一種鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域中的軟磁材料，特別涉及一種鐵基納米晶軟磁合金及其 制備方法，該合金材料具有較強(qiáng)的非晶形成能力以及較高的熱穩(wěn)定性能，還可以通過簡單 易行的熱處理工藝獲得優(yōu)異、穩(wěn)定的軟磁性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵基納米晶軟磁合金材料自問世以來，因具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低損 耗、低矯頑力等特點(diǎn)而得到極大的重視和深入的研究，并廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源和電磁傳感 器等領(lǐng)域。
[0003] 自1988年日立金屬Yoshizawa等人發(fā)現(xiàn)了Fe-Si-B-Nb-Cu系合金以來，對鐵基 納米晶合金材料的深入探究將軟磁材料的研發(fā)推向了一個(gè)新高潮。經(jīng)多年發(fā)展，鐵基納米 晶軟磁合金主要包括三個(gè)合金體系，即Fe-Si-B-M-Cu(M=Nb、Mo、Ta、W)系FINEMET合金、 Fe-M-B-Cu(M=Zr、Hf、Nb)系NAN0PERM合金和（Fe，Co) -M-B-Cu(M=Zr、Hf、Nb)系HITPERM 合金。其中，NANOPERM合金雖然具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，但其綜合軟磁性能不及FINEMET合 金；此外，該合金還含有大量易氧化的貴金屬，如Zr、Hf、Nb等，這使其制備工藝復(fù)雜且成本 高昂，至今都未能實(shí)現(xiàn)真正的廣泛應(yīng)用。在NAN0PERM基礎(chǔ)上發(fā)明的HITPERM合金體系，盡 管其居里溫度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度均高于NAN0PERM合金，但由于合金體系中添加了大量的 貴金屬Co致使成本增加，所以該合金體系也未能實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。因此，F(xiàn)INEMET合金體系 的綜合軟磁性能最好且成本適中，并得到一定范圍的應(yīng)用。
[0004] 但是，F(xiàn)INEMET合金體系還存在明顯的缺點(diǎn)：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度不高。以FINEMET合 金體系中綜合軟磁性能最好的Fe73.5Si13.5B9Nb3CUl為例，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為1. 24T。相 比于其他高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁材料，在相同的工作條件下該合金材料需要更大體積， 這極大地限制了它的應(yīng)用范圍。近年來，開發(fā)的高鐵含量Fe-Si-B-P-Cu合金體系具有極高 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，可達(dá) 1. 9T[A.Makino,etc,J.Appl.Phys. 105 (2009) 07A308]，具有廣闊 的應(yīng)用前景。但是，苛刻的帶材制備工藝要求以及復(fù)雜的快速升溫?zé)崽幚砉に嚄l件限制了 該合金體系的廣泛應(yīng)用。
[0005] 目前，在電子器件小型化以及能源利用可持續(xù)化的發(fā)展趨勢下，市場迫切需求一 種具有商飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁合金材料。就鐵基納米晶軟磁合金材料而目，要提商飽和 磁感應(yīng)強(qiáng)度，就要盡可能地提高納米晶ct-Fe相在非晶基體相中的析出量。與此同時(shí)，為了 保證合金材料具有優(yōu)異的綜合軟磁性能，還必須保證非晶基體中晶粒尺寸均勻且呈彌散分 布。
[0006] 對Fe-Si-B-P-Cu合金體系而言，要提高納米晶α-Fe在非晶基體中的析出量， 首先必須增加Fe元素在非晶前驅(qū)體中的含量。但是Fe元素的增加會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)非鐵磁 性元素的減少。這些非鐵磁性元素對非晶形成能力有很大提升作用，其含量的減少會(huì)使 合金的非晶形成能力的下降，最終導(dǎo)致快淬帶材中析出初晶相[A.Makino,etc,J.Appl. Phys. 105(2009)013922]。因此，若片面追求高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，將會(huì)降低合金的非晶形成 能力，致使其臨界冷卻速度大于現(xiàn)有設(shè)備的冷卻速度而難以制備。此外，在后續(xù)熱處理過程 中，初晶相的存在導(dǎo)致晶粒非均勻形核與長大而造成整體晶粒尺寸分布不均；其次，還需要 盡可能地延長熱處理時(shí)間來提高納米晶ci-Fe的析出量，但較長熱處理時(shí)間勢必會(huì)導(dǎo)致晶 粒過分長大，這是由于該合金體系中缺少抑制晶粒長大的元素，所以較長時(shí)間熱處理會(huì)使 晶粒平均尺寸變大。
[0007] 另外，就實(shí)際熱處理工藝條件而言，批量熱處理需要合金保持較長的時(shí)間，經(jīng)過結(jié) 構(gòu)優(yōu)化后使材料獲得優(yōu)異、穩(wěn)定的性能。而Fe-Si-B-P-Cu合金體系采用的是短時(shí)間快速升 溫?zé)崽幚矸椒ā＿@種熱處理方法很難讓樣品在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱平衡。因此，該合金材料難 以用簡單易行的常規(guī)熱處理方法獲得優(yōu)異、穩(wěn)定的綜合性能。所以，該合金帶材制備工藝苛 亥IJ，熱處理工藝復(fù)雜而未能廣泛應(yīng)用。
[0008] 綜上所述，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與良好的非晶形成能力和高的熱穩(wěn)定性能是相互矛 盾的。如何找到三者的平衡點(diǎn)，即以盡可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異、穩(wěn)定的綜合軟磁性能為前提，獲得簡 化制備工藝和熱處理?xiàng)l件的納米晶軟磁材料，是當(dāng)前鐵基納米晶軟磁合金材料研究中亟待 解決的問題。
[0009] 目前，鐵基納米晶軟磁材料的性能優(yōu)化的研究成果如下：
[0010] 日立金屬株式會(huì)社在CN101796207B專利中，公布了一種Fe-M-Si-B-Cu非晶態(tài)合 金薄帶、納米晶態(tài)軟磁性合金和磁芯，Μ為Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的至少一種，該納 米晶態(tài)軟磁合金具有優(yōu)異的可加工性能，簡易的熱處理工藝條件。然而，該合金飽和磁感應(yīng) 強(qiáng)度為1. 24T，有待進(jìn)一步提高，同時(shí)，該合金體系中添加大量的過渡金屬元素，致使成本增 加。
[0011] 武漢科技大學(xué)在CN201210329061. 3專利中，公布了一種Fe-Si-B-P-Cu-M高飽和 磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵基納米晶軟磁合金材料及其制備方法，Μ為Co、Mo、Cr和Y，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng) 度為1. 6~1. 75T，然而，該合金中Co和Y的添加使得制備工藝成本增加，而且該合金的晶 化熱處理保溫時(shí)間為15~20分鐘，熱處理時(shí)間有待進(jìn)一步提高。
[0012] 寧波埃爾斯通電氣有限公司在CN201210495911. 7專利中，公布了一種 Fe-Si-B-Cu-M-Y具有高飽和磁通密度的Fe基軟磁合金及其制備方法，Μ為C、P、Cr、Mn中的 一種或幾種。該合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1. 2~1. 8T，但Y的添加使得制備成本增加。此外， 由于片面追求高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，使得該合金的熱處理工藝難以實(shí)現(xiàn)，如Fe7QSi6B12Cu3P6Y3 合金的晶化處理的保溫時(shí)間只有10分鐘，增加了制備難度，不便于工業(yè)生產(chǎn)。
[0013] 四川大學(xué)蘇州研究院在CN201210206675. 2專利中，公布了一種Fe-Si-B-P-Cu-X 高飽和磁化強(qiáng)度鐵基非晶納米晶軟磁合金及其制備方法，X為Al、Cr、Μη、Ti中的一種 或一種以上。該合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.56~1.84T，但其具有較大的矯頑力，如 Fef^AliCu^SUj^合金的矯頑力達(dá)到18A/m,該合金綜合軟磁性能還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。
[0014] 上海米創(chuàng)電器有限公司在CN201210005516. 6專利中，公布了一種 Fe-Cu-Al-Si-B-P鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1. 62~1. 82T， 但該合金具有較大的矯頑力，如合金的矯頑力達(dá)到18A/m，綜合軟磁性 能有待進(jìn)一步提高。同時(shí)，該合金晶化熱處理保溫時(shí)間為20分鐘，還需進(jìn)一步優(yōu)化。
[0015] 上述專利通過調(diào)整合金成分和優(yōu)化熱處理工藝在不同程度上改善了納米晶合金 材料的軟磁性能，但仍然存在以下兩個(gè)顯著缺點(diǎn)：（1)熱處理工藝上，對工藝要求苛刻，晶 化處理保溫時(shí)間太短，這極大地限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用；（2)軟磁性能上，很難達(dá)到優(yōu) 異、穩(wěn)定的綜合軟磁性能，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的飽和磁感強(qiáng)度和低的矯頑力。
[0016] 綜上所述，目前市場上缺乏熱處理工藝簡單，同時(shí)具備優(yōu)異、穩(wěn)定的軟磁性能的納 米晶軟磁合金材料及其制品。因此，開發(fā)一種能通過簡單熱處理工藝方法獲得優(yōu)異、穩(wěn)定軟 磁性能的納米晶軟磁合金對于當(dāng)前鐵基納米晶軟磁合金材料的研究和應(yīng)用具有極其重要 意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種鐵基納米晶軟磁合金，其兼具非晶形成能 力強(qiáng)、綜合軟磁性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，并且該鐵基納米晶軟磁合金的制備工藝具有 很高的可實(shí)施性。
[0018] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種鐵基納米晶軟磁合金，其成分化學(xué)式為： FeaSibBcPdCu eMf，其中，Μ為過渡金屬元素V、Ta和ff中的至少一種，下標(biāo)a、b、c、d、e、f 分別為各對應(yīng)元素的原子百分含量，并且80〈a〈84,2〈b〈6,8〈c〈12，l〈d〈4,0〈e〈2,0〈f〈4， a+b+c