一種鐵基非晶軟磁合金材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵基非晶軟磁合金材料及其制備方法，屬于新材料技術領域。
【背景技術】
[0002] 自1967年Fe75P15Cltl (原子百分比成分）軟磁非晶合金成功制備以來，磁性非晶合 金研宄一直受到廣泛關注。目前已知的磁性非晶合金材料主要有：VIII金屬-類金屬型非 晶合金；VIII金屬-過渡金屬型非晶合金和VIII金屬-稀土金屬型非晶合金。這里，VIII 金屬為？6、&)、附元素；類金屬主要為8、(：、？、3丨；過渡金屬主要是1 &、恥、21'、!^、￥及其混 合物；而稀土金屬則主要是GcUTb、Dy、Nd等元素。由于Fe成本低廉且具有好的軟磁性能， 以其為基體的軟磁非晶合金獲得應用。
[0003] 然而，傳統磁性合金的非晶形成能力較低，其形成非晶的臨界冷卻速率通常在 105K/s以上，需要借助單輥甩帶法才能獲得厚度不超過0.1 mm的條帶非晶材料，制備條件相 對苛刻，且相關非晶條比較脆，這很大程度上制約了軟磁非晶合金的應用和發(fā)展。直到二十 世紀九十年代，日本學者Inoue等人率先運用銅模吸鑄法率先制備出Fe-(Al, Ga)-(P，C，B) 鐵基塊體非晶合金，才克服了軟磁非晶合金條帶材料的不足。至今，人們已發(fā)展出了多個類 型的鐵基塊體非晶體系。例如，Fe-M-(P，C，B，Si) (M = Al, Ga, Mo)、Fe-Cr-Mo-C-B-Ln(稀 土元素）和Fe-B-Si-(Zr，Nb)等?？梢?，人們大都是通過添加各種非磁性元素來提升Fe基 合金的非晶形成能力，但這些元素的加入往往使得原有非晶合金的飽和磁感應強度明顯降 低，致使其磁學性能惡化。因此，開發(fā)具有高非晶形成能力、高飽和磁感應強度的新型Fe基 非晶合金具有重要實用價值。
[0004] 具有大非晶形成能力的鐵基非晶合金一般具有3個以上組元，造成該類合金成分 設計與優(yōu)化的復雜性。我們自創(chuàng)的理想非晶合金的"團簇+連接原子"模型，將最佳形成能 力成分的非晶合金以"團簇式"形式統一描述為[團簇](連接原子）χ，χ取1或3。順利將 非晶合金的成分、結構及其形成能力有機關聯起來，以此可實現非晶合金的定量成分設計。 本發(fā)明借助這一定量成分設計方法，以Fe-B-Si條帶非晶為基礎，引入順磁性的合金化組 元Hf，首次在Fe-B-Si-Hf合金系中發(fā)現和制備大非晶形成能力的Fe基塊體非晶，并優(yōu)選出 具有高飽和磁感應強度和低矯頑力的鐵基非晶軟磁合金系列。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題是：（1)獲得同時具有大非晶形成能力、高飽和磁感應 強度和低矯頑力的鐵基非晶軟磁材料；（2)簡化多組元合金體系非晶成分篩選和優(yōu)化的復 雜性；（3)提供一種成本低、制備方法簡單的高Fe含量軟磁實用材料。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案是：一種兼具高飽和磁感應強度、低矯頑力和大非晶形成 能力的Fe-B-Si-Hf軟磁非晶合金材料，該材料的化學組成為：Fem zBxSiyHfz,其中X、y、 z為原子百分比（at. %)，5.0% 芻 X芻 20.0%, 3.0 %芻 y 芻 13.0%，0.5%芻 z 芻 5.0%， Fe原子百分比高于70. 0%。其最大飽和磁感應強度超過I. 65T，矯頑力均低于2A/m ;可用作 型配電變壓器鐵芯或其它電子電力器件理想材料。
[0007] -種含Hf鐵基非晶軟磁合金材料的制備方法，包括成分配比、稱量，合金熔煉、甩 帶和銅模鑄造，具體工藝步驟包括： (1) 備料：按照該材料的化學組成FeiQQ_x_y_zB xSiyHfz，將Fe、B、Si、Hf的原子百分比（at. %)轉換成重量百分比（wt. %)，再按重量百分比稱取各組元金屬原料，待用；化學組成中X、 y、z為原子百分比，5. 0%蘭X蘭20. 0%，3. 0 %蘭y蘭13. 0%，0· 5%蘭z蘭5. 0%，Fe原 子百分比高于70. 0% ;所用金屬原料純度均不低于工業(yè)純； (2) 合金錠的熔煉：將稱量的各組元金屬原料混合，放入非自耗電弧熔煉爐的水冷銅坩 堝內，在純氬氣保護下進行合金熔煉，反復熔煉三到四次，得到成分均勻的合金錠；合金錠 熔煉前后的重量損失率控制在千分之五以內； (3) 樣品制備：將合金錠制備成條帶樣品或塊體樣品； 條帶樣品的制備過程：將合金錠破碎，放入噴嘴為長8_ X寬Imm的石英管中，運用 單輥甩帶技術，通過感應加熱技術將石英管中的合金料熔化，并用高純氬氣將合金熔體吹 出，使其噴射到高速旋轉的水冷銅輥上，制成合金條帶樣品；所述水冷銅輥的表面線速度為 15 ~50m/s ; 塊體樣品的制備過程：將合金錠置于石英管中感應熔化并保溫，在淬火溫度開啟吹鑄 裝置，讓合金熔體噴入圓柱形水冷銅模型腔中，冷卻至室溫，得到塊體樣品；或將合金錠由 電弧直接融化，然后在負壓下吸入圓柱形水冷銅模型腔中，冷卻至室溫得到塊體樣品。
[0008] 以下給出本發(fā)明的實驗檢測技術手段。
[0009] 首先，利用X射線衍射儀（Bruker D8)對制得的條帶或塊體樣品進行結構檢測。 若衍射圖譜上完全顯示典型非晶態(tài)特征的漫散饅頭峰，則表明合金為均一的非晶組織，并 可經由透射電子顯微術確認。然后，利用差熱分析儀（TA Q600)測定非晶樣品的熱力學參 數，其中玻璃轉變溫度晶化溫度I是表征金屬玻璃熱穩(wěn)定性的特征參數，其值越大表 明非晶樣品的抗晶化能力越強，熱穩(wěn)定性越高。最后，軟磁非晶合金的矯頑力Hc和飽和磁 化強度Bs分別由MATS-2010SD Hysteresis-graph和LakeShore-7407型振動樣品磁強計 測定，樣品測試前均進行低溫真空退火處理，退火溫度為Tx-SOK，保溫時間為5~15分鐘，以 去除其中的殘余應力。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：（1)與傳統Fe-B-Si系條帶軟磁非晶材料相比，本發(fā)明 Fe-B-Si-Hf合金含有少量Hf (0. 5-5at. %)，非晶形成能力顯著提高，能形成棒狀塊體非晶 合金，其最大臨界尺寸達3 mm ; (2)Fe-B-Si-Hf是形成塊體非晶合金的全新體系，其成分具 有高Fe含量特征，原子百分比含量超過70at. % ;由于合金的非晶形成能力大，因而制備非 晶樣品(包括條帶）的冷速范圍變寬、導致非晶樣品制備過程簡單易行，且可避免傳統Fe基 合金非晶形成能力不足引起的樣品脆性；（3)新非晶具有優(yōu)異的飽和磁感應強度(塊狀非 晶樣品的最大飽和磁感應強度為1. 65 T，相關條帶非晶樣品的最大飽和磁感應強度為1. 78 T)以及低的矯頑力（所有非晶的矯頑力均低于2 A/m)，可用作新型配電變壓器鐵芯和其它 電子電力器件材料。
【附圖說明】
[0011] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0012] 圖1為Fe-B-Si-Hf系典型非晶合金條帶和棒狀樣品的X射線衍射譜。
[0013] 圖2為Fe-B-Si-Hf系非晶合金條帶和棒狀樣品的差熱分析曲線示例。
[0014] 圖3為Fe72.5B16. 7Si8.3Hf2.5非晶條帶的磁化曲線(測定飽和磁化強度Bs值)。
[0015] 圖4為Fe72.5B16. 7Si8.3Hf2.5非晶條帶的磁滯回線(測定矯頑力Hc值)。
【具體實施方式】
[0016] 下面是Fe-B-Si-Hf系軟磁非晶材料的常用配方表：
【主權項】
1. 一種鐵基非晶軟磁合金材料，其特征在于：該材料的化學組成為：Fe 1(l(l_x_y_zBxSi yHfz， 其中x、y、z為原子百分比，5. 0%蘭x蘭20. 0%，3. O %蘭y蘭13. 0%，0? 5%蘭z蘭5. 0%，Fe 原子百分比高于70.0%。
2. 根據權利1所述的一種鐵基非晶軟磁合金材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟： (1) 備料：按照該材料的化學組成FemzBxSiyHfz，將Fe、B、Si、Hf的原子百分比轉換 成重量百分比，再按重量百分比稱取各組元金屬原料，待用；化學組成中x、y、z為原子百分 比，5. 0%芻X芻20. 0%，3. 0 %芻y芻13. 0%，0? 5%芻z芻5. 0%，Fe原子百分比高于70. 0% ; 所述金屬原料純度均不低于工業(yè)純； (2) 合金錠的熔煉：將稱量的各組元金屬原料混合，放入非自耗電弧熔煉爐的水冷銅坩 堝內，在純氬氣保護下進行合金熔煉，反復熔煉三到四次，得到成分均勻的合金錠；合金錠 熔煉前后的質量損失率控制在千分之五以內； (3) 樣品制備：將合金錠制備成條帶樣品或塊體樣品； 條帶樣品的制備過程：將合金錠破碎，放入噴嘴為長8mmX寬Imm的石英管中，運用 單輥甩帶技術，通過感應加熱技術將石英管中的合金料熔化，并用高純氬氣將合金熔體吹 出，使其噴射到高速旋轉的水冷銅輥上，制成合金條帶樣品；所述水冷銅輥的表面線速度為 15 ~50m/s ; 塊體樣品的制備過程：將合金錠置于石英管中感應熔化并保溫，在淬火溫度開啟吹鑄 裝置，讓合金熔體噴入圓柱形水冷銅模型腔中，冷卻至室溫，得到塊體樣品；或將合金錠由 電弧直接融化，然后在負壓下吸入圓柱形水冷銅模型腔中，冷卻至室溫得到塊體樣品。
【專利摘要】一種鐵基非晶軟磁合金材料及其制備方法，屬于新材料技術領域。該材料同時含有Fe、B、Si和Hf四種組元，各元素的原子百分比含量范圍為：0.5-5.0at.%Hf，3.0-13.0at.%Si，5.0-20.0 at.%B，余量為Fe（>70.0at.%）。制備該材料的條帶與塊體樣品的工藝流程簡便、高效，所制得的軟磁非晶合金成型性好，且具有明顯的玻璃轉化溫度點Tg和較寬的超冷液相區(qū)ΔTx，并克服了傳統軟磁非晶合金的脆性問題。該材料兼具大非晶形成能力、高飽和磁感應強度和低矯頑力特征，其形成的塊體非晶合金最大臨界直徑達3 mm；Fe-B-Si-Hf軟磁非晶的最大飽和磁感應強度超過1.65T，矯頑力均低于2A/m；可用作配電變壓器鐵芯或其它電子電力器件材料。
【IPC分類】H01F1-153, C22C45-02
【公開號】CN104878327
【申請?zhí)枴緾N201510312048
【發(fā)明人】王英敏, 羌建兵, 耿遙祥, 王清, 董闖
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月9日