍不超過合金的鐵磁交換長度。
[0010]5)本發明的合金成分特點使我們可以通過控制晶化相體積分數來降低合金的飽和磁滯伸縮系數，從而提高合金的綜合軟磁性能。
[0011]6)本發明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。同時，寬松的退火溫度區間范圍保證了合金在工業化大批量生產制造過程中的產品質量穩定性，降低了對退火設備的技術要求。因此，本發明更接近生產實踐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1 為本發明實施例(1、7、8)，即 Fem5Si12B4Cu1V2Ce1^ Fe8tlSi12B4Cu1Va5Cr1Cea5Dy^Fe76.5Si15B5Cu0.5CrL5TiJb0.5及作為對比例的鐵基納米晶軟磁合金1K107和鈷基非晶合金1K202J磁滯回線。縱坐標為磁感應強度B(T)，橫坐標為磁場強度H(kA/m)。為了清楚地得出各個實施例的矯頑力H。，圖1的插圖給出了各實施例及對比例在坐標原點附近的磁滯回線局部放大圖；
圖2為各實施例與對比例的軟磁性能對照圖。
【具體實施方式】
[0013]下面通過幾組具有代表性的實施例和兩組對比例(對比例I 1K107鐵基納米晶合金，對比例2 1K202J鈷基非晶合金)的制備及性能檢測來對本發明作進一步的說明，但本發明并不僅僅局限于這些實施例。
[0014]實施例1
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe7a5Si12B4Cu1V2Ceh5 ；
1)根據各合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、V、Ce ；
2)將步驟I中配制好的原料放入電弧爐中，抽真空至5X10_3Pa以下，先將吸氧Ti塊融化耗盡殘留腔內的氧氣，然后反復將各個試樣熔煉4飛遍，并在熔煉的過程中施加電磁攪拌，保證組分分布均勻。然后，將熔煉好的母合金破碎，用蒸餾水、酒精清洗干凈，然后放入石英玻璃管中，將裝有母合金的石英玻璃管固定在輥輪上方，抽真空至6X10_3Pa以下，充入氬氣。將母合金感應加熱到高溫熔融狀態，通過噴嘴噴射到旋轉的銅輥上進行快速冷卻，得到非晶薄帶；銅輥表面線速度為40m/s。
[0015]3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為400°C，保溫時間60min。
[0016]實施例2
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fea5Si16B4Cuci5Mn1Gd1 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、Mn、Gd ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為450°C，保溫時間50min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0017]實施例3
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe76Si13B7Cua5CiY5Tb2 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、Cr、Tb ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為400°C，保溫時間50min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0018]實施例4
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe78Si12B4Cu1Ti4Dy1 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe、S1-Fe、Cu、T1、Dy ;
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為470°C，保溫時間40min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0019]實施例5
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe76Si14B5Cu1V1Mn2Ce1 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、V、Mn、Ce ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為460°C，保溫時間60min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0020]實施例6
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe77Si115B4Cua5V3Gda5Dyh5 ；1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe、S1-Fe、Cu、V、Gd、Dy ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為430°C，保溫時間60min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0021]實施例7
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe8ciSi12B4Cu1Va5Cr1Cea5Dy1 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、V、Cr、Ce、Dy ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為400°C，保溫時間40min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0022]實施例8
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式為Fe7a5Si15B5Cua5CiY5Ti1Tba5 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、Cr、T1、Tb ;
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為430°C，保溫時間55min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0023]實施例9
本實施例中，鐵基納米晶軟磁合金的化學式Fe75.5Si14.A 5Cu0.^n2Cr1Gd1Tb1 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、Mn、Cr、Gd、Tb ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為470°C，保溫時間45min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0024]對比例I
本對比例鐵基納米晶軟磁合金1K107的化學式Fe73.5Si13.^9Nb3Cu1 ；
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Fe、B-Fe, S1-Fe, Cu、Nb ；
2)同實施例1步驟2;
3)非晶晶化退火法制備納米晶軟磁合金:將快淬所得的非晶薄帶在真空退火爐中Ar氣保護下進行晶化退火，退火溫度為530°C，保溫時間60min，保溫結束后隨爐冷卻至室溫。
[0025]對比例2
本對比例鈷基非晶軟磁合金1K202J的化學式Co66Fe4Si13B14Nb3
1)根據合金成分配比要求稱取純度大于99.9%的Co、Fe、B-Fe, S1-Fe、Nb ；
2)同實施例1步驟2;
采用軟磁直流測量設備測試非晶、納米晶軟磁合金的飽和磁感應強度Bs和矯頑力H。，采用阻抗分析儀測量納米晶軟磁合金的磁導率Ui，飽和磁滯伸縮系數λ3用小角度轉動法測量(SAMR)，納米晶軟磁合金的損耗P采用交流B-H回線儀測量。各實施例及對比例Bs、Hc, μ ρ λ3、Ρ 見圖 2。
[0026]從圖2可以看出 :本發明鐵基納米晶軟磁合金與目前工業上廣泛應用的鐵基納米金軟磁合金1Κ107相比，有更高的飽和磁感應強度，且飽和磁滯伸縮系數遠小于1Κ107。與鈷基非晶合金相比，本發明合金飽和磁滯伸縮系數與鈷基非晶合金1K202J在同一數量級(10_7)，數值已基本接近。但是，本發明合金的飽和磁感應強度接近鈷基非晶合金的3倍，同時，矯頑力遠小于鈷基非晶合金，部分實施例的高頻損耗Ρα5Τ/2ΜΖ也低于鈷基非晶合金1K202J在相同應用條件下的損耗值。
[0027]測試結果表明，在合適的退火工藝條件下，本合金成分體系非晶前驅體具有較強的非晶形成能力，退火后飽和磁滯伸縮系數入5最低可達3乂10_7，已接近一般鈷基非晶合金的技術水平，飽和磁感應強度Bs最高可達到1.65 Τ，矯頑力H。最低可以達到0.4 A/m,初始磁導率H最高可達90000，在0.5T、20kHZ應用條件下損耗P低達25w/kg。因此，本發明合金具有低的應力敏感性和優異的綜合軟磁性能，可代替鈷基非晶合金用于高頻電源開關、磁屏蔽、傳感器等精密電子元器件磁芯的制造。
[0028]由此可見，本發明鐵基納米晶軟磁合金較鈷基非晶合金有更加優異的綜合軟磁性能，且本發明合金原料成本遠低于鈷基非晶合金。因此，本發明能為電子元器件微型化、智能化的發展提供有力的材料支撐，本發明產品的問世將打破長期以來鈷基非晶合金在精密電子器件磁芯制造領域的“壟斷”地位。
【權利要求】
1.一種鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于該鐵基納米晶軟磁合金的化學式為FeaSibBcCudTeREf ； 所述的T為T1、V、Mn、Cr、Mo、Nb、Zr和W中的至少一種； 所述的RE為La、Y、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho和Er中的任意一種或任意兩種； 所述的 a、b、C、d、e、f 為原子百分數，b=12~16, c=4~7, d=0.5~I, e=l~4, f=0.5~2,a= (100-b-c-d-e-f)。
2.根據權利I要求所述的一種鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于所述的T首選V、Mn、Cr 和 Ti。
3.根據權利I要求所述的一種鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于所述的RE首選Ce、Gd, Tb 和 Dy。
4.根據權利要求1所述的一種鐵基納米晶軟磁合金，其特征成分為Fe79.SSi12B4Cu1V2Ce1.5> Fe7I5Si16B4Cua5Mn1Gdp Fe76Si13B7Cu0.5CrL 5Tb2、Fe78Si12B4Cu1Ti4Dy1'Fe76Si14B5Cu1V1Mn2Ce1^ Fe77Si 13.5B4CuQ.5V3GdQ.5Dy!.5、Fe80Si ^B4Cu1V0.SCr1Ce0.SDy1 >Fe76.5Si15B5Cu0.5CrL 5TiJb0.5、Fe75.5Si14.5B4.5Cu0.^n2Cr1Gd1Tb1 中的任意一種。
5.根據權利要求1所述的一種鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1、按照合金成分進行配料； 步驟2、將步驟I中配好的原料熔煉成均勻的合金，將熔煉好的母合金破碎，清洗干凈，然后放入石英玻璃管中，將裝有母合金的石英玻璃管固定于輥輪上方，抽真空，充入氬氣，將母合金感應加熱到熔融狀態，通過噴嘴噴射到旋轉的銅輥上，得到非晶薄帶； 步驟3、將非晶薄帶在真空退火爐中晶化退火,保溫溫度40(T470°C,時間40~60min。
【文檔編號】C22C38/34GK103489555SQ201310411351
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】王寅崗, 陳夫剛, 劉萬里 申請人:南京航空航天大學