專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)材料具有不同于晶態(tài)材料的合金成分和原子組態(tài)的特征，這些特征使其能出現(xiàn)各 種傳統(tǒng)晶態(tài)材料不能獲得的優(yōu)異性能，因此非晶態(tài)材料在現(xiàn)代工業(yè)、國(guó)防、通訊、交通等各 個(gè)領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值，成為近幾十年來(lái)世界各國(guó)競(jìng)相投資的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。自1967 年以后，開(kāi)始采用熔體急冷法制做非晶薄帶。由于薄帶的幾何尺寸正好適合作軟磁材料應(yīng)用， 因此非晶態(tài)材料首先在軟磁材料中得到迅速發(fā)展。非晶態(tài)材料由于不存在晶界，也不存在位 錯(cuò)、空穴等晶態(tài)材料固有的缺陷，因此它具有耐蝕和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，其軟磁性能對(duì)應(yīng)力不敏 感，比晶態(tài)材料好得多。非晶態(tài)材料由于不存在晶體結(jié)構(gòu)，因而不存在磁晶各向異性，故從 內(nèi)稟特性看，很適合作軟磁材料。
非晶態(tài)材料成為軟磁材料除了成品的尺寸因素以及耐蝕和高強(qiáng)度外，更重要的是它具有 長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)材料微結(jié)構(gòu)不存在磁晶各向異性，這一先天的接近各向同性的性質(zhì)優(yōu) 于晶態(tài)材料。此外，非晶態(tài)材料比晶態(tài)材料有更高的電阻率，使其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到更高的頻 率范圍而取代了部分鐵氧體軟磁材料。
與晶態(tài)材料相比，非晶態(tài)軟磁材料的缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性低，在較低的溫度下會(huì)發(fā)生晶化， 使軟磁性能發(fā)生惡化。因此在長(zhǎng)期使用條件下，非晶態(tài)材料的工作溫度一般不宜超過(guò) 373~423K，這限制了非晶態(tài)軟磁材料的應(yīng)用范圍。因此研制具有高的熱穩(wěn)定性且好的軟磁性 能的非晶態(tài)磁性材料具有重要的研究和應(yīng)用前景。
判定非晶態(tài)材料熱穩(wěn)定性高低的重要參數(shù)是過(guò)冷液相區(qū)(SLR)和晶化溫度。過(guò)冷液相 區(qū)ATx定義為ATX=TX—Tg，其中Tx是起始晶化溫度，Tg是玻璃轉(zhuǎn)變溫度。 一般，起始晶化 溫度越高，熱穩(wěn)定性越高；特別是過(guò)冷液相區(qū)越大，熱穩(wěn)定性越高。
自1995年在Fe-Al-Ga-P-C-B系合成了具有大過(guò)冷液相區(qū)和高非晶形成能力(GFA)的非 晶態(tài)材料以來(lái)，材料研究人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則己成功地發(fā)現(xiàn)了一些具有良好熱穩(wěn)定性和磁性的 新型Fe基非晶態(tài)軟磁材料。這些材料有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即多組元。已形成的三種類(lèi)型的Fe 基非晶軟磁合金系，無(wú)論是日本報(bào)道的 Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si,Ge), Fe-(Co,Ni)-(Zr，Nb,Ta,Mo，W)-B，還是美國(guó)發(fā)現(xiàn)的Fe-(Co,Cr,Mo,Ga,Sb)-(P,B,C)， 一般都含有五 種到八種組元。從理論上看，組元的增多加大了化學(xué)上的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)上的混亂程度，符合 "混亂原則"。但過(guò)多的組元不但給研究和分析工作帶來(lái)困難，也限制和阻礙了未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有非晶態(tài)材料存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材 料及其制備方法，該方法可以有效地提高非晶態(tài)材料的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力。本發(fā)明包 括以下步驟
1. 母合金的熔煉采用純金屬Fe、 Hf、 Nb和硼鐵為原料，按Fe^74HfUNbwB^24標(biāo) 稱(chēng)成分配制合金，置于電弧爐中，抽真空后通入高純氬氣，采用電磁攪拌通過(guò)電弧熔煉制成 母合金錠。熔煉過(guò)程中，合金錠要反復(fù)熔煉5次以上，以保證母合金的均勻性。
2. 熔劑純化處理將母合金用經(jīng)過(guò)脫水處理的低熔點(diǎn)氧化物B203包裹起來(lái)，然后置于 容器中進(jìn)行感應(yīng)熔煉，使B203熔體包裹于母合金熔體的外部，反復(fù)熔煉3次以上制成預(yù)合金 錠。
3. 熔體旋淬利用單輥熔體旋淬法，在氬氣保護(hù)下控制冷卻銅輥輥速在20m/s以上，可 將預(yù)合金制成具有100%非晶組織的非晶態(tài)軟磁材料。
本發(fā)明方法具有以下特點(diǎn)-
1. 研制出的Fe-Hf-Nb-B非晶態(tài)材料，在非晶態(tài)軟磁材料中具有極高的熱穩(wěn)定性，其過(guò) 冷液相區(qū)達(dá)到72 94K，其最大過(guò)冷液相區(qū)為94K，超過(guò)目前所有的非晶態(tài)軟磁材料，該非晶 態(tài)軟磁材料具有優(yōu)良的軟磁性能，飽和比磁化強(qiáng)度達(dá)到112~153Am2/kg，而退火態(tài)的矯頑力 只有1.6~2.5A/m，顯示出極軟的軟磁特性。
2. 對(duì)電弧熔煉制得的母合金采用低熔點(diǎn)氧化物包裹的熔劑純化處理，起到兩方面的作 用 一是吸收合金熔體中的雜質(zhì)顆粒，使材料純化；二是將合金熔體與器壁隔離開(kāi)來(lái)，由于 包覆物的熔點(diǎn)低于合金熔體，因而合金凝固時(shí)包覆物仍處于熔化狀態(tài)，不能作為材料非均勻 形核的核心。經(jīng)過(guò)熔劑純化處理后，可以最大限度地避免非均勻形核，極大地提高非晶態(tài)材 料的熱穩(wěn)定性和非晶形成能力。
3. 已開(kāi)發(fā)的具有高非晶形成能力的多元非晶態(tài)軟磁材料一般都含有五種到八種組元，過(guò) 多的組元不但給研究和分析工作帶來(lái)困難，也限制和阻礙了未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用。本發(fā)明研制出 的Fe-Hf-Nb-B非晶態(tài)材料只含有四種組元，有利于研究和分析，更有利于未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用。
通過(guò)本發(fā)明研制的Fe7。Hf6Nb4B2Q非晶態(tài)軟磁材料和日本研發(fā)的FenAIsGafuQBo Fe56Co7Ni7Zr8Ta2B2()，及美國(guó)開(kāi)發(fā)的FeMC^McMG^Sb^nBsCs非晶材料的熱穩(wěn)定性和軟磁性 能的結(jié)果如表1所示。
通過(guò)對(duì)比可以看出，采用本發(fā)明研制的Fe7oHf6Nb4B2o非晶態(tài)軟磁材料具有突出的熱穩(wěn) 定性，其起始晶化溫度達(dá)到926K，而過(guò)冷液相區(qū)更是達(dá)到94K，超過(guò)目前文獻(xiàn)報(bào)道的所有非晶態(tài)軟磁材料，顯示出極高的熱穩(wěn)定性。Fe7oHf6Nb4B2o合金具有優(yōu)異的軟磁性能飽和比磁
化強(qiáng)度達(dá)到151Am2/kg，而矯頑力只有1.8A/m。對(duì)比其它非晶態(tài)材料，F(xiàn)e7GHf6Nb4B2C)合金顯 示出極軟的軟磁特性。
另夕卜，對(duì)比其它非晶態(tài)材料，F(xiàn)e7oHf6Nb4B2o合金只含有四種組元，是具有大過(guò)冷液相區(qū) 的非晶態(tài)軟磁材料中組元數(shù)最少的材料。
表1非晶態(tài)軟磁材料的熱穩(wěn)定性和軟磁性能
入 熱穩(wěn)定性 軟磁性能
A令 - -
_^_Tg(K) Tx(K) ATx(K) Hc(A/m) 。s(Am2/kg) BS(T)
Fe70Hf6Nb4B2。 832 926 94 1,8 151 —
Fe72Al5Ga2PuC6B4 732 793 61 5.1 — 1.07 ■
Fe56Co7Ni7Zr8Ta2B20 827 915 88 2.6 — 0.74
FessCqMcxtG^Sl^PuBsCs 719 776 56 — 97.5 —


圖l為本發(fā)明Fe7oHf6Nb4B2o非晶態(tài)材料的X射線衍射譜。
圖2為本發(fā)明Fe7oHf6Nb4B2o非晶態(tài)材料的恒速升溫DSC曲線。
具體實(shí)施方式
例1:
原材料為純金屬Fe(99.9%)、 Hf(99.8%)、 Nb(99.8。/。)和硼鐵(18.9。/。B)。將原材料按 Fe66Hf9NbiB24的原子百分比置于電弧爐中，抽真空后通入高純氬氣，采用電磁攪拌進(jìn)行熔化， 反復(fù)熔煉5遍以上使合金均勻化，制成母合金錠。
將母合金用經(jīng)過(guò)脫水處理的低熔點(diǎn)氧化物B203包裹起來(lái)，置于容器中感應(yīng)熔煉3次以上， 制成預(yù)合金錠。
在氬氣保護(hù)下，利用單輥熔體旋淬法，控制輥輪線速度在20m/s以上，將預(yù)
合金制成寬度為2~4mm、厚度為20~30pm的薄帶形非晶態(tài)軟磁材料。
利用X射線衍射(XRD)測(cè)定材料的結(jié)構(gòu)，XRD是在日本理學(xué)Rigaku D/Max-rA型衍射
儀上進(jìn)行。XRD譜的結(jié)果顯示熔體旋淬法制成的材料為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
利用示差掃描量熱分析(DSC)測(cè)試材料的熱穩(wěn)定性，DSC是在德國(guó)NetzschDSC404C
型高溫示差掃描量熱儀上迸行，升溫速率為0.33K/s。 DSC的結(jié)果顯示非晶態(tài)材料的起始晶化
溫度為887K，過(guò)冷液相區(qū)為78K。熱分析結(jié)果表明非晶態(tài)材料具有很高的熱穩(wěn)定性。
例2:原材料為純金屬Fe(99.9%)、 Hf(99.8%)、 Nb(99.8。/。)和硼鐵(18.9。/。B)。將原材料按 Fe74HfiNb9Bw的原子百分比置于電弧爐中，抽真空后通入高純氬氣，采用電磁攪拌進(jìn)行熔化， 反復(fù)熔煉5遍以上使合金均勻化，制成母合金錠。
將母合金用經(jīng)過(guò)脫水處理的低熔點(diǎn)氧化物B203包裹起來(lái)，置于容器中感應(yīng)熔煉3次以上， 制成預(yù)合金錠。
在氬氣保護(hù)下，利用單輥熔體旋淬法，控制輥輪線速度在20m/s以上，將預(yù)合金制成寬 度為2~4mm、厚度為20~30Mm的薄帶形非晶態(tài)軟磁材料。
利用X射線衍射測(cè)定材料的結(jié)構(gòu)，XRD是在日本理學(xué)Rigaku D/Max-rA型衍射儀上進(jìn)行。 XRD譜的結(jié)果顯示熔體旋淬法制成的材料為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
利用示差掃描量熱分析測(cè)試材料的熱穩(wěn)定性，DSC是在德國(guó)NetzschDSC 404C型高溫示 差掃描量熱儀上進(jìn)行，升溫速率為0.33K/s。 DSC的結(jié)果顯示非晶態(tài)材料的起始晶化溫度為 865K，過(guò)冷液相區(qū)為72K。熱分析結(jié)果表明非晶態(tài)材料具有很高的熱穩(wěn)定性。 例3:
原材料為純金屬Fe(99.9%)、 Hf(99.8%)、 Nb(99.8。/。)和硼鐵(18.9。/。B)。將原材料按 Fe7oHf6Nb4B2o的原子百分比置于電弧爐中，抽真空后通入高純氬氣，采用電磁攪拌進(jìn)行熔化， 反復(fù)熔煉5遍以上使合金均勻化，制成母合金錠。
將母合金用經(jīng)過(guò)脫水處理的低熔點(diǎn)氧化物B203包裹起來(lái)，置于容器中感應(yīng)熔煉3次以上， 制成預(yù)合金錠。
在氬氣保護(hù)下，利用單輥熔體旋淬法，控制輥輪線速度在20m/s以上，將預(yù)合金制成寬 度為2 4mrn、厚度為20~30pm的薄帶形非晶態(tài)軟磁材料。
利用X射線衍射測(cè)定材料的結(jié)構(gòu)，XRD是在日本理學(xué)Rigaku D/Max-rA型衍射儀上進(jìn)行。 X射線衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。XRD譜的結(jié)果顯示熔體旋淬法制成的材料為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
利用示差掃描量熱分析測(cè)試材料的熱穩(wěn)定性，DSC是在德國(guó)Netzsch DSC 404C型高溫示 差掃描量熱儀上進(jìn)行，升溫速率為0.33K/s，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。DSC的結(jié)果顯示非晶態(tài)材 料的起始晶化溫度為926K，過(guò)冷液相區(qū)為94K。熱分析結(jié)果表明非晶態(tài)材料具有極高的熱穩(wěn) 定性。
利用Famday磁天平測(cè)量材料的飽和比磁化強(qiáng)度( )為151Am2/kg。利用CD-4型靜態(tài)磁 性測(cè)量?jī)x測(cè)量材料的矯頑力(Hc)為2.1A/m，而材料退火態(tài)(823K， 600s)的矯頑力為1.8A/m。 磁性測(cè)量結(jié)果表明材料具有很好的軟磁性能。
權(quán)利要求
1、一種高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材料，其特征在于該材料的組成按原子百分比為Fe66～74％、Hf1～9％、Nb1～9％、B16～24％。
2、 如權(quán)利要求l所述的高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材料，其特征在于該材料的過(guò)冷液相區(qū)為 72~94K，飽和比磁化強(qiáng)度為112~153Am2/kg，退火態(tài)的矯頑力為1.6 2.5A/m。
3、 如權(quán)利要求1所述的高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1) 母合金的熔煉采用純金屬Fe、 Hf、 Nb和硼鐵為原料，按Fe66-74HfMNb^B^24 標(biāo)稱(chēng)成分配制合金，置于電弧爐中，抽真空后通入高純氬氣，采用電磁攪拌通過(guò)電弧熔煉制 成母合金錠。熔煉過(guò)程中，合金錠要反復(fù)熔煉5次以上，以保證母合金的均勻性；(2) 熔劑純化處理將母合金用經(jīng)過(guò)脫水處理的低熔點(diǎn)氧化物B203包裹起來(lái)，然后置于容器中進(jìn)行感應(yīng)熔煉，使B203熔體包裹于母合金熔體外部，反復(fù)熔煉3次以上制成預(yù)合金 錠；(3) 熔體旋淬利用單輥熔體旋淬法，在氬氣保護(hù)下控制冷卻銅輥輥速在20m/s以上， 可將預(yù)合金制成具有100%非晶組織的非晶態(tài)軟磁材料。
全文摘要
一種高熱穩(wěn)定性非晶態(tài)軟磁材料及其制備方法。其材料組成按原子百分比為Fe66～74％、Hf1～9％、Nb1～9％、B16～24％。其制備方法包括母合金的熔煉、熔劑純化處理、熔體旋淬工藝步驟。本發(fā)明的非晶態(tài)軟磁材料具有高熱穩(wěn)定性，其起始晶化溫度達(dá)到926K，而過(guò)冷液相區(qū)達(dá)到94K，飽和比磁化強(qiáng)度達(dá)到151Am²/kg，而矯頑力只有1.8A/m。本發(fā)明材料只含有四種組元，是具有大過(guò)冷液相區(qū)的非晶態(tài)軟磁材料中組元數(shù)最少的材料。
文檔編號(hào)C22C1/03GK101286401SQ20081001047
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者全明秀, 良 左, 民 徐, 王沿東 申請(qǐng)人:東北大學(xué)