專利名稱：：一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及磁性功能材料及其制備方法，具體的涉及一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金及其制造方法。
背景技術：
：對于用于磁頭、變壓器、扼流線圈的軟磁合金，一般要求其具有的特性是高飽和磁通密度、高導磁率、低矯頑力等。以往，對于上述用途，使用Fe、Si合金、Fe、Ni合金等，而現(xiàn)在逐漸被Fe基或Co基非晶態(tài)合金薄帶所替代。由于FeSi合金的飽和磁通密度高，但鐵損大，所以在用于變壓器時，存在電力損耗變大的問題。另外，對于FeNi合金而言，雖然其具有高的磁導率等優(yōu)良的軟磁性能，但存在飽和磁通密度低的問題，所以在大功率電力器件應用方面受到限制。目前，非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為初始磁導率14*104，最大磁導率220*104，矯頑力0.08A/m，矩形比Br/Bs=0.995，飽和磁感強度1.9T。但是這些合金的共同特征是高成本，上述的這些合金中不是Co基非晶合金就是鐵基中加入原子百分比不少于10%的Co。而非晶材料制造成本較高導致非晶變壓器的生產(chǎn)沒有形成規(guī)模。同等規(guī)格下非晶變壓器的售價為S9的1.5倍，用戶大約要7-8年才能通過節(jié)省的能耗收回初期增加的投資，雖然國家出臺有關非晶變壓器生產(chǎn)和使用者稅收優(yōu)惠的政策，但使用者積極性仍然不高，只有在非晶變壓器的售價為S9的1.3倍(非晶鐵心價格降為30元/公斤左右)，用戶大約要3-4年通過節(jié)省的能耗收回初期增加的投資，用戶會有較強的積極性。因此，在保證非晶帶材的性能不受影響的前提下，如何降低非晶帶材制造成本是非晶材料是否能大量應用的關鍵。此外、傳統(tǒng)的非晶態(tài)合金的熱處理工藝都是用普通的電阻絲退火熱處理爐進行退火處理，其缺點是加熱速度慢，鐵芯受熱不均勻，不利于非晶態(tài)合金的磁性能改善。鑒于上述缺點，迫切需要出現(xiàn)一種軟磁性能高、成本低廉、工藝簡單的鐵基非晶合金ο
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種適用于磁頭、變壓器、扼流線圈應用的低成本、磁性能優(yōu)良的鐵基非晶Fe-Si-B-C-P合金薄帶。將合金中各成分的含量調(diào)整的更合理，在不影響飽和磁感強度的情況下盡量的降低Fe含量，增加非晶化元素Si、B、C、P元素的比例，以提高合金本身的非晶形成能力，并且使用P元素代替部分B元素。這樣就會大大提高合金帶材制造的成功率，從而間接降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明的目的在于提供一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金及其制造方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其中，所述鐵基非晶合金的組成以原子比表示為Fe(1QQ_x_y_z_w)BxSiyCzPw；其中，χ為420，y為3.55，z為1.82.3，w為010，余量為Fe。x+y+z+w為1923，優(yōu)選為1920.5或20.523，更優(yōu)選為2020.5。所述P用于替代部分B，w優(yōu)選為17，x+w優(yōu)選為1120。所述鐵基非晶合金的組成以原子比表示優(yōu)選為Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2P2或Fe795BnSi35C2P4o所述鐵基非晶合金的高飽和磁感強度Bs為1.3-1.64T，鐵損為P13/50<0.3W/kg。所述鐵基非晶合金的居里溫度變化為381418°C。為更好的實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金的制造方法，其中，包括如下步驟步驟一，按化學成分配比配置母合金，步驟二、熔煉步驟一所得的母合金，步驟三、重熔步驟二所得的合金、并制成薄帶，步驟四、對步驟三所得非晶薄帶進行熱處理，步驟五、對步驟四獲得產(chǎn)品進行性能檢測。所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金的制造方法，操作所述步驟一時，按照權利要求1所述的鐵基非晶合金的目標成分所需的原子個數(shù)計算出與之相應的原料，并使用物理天平進行稱量，配制出Fe(1(1(1_x_y_z_w)BxSiyCzPw的母合金；操作所述步驟二時，將步驟一所得的母合金投入中頻真空感應爐中熔融，熔融過程中，調(diào)節(jié)抽真空度至26X10_3Pa，充入壓力0.030.08Mpa氬氣保護氣體，調(diào)節(jié)電流控制熔融溫度在11001600°C，熔煉時間610分鐘后隨爐冷卻取出即得的Fe(1(1(1_x_y_z_w)BxSiyCzPw母合金合金錠；操作所述步驟三時，將步驟二所得合金錠投入中頻真空感應爐進行二次熔煉，當熔融合金達到1350°C時，充入氬氣，將熔融合金噴至旋轉的水冷銅輥上，制成薄帶；操作做成中控制噴鑄壓力為11.2MPa；輥嘴間距0.30.5mm；冷卻輥線速度3236m/s；制得合金薄帶帶材厚度為2530微米，寬度為815毫米；操作所述步驟四時，將所得合金薄帶在420450°C、在氬氣保護下通過中頻感應爐進行退火36分鐘；操作所述步驟五時，將步驟四所得鐵基非晶合金薄帶進行各性能指標測試，得到合格產(chǎn)品。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果1、配方中使用廉價的P替代部分元素B，降低了制造成本。2、本發(fā)明具有良好的軟磁性能。熱處理工藝中采用中頻加熱，加熱速度快，受熱均勻，有利于非晶態(tài)合金的磁性改善圖1為本發(fā)明中Bs隨P置換量(at%)的變化2為本發(fā)明中P的置換量為1、4、8、9、10時的X射線衍射圖譜具體實施例方式本發(fā)明的合金成分為Fe(1QQ_x_y_z_w)BxSiyCzPw，其中4<x<20,3.5<y<5,1.8<z<2.3，0<w<10，余量為Fe。為了提高鐵基非晶合金的非晶形成能力，提高制帶成功率，我們通過降低Fe元素的含量，同時增加非晶化元素Si、B、C、P的含量來實現(xiàn)的。同時盡量多的使用廉價P來替代昂貴的B來實現(xiàn)降低合金成本的目的。使本發(fā)明得到一種低成本、高飽和磁通密度的鐵基非晶合金帶材。Fe是獲得高磁通密度重要元素，為了使飽和磁通密度在1.0以上，F(xiàn)e元素的原子百分比最好在75以上，但是，F(xiàn)e元素含量過高會增加鐵芯損耗，并使合金的非晶形成能力惡化，大大降低帶材的成功率。本發(fā)明Fe含量的上限為原子百分比為82，F(xiàn)e優(yōu)選原子百分比在78-81。B是具有提高軟磁性合金的非晶質(zhì)形成的效果，防止結晶組織粗大化的效果，以及在熱處理工序中，抑制化合物相生成的效果。B的加入不但保持了合金室溫下的飽和磁感應強度不變，而且提高了合金的居里溫度和晶化溫度，這樣就會使合金在較高的最終退火溫度下進行退火，使合金帶材得以充分地消除應力和促使合金磁有序狀態(tài)的形成，改善合金帶材的磁性能。當量太少時，很難使合金非晶態(tài)化，導致軟磁特性降低且鐵芯損耗增加。B量太大時，會降低合金中Fe和Si的百分比，導致磁通密度的降低，B優(yōu)選原子百分比在4-20。Si是對合金非晶態(tài)化的重要元素，也是保持合金的居里溫度高到某種程度所必需的元素，Si太少時，合金居里溫度太低而無法投入實際應用，Si量太多時，會增加合金的鐵芯損耗，導致磁通密度降低。Si優(yōu)選原子百分比在3.5-5。C能有效降低合金的熔體粘度并改善與軋輥的可濕性，可以使帶材表面皺褶和毛刺量大量減少，有效地提高帶材的表面質(zhì)量。但是太多的C會通過老化使磁特性變差。C優(yōu)選原子百分比在1.8-2.3之間。P元素的添加，薄帶退火時，應力松弛效果增大，顯現(xiàn)優(yōu)異的軟磁特性的最佳溫度范圍擴大。通過此應力松弛效果，磁疇壁移動更容易，磁滯損耗降低。本發(fā)明將P元素含量定為原子百分比在0-10之間。本發(fā)明與已有技術相比，具有低鐵，低娃，低硼、高磷的特點，是新型的Fe-B-Si-C-P非晶合金，其是具有高飽和磁感強度，低鐵損的鐵基非晶合金帶材。實施本發(fā)明所用的原料是工業(yè)純鐵、工業(yè)硼鐵、工業(yè)磷鐵、結晶硅和碳棒。試驗方法是將原料按照權利要求的成分配制后，先經(jīng)真空感應熔煉爐熔煉母合金，再將母合金裝入下面有縫的石英坩堝在真空感應爐中熔化，然后在一定的氣壓下噴吹到一個高速旋轉的冷卻輥上制成厚度為25um,寬度為5-20mm的非晶帶材。本專利通過一種新型的熱處理方式進行退火處理，通過比傳統(tǒng)熱處理溫度稍高一些溫度、短時間進行熱處理，為了使鐵芯在熱處理過程中受熱均勻，我們采用中頻感應熱處理方式進行熱處理。中頻感應的優(yōu)點是加熱時間快，物體受熱均勻。這樣的熱處理方式大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。下面結合附圖，對本發(fā)明進行說明。實施例1原材料為工業(yè)純鐵、工業(yè)硼鐵、硅、碳棒。將原材料按權利要求1中所確定5的原子百分比范圍設計了以下成份合金Fe75B1QSi13C2、Fe76Bltl.5Sin.5C2、Fe77B11Si10C2,Fe78B1L7Si9>3C2>Fe79^5B15Si3>5C2>Fe79^5B13Si5>5C2>Fe80B16Si2C2^Fe80B16.5Si3C0.5、Fe81B16Si2,5C0,5>Fe81B14Si3C2^Fe82B15Si2C10如表一所示，<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表一表一中序號1、2、11為比較例，序號3-10為本發(fā)明的發(fā)明例。按上述成份原子百分比比例配制合金，在真空感應爐內(nèi)熔煉后鑄成合金錠，然后放入真空感應爐內(nèi)進行二次熔煉，當熔融的合金達到噴帶溫度1350°C時，充入純度為99.99%的氬氣，將熔融合金噴至旋轉的水冷銅輥上，制成薄帶。薄帶制備的主要工藝參數(shù)為熔體溫度1350°C；噴鑄壓力1.2MPa；輥嘴間距0.3mm；冷卻輥線速度35m/s；制得帶材厚度為25士1μm，帶材寬度10士0.Imm0將所得合金薄帶在430°C、氬氣保護下通過中頻感應爐進行退火5分鐘后，測得軟磁性能歸納如表二所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表二比較例1、2、11號中看出當Fe原子百分比在76或者以下的時候，薄帶的飽和磁感強度在1.4T以下，不能滿足本發(fā)明高Bs的要求，當Fe原子百分比在81以上時，飽和磁感強度Bs不能得到明顯的改善，相反在磁感強度在1.3T，頻率為50Hz下的鐵損明顯提高。3-10號為本發(fā)明例，飽和磁感強度都在1.44T以上，而鐵損W13/50在0.28ff/Kg以下，居里溫度在380°C以上。其中軟磁性能最優(yōu)的一組合金成分為Fe79.5B15Si3.5C2。實施例2參照Fe(100_x_y_z_w)BxSiyCzPw化學式；其中，x為420，y為3.55，z為1.82.3，w為010，余量為Fe。x+y+z+w為1923，優(yōu)選為1920.5或20.523，更優(yōu)選為2020.5。元素P用于替代部分B，w優(yōu)選為17，x+w優(yōu)選為1120。鐵基非晶合金的組成以原子比表示優(yōu)選為:Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2P2或Fe79.5BnSi3.5C2P4或Fe79.5B15_wSi3.5C2Pw。本發(fā)明鐵基非晶合金的高飽和磁感強度Bs為1.3-1.64T，鐵損為P13/50<0.3W/kg。居里溫度變化為381418°C。從實施例1中優(yōu)選綜合性能最好的Fe79.5B15Si3.5C2為基礎，將部分的B用廉價的P代替，從而來降低合金成分的成本。非晶合金設計的通式為Fe79.5B15_wSi3.5C2Pw，其中w=0-10，原材料為工業(yè)純鐵、工業(yè)硼鐵、工業(yè)磷鐵、硅、碳棒。制造方法如下步驟一，按化學成分配比配置母合金，步驟二、熔煉步驟一所得的母合金，步驟三、重熔步驟二所得的合金、并制成薄帶，步驟四、對步驟三所得非晶薄帶進行熱處理，步驟五、對步驟四獲得產(chǎn)品進行性能檢測。操作所述步驟一時，按照Fe79.5B15_wSi3.5C2Pw配制出母合金；操作所述步驟二時，將步驟一所得的母合金投入中頻真空感應爐中熔融，熔融過程中，調(diào)節(jié)抽真空度至26X10_3Pa，充入壓力0.030.08Mpa氬氣保護氣體，調(diào)節(jié)電流控制熔融溫度在11001600°C，熔煉時間610分鐘后隨爐冷卻取出即得的Fe79.5B15_wSi3.5C2Pw母合金合金錠；操作所述步驟三時，將步驟二所得合金錠投入中頻真空感應爐進行二次熔煉，當熔融合金達到1350°C時，充入氬氣，將熔融合金噴至旋轉的水冷銅輥上，制成薄帶；操作做成中控制噴鑄壓力為11.2MPa；輥嘴間距0.30.5mm；冷卻輥線速度3236m/s；制得合金薄帶帶材厚度為2530微米，寬度為815毫米；操作所述步驟四時，將所得合金薄帶在420450°C、在氬氣保護下通過中頻感應爐進行退火36分鐘；退火處理用的是中頻感應熱處理爐進行退火處理，其優(yōu)點是加熱速度快，鐵芯受熱均勻。加熱時間短對磁性能改善有好處，而且會大大縮短熱處理時間，提高了工作效率。操作所述步驟五時，將步驟四所得鐵基非晶合金薄帶進行各性能指標測試，得到合格產(chǎn)品。制得的鐵基非晶合金帶材的化學成分如表三所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>序號I區(qū)分P置換量WIB量15-w|組織結構~~帶材質(zhì)量比較例105部分非晶態(tài)粗糙，易斷表三從帶材的質(zhì)量看，只有序號22、23號比較例表面粗糙，而且極脆易斷。通過XRD進一步分析發(fā)現(xiàn)，除比較例22、23外，XRD曲線均表現(xiàn)出典型的非晶漫反射峰。從這一點表明導致此帶材質(zhì)量惡化的主要原因是合金的組織結構不為完全非晶態(tài)。將所得合金薄帶在430°C、氬氣保護下通過中頻感應爐進行退火5分鐘后，測得軟磁性能歸納如表四所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表四如圖1圖2所示，圖1為本發(fā)明中Bs隨P置換量(at%)的變化圖。圖2為本發(fā)明中P的置換量為1、4、8、9、10時的X射線衍射圖譜。從圖中可以看出Bs為1.3-1.64T，鐵損為P13/50<0.3W/kg。即表示，本發(fā)明具有優(yōu)異的軟磁性能。綜上所述，本發(fā)明專利通過一種新型的中頻感應熱處理方式進行退火處理，這種退火處理比傳統(tǒng)熱處理溫度稍高一些溫度、且短時間內(nèi)進行熱處理，為了使鐵芯在熱處理過程中受熱均勻。這樣的熱處理方式大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。并且，本發(fā)明配方中使用廉價的P替代部分元素B，降低了制造成本。并且在降低成本的同時仍使產(chǎn)品具有良好的軟磁性能。權利要求一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其特征在于，所述鐵基非晶合金的組成以原子比表示為Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw；其中，x為4～20，y為3.5～5，z為1.8～2.3，w為0～10，余量為Fe。2.根據(jù)權利要求1所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其特征在于，x+y+z+w為1923，優(yōu)選為1920.5或20.523，更優(yōu)選為2020.5。3.根據(jù)權利要求1所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其特征在于，所述P用于替代部分B，w優(yōu)選為17，x+w優(yōu)選為1120。4.根據(jù)權利要求1所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其特征在于，所述鐵基非晶合金的組成以原子比表示優(yōu)選為=Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2P2或Ρθ79.5BllSl3.5。2405.根據(jù)權利要求1所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其特征在于，所述鐵基非晶合金的高飽和磁感強度Bs為1.3-1.64T，鐵損為P13/50<0.3W/kg。6.根據(jù)權利要求1所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其特征在于，所述鐵基非晶合金的居里溫度變化為381418°C。7.—種如權利要求1-6任一所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金的制造方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，按化學成分配比配置母合金，步驟二、熔煉步驟一所得的母合金，步驟三、重熔步驟二所得的合金、并制成薄帶，步驟四、對步驟三所得非晶薄帶進行熱處理，步驟五、對步驟四獲得產(chǎn)品進行性能檢測。8.根據(jù)權利要求7所述軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金的制造方法，其特征在于，操作所述步驟一時，按照權利要求1所述的鐵基非晶合金的目標成分所需的原子個數(shù)計算出與之相應的原料，并使用物理天平進行稱量，配制出Fe(1(l(l_x_y_z_w)BxSiyCzPw的母合金；操作所述步驟二時，將步驟一所得的母合金投入中頻真空感應爐中熔融，熔融過程中，調(diào)節(jié)抽真空度至26X10_3Pa，充入壓力0.030.08Mpa氬氣保護氣體，調(diào)節(jié)電流控制熔融溫度在11001600°C，熔煉時間610分鐘后隨爐冷卻取出即得的Fe(1(1(1_x_y_z_w)BxSiyCzPw母合金合金錠；操作所述步驟三時，將步驟二所得合金錠投入中頻真空感應爐進行二次熔煉，當熔融合金達到1350°C時，充入氬氣，將熔融合金噴至旋轉的水冷銅輥上，制成薄帶；操作做成中控制噴鑄壓力為11.2MPa；輥嘴間距0.30.5mm；冷卻輥線速度3236m/s；制得合金薄帶帶材厚度為2530微米，寬度為815毫米；操作所述步驟四時，將所得合金薄帶在420450°C、在氬氣保護下通過中頻感應爐進行退火36分鐘；操作所述步驟五時，將步驟四所得鐵基非晶合金薄帶進行各性能指標測試，得到合格全文摘要本發(fā)明公開了一種軟磁性能高的低成本的鐵基非晶合金，其中，鐵基非晶合金的組成以原子比表示為Fe(100-x-y-z-w)BxSiyCzPw；其中，x為4～20，y為3.5～5，z為1.8～2.3，w為0～10，余量為Fe。x+y+z+w為19～23，優(yōu)選為19～20.5或20.5～23，更優(yōu)選為20～20.5。P用于替代部分B，w優(yōu)選為1～7，x+w優(yōu)選為11～20。鐵基非晶合金的組成以原子比表示優(yōu)選為Fe79.5B12Si3.5C2P3或Fe79.5B13Si3.5C2P2或Fe79.5B11Si3.5C2P4。鐵基非晶合金的高飽和磁感強度Bs為1.3-1.64T，鐵損為P13/50＜0.3W/kg。居里溫度變化為381～418℃。本發(fā)明的成份配比中使用廉價的P替代部分元素B，在大大降低了制造成本的同時仍具有良好的軟磁性能。文檔編號C21D9/46GK101800109SQ200910250709公開日2010年8月11日申請日期2009年12月9日優(yōu)先權日2009年12月9日發(fā)明者龐靖,李楠,秦振武,鄒永清申請人:青島云路新能源科技有限公司