一種鐵基納米晶軟磁合金材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及Fe基納米晶軟磁合金材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有低成本，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低矯頑力、高居里溫度的鐵基納米晶軟磁合金材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Fe基非晶、納米晶軟磁合金具有尚的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、尚強(qiáng)初性、低損耗、低矯頑力、高磁導(dǎo)率等優(yōu)異性能，同時其制備工藝簡單，成本低廉，高效節(jié)能，有望成為硅鋼和軟磁鐵氧體的換代產(chǎn)品而被廣泛應(yīng)用于各種電子電力、儀器儀表等設(shè)備領(lǐng)域，促進(jìn)產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保、小型化、輕量化發(fā)展。
[0003]Fe基納米晶軟磁合金由非晶合金經(jīng)過晶化熱處理制備得到，結(jié)構(gòu)由非晶基體和納米晶粒兩相結(jié)構(gòu)組成，兼具了傳統(tǒng)晶態(tài)軟磁材料及非晶態(tài)軟磁材料的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。到目前為止，F(xiàn)e基納米晶軟磁研究主要包括三個體系=Fe-S1-B-M-Cu (M = Nb、Mo、W、Ta等)FINMET系合金，F(xiàn)e-M-B-Cu (M = Zr^Hf ^ Nb 等)NAN0PERM 系合金以及(Fe，Co)-M-B-Cu (M = Zr、Hf、Nb等)系HITPERM系合金。
[0004]其中，F(xiàn)INEMET系合金具有高磁導(dǎo)率，低損耗等特點(diǎn)，表現(xiàn)出較優(yōu)異的綜合軟磁性能，但其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，典型成分Fe73.6Nb3Si13.5B9Cuj^飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為1.24T，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。
[0005]與FINEMET相比，NAN0PERM系合金表現(xiàn)出較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，且合金磁致伸縮系數(shù)趨近于零，大大降低了其應(yīng)力敏感性，可在高頻下使用。但是，由于大量易氧化貴金屬Zr，Hf等的存在導(dǎo)致了合金成本提高，同時使得制備工藝復(fù)雜。
[0006]在NAN0PERM基礎(chǔ)上發(fā)明的HITPERM系合金通過采用Co元素部分替代Fe，使得析出相為體心立方的a-(Fe，Co)，該a-(Fe，Co)的存在進(jìn)一步提高了合金飽和磁化強(qiáng)度，同時使合金具有較高的居里溫度。但是，其矯頑力高達(dá)上百，含有Zr、Hf、Nb等的同時還含有大量昂貴的Co元素(一般Co元素的原子百分比在40%以上)，這在一定程度上提高了合金生產(chǎn)成本，限制了其廣泛的生產(chǎn)應(yīng)用。
[0007]中國專利 CN102254665A 公開了一種 FeCoMBCu 合金，M 為 Nb，Zr，Hf，Mo，W，Ta 中的一種或幾種，該合金兼具高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與高的居里溫度。然而，該合金中Co和M(Nb，Zr，Hf，Mo，W，Ta)的元素百分比含量仍舊較高，分別為40%?42.8%和5%?8%，這些元素的大量加入使得該合金成本較為昂貴。
[0008]為了滿足現(xiàn)代電子電力、航空航天、軍事民用工業(yè)發(fā)展，日趨增多高電壓輸電線路需要，高頻電感、高頻開關(guān)電源、高頻變壓器等磁性器件的輕量化、小型化需求，以及緩解當(dāng)今社會自然環(huán)境的壓力，有待開發(fā)一種具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，軟磁性能良好且生產(chǎn)成本低廉的鐵基納米晶軟磁合金材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種鐵基納米晶軟磁合金材料，該材料成本低廉，并且具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高居里溫度以及低較高等良好軟磁性能的優(yōu)點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明提供的鐵基納米晶軟磁合金材料的分子式為:
[0011]FeaCobNbcBdCue
[0012]其中，a、b、c、d、e分別表不各對應(yīng)兀素的原子百分含量，63 ^ a ^ 78, 5 ^ b ^ 25,0.5 彡 c 彡 4，10 彡 d 彡 20，0.5 彡 e 彡 1.5 并且 a+b+c+d+e = 100。
[0013]作為優(yōu)選，所述的65彡a彡75，進(jìn)一步優(yōu)選為68 < a < 73。
[0014]作為優(yōu)選，所述的6彡b彡20，進(jìn)一步優(yōu)選為8彡b彡10。
[0015]作為優(yōu)選，所述的I彡c彡3.5，進(jìn)一步優(yōu)選為1.5彡c彡2.5。
[0016]作為優(yōu)選，所述的12 < d < 18，進(jìn)一步優(yōu)選為13彡d彡16。
[0017]作為優(yōu)選，所述的0.6彡e彡1.2，進(jìn)一步優(yōu)選為0.9彡e彡1.1。
[0018]本發(fā)明還提供了一種制備上述鐵基納米晶軟磁合金材料的方法，包括如下步驟:
[0019]步驟1:按照上述分子式稱取各元素進(jìn)行配料；
[0020]步驟2:將步驟I配制的原料裝入熔煉爐中，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行熔煉，冷卻后得到成分均勻的母合金鑄錠；
[0021]步驟3:將母合金鑄錠破碎為小塊樣品，重新熔融后采用銅模鑄造制得非晶合金；
[0022]步驟4:將非晶合金進(jìn)行退火晶化處理，得到納米晶軟磁合金材料。
[0023]作為優(yōu)選，所述的步驟I中，元素Fe、Co、Nb、B和Cu的純度均不低于99wt.%。
[0024]作為優(yōu)選，所述的步驟2中，熔煉溫度為1300-1800°C。
[0025]作為優(yōu)選，所述的步驟2中，熔煉時間為20-40分鐘。
[0026]作為優(yōu)選，所述的步驟3中，非晶合金為條帶狀，條帶寬度優(yōu)選為l_2mm，厚度優(yōu)選為 20-25 μπι。
[0027]作為優(yōu)選，所述的步驟4中，退火晶化處理過程為:將非晶合金在真空氣氛中用等溫退火進(jìn)行晶化處理，然后淬火至室溫。
[0028]作為優(yōu)選，所述的步驟4中，退火溫度為530_570°C。
[0029]作為優(yōu)選，所述的步驟4中，退火時間為1-3分鐘，進(jìn)一步優(yōu)選為2.5-3.5分鐘。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0031]綜上所述，本發(fā)明人基于長期在非晶態(tài)磁性材料技術(shù)領(lǐng)域的科研實(shí)踐，結(jié)合現(xiàn)有非晶磁性合金的技術(shù)現(xiàn)狀，通過大量反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，得到本發(fā)明提出的鐵基納米晶軟磁合金的成分含量配方，利用該配方進(jìn)行配料制備得到的鐵基納米晶軟磁合金在具備較強(qiáng)非晶形成能力與磁性能的同時，具有突出的斷裂強(qiáng)度與塑性變形能力。與現(xiàn)有的非晶磁性合金相比，本發(fā)明提供的非晶磁性合金具體性能優(yōu)點(diǎn)如下:
[0032](I)本發(fā)明中，鐵基納米晶軟磁合金材料由Fe、Co、Nb、B、Cu元素組成，其中，Co、Nb元素的原子百分含量均較低，Co元素的原子百分含量在5-25范圍，Nb元素的原子百分含量在0.5-4范圍，因此大大降低了合金材料的成本；該鐵基納米晶軟磁合金材料的結(jié)構(gòu)中包括非晶基體和納米晶粒相，該納米晶粒相為體心立方的a-(Fe，Co)，其晶粒尺寸平均值小于20nm ;同時，該鐵基納米晶軟磁合金材料具有良好的磁性能，不僅具有尚的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的居里溫度，還具有較低的矯頑力，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.8T以上，居里溫度在900°C以上，矯頑力低于50A/m，優(yōu)選低于40A/m，甚至可以控制在10_35A/m范圍；
[0033](2)本發(fā)明提供的制備該納米晶軟磁合金材料的方法簡單易操作，制得的合金材料結(jié)構(gòu)中包括非晶基體和納米晶相，晶化析出相為體心立方的a-(Fe，Co)，納米晶粒尺寸平均值小于20nm ；
[0034]因此，本發(fā)明的鐵基納米晶軟磁合金材料具有低成本、高軟磁性能的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景，例如可應(yīng)用于環(huán)形鐵芯、變壓器以及航空航天等技術(shù)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中(Fea9Coa J83Nb2B14Cu^金條帶非晶態(tài)及納米晶態(tài)的X射線衍射(XRD)圖譜；
[0036]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中淬態(tài)(Fea9Coa J83Nb2B14Cu^晶合金帶材的DSC曲線；
[0037]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中熱處理后的(Fea9CoaDJb2B14Cu1納米晶合金帶材的室溫磁滯回線；
[0038]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中(FeasC0a2)83Nb2B14Cu^金條帶非晶態(tài)及納米晶態(tài)的X射線衍射(XRD)圖譜；
[0039]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中熱處理后的(FeasCoa2)s3Nb2B14Cu1納米晶合金帶材的透射電子顯微鏡明場像及選區(qū)電子衍射圖像；
[0040]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2中淬態(tài)(FeasCoa2)S3Nb2B14Cu^晶合金帶材的DSC曲線；
[0041]圖7是本發(fā)明實(shí)施例2中熱處理后的(FeasCoa2)s3Nb2B14Cu1納米晶合金帶材的室溫磁滯回線。
【具體實(shí)施方