CN102226256A - Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法 - Google Patents

Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法。其主要步骤是：将Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金在第一晶化峰值温度Tp真空退火处理并保温一定的时间，退火结束以后淬入冷却介质中快速冷却至室温。本发明方法能够使Fe基块体非晶合金实现纳米晶化，并明显提高了其软磁性能，本工艺为制备Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料提供了一种新的工艺方法。

Description

Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法
技术领域
本发明具体涉及冶金领域，尤其涉及一种Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料金的制备方法。由此制得的Fe基块体软磁纳米晶/非晶复合材料具有较其相应的Fe基块体非晶合金更加优异的软磁性能。
背景技术
Fe基纳米晶/非晶复合材料具有高的磁饱和强度、低矫顽力、高磁导率以及低的磁滞损耗的优点，具有比坡莫合金、硅钢片、非晶合金更加优异的软磁性能，在电力电子工业领域具有广阔的应用前景。
20世纪80年代末，Yoshizawa等发现在Fe-Si-B系合金中加入适量的Cu，并经适当的晶化退火工艺处理后可获得在非晶基底上嵌有纳米尺寸α-Fe的复合材料。由于α-Fe相和非晶相的交换耦合作用，使得该成分的合金具有优异软磁性能。现有的非晶纳米晶软磁材料主要的合金系有Fe-Si-Nb-B-Cu系、Fe-Zr-B-Cu系和Fe-Co-Nb-B-Cu系等，由于Cu的富集作用，在快速凝固的过程中会成为晶化形核的核心，因而降低了这些合金系的非晶形成能力，不易制备出尺寸较大的块体非晶合金，仅能制备出薄带状样品。薄带材料用作磁性材料有三个主要缺点：带材太薄导致铁芯缠绕层数增加，层与层之间存在大量的空气，这导致铁芯致密度下降，则势必导致磁通密度的降低：同时存在退火脆性和应力敏感，导致铁芯的制备困难，从而限制了纳米晶软磁材料的应用。
为了获得三维大尺寸块体纳米非晶合金，首先得制备出纳米非晶粉末，然后采用机械合金化法将粉末烧结压实，制得块体状的纳米非晶合金。由于在纳米材料的烧结过程中，纳米晶粒的长大和致密化的进程是两个相互竞争的过程，因此为了保证获得晶粒细小的纳米组织，必定会影响到块体的粉末致密度。实际生产过程中因由纳米粒子压实成的块体致密度不高，体内存在大量孔隙，导致粉末冶金法制备的块体磁性材料难以显示优异的磁性能。
压力晶化法，首先对非晶态合金加压，然后对大块非晶合金加热，保温，自然冷却，最后卸载压力，得到纳米晶/非晶复合材料。该方法操作过程复杂，流程多，设备昂贵。而且制备出的块体非晶合金为非磁性的Zr基块体非晶合金。
超声法可实现大块非晶合金纳米晶化法，在超声条件下对块体非晶合金进行加热处理实现纳米晶化，虽然能够实现块体非晶合金的纳米晶化，但是所用到的设备复杂、且处理时间较长（30～90min），增加了处理成本，而且处理的大块非晶合金不具有软磁性能。
Fe74Al4Ga2P12B4Si4基块体非晶合金纳米晶化法提高软磁性能，虽然通过晶化退火处理，获得了纳米尺寸的α-Fe相，然而Fe74Al4Ga2P12B4Si4块体非晶合金本质不属于软磁材料，纳米晶化处理后矫顽力降低至94.16Oe=7496A/m。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法，它通过晶化退火的方法实现Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金的纳米化，进而制备出结构致密度高、软磁性能较其相应的Fe基块体非晶合金更加优异的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
将块体非晶合金直接晶化获得具有软磁性能优异的块体纳米晶/非晶复合材料，主要包括以下步骤：
（1）用铜模铸造法制备具有软磁性能的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金；
（2）对制备的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金进行DSC分析，确定该合金的晶化峰值温度Tp；
（3）利用石英管将上述Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金封存在真空***中，并使其真空度达到10-3～10-5MPa；
（4）高温电阻炉升温至晶化峰值温度Tp，待炉温恒定之后将经上步真空封装的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金放入电阻炉内，由于石英管尺寸较小，其放入电阻炉瞬间就达到炉温，因此其对炉温的影响可以忽略不计，认为是等温退火处理。待石英管放入电阻炉后开始计时，10分钟后退火结束。
（5）退火结束以后将样品从电阻炉内取出，并迅速淬入室温下的冷却水中，快速冷却至室温，得Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料。
所述冷却介质为水、油、中的任意一种。
本发明具有积极有益的效果：
1.所制备出的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体纳米晶/非晶复合材料是由块体非晶合金直接纳米晶化获得的，因而合金结构致密度高达100%（而纳米粉末烧结压实方法得到纳米块体的致密度最高仅为70%～80%），软磁性能较其相应的Fe基块体非晶合金更加优异：矫顽力明显降低；磁导率大大提高。
2.在本发明中将Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金在第一晶化峰值温度Tp的较高温度直接晶化退火处理，进而制备出软磁性能优异的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料；该材料是由块体非晶合金晶化而得到的，通过控制大块非晶合金的晶化条件，可得到具有结构紧密、缺陷较少、成分准确的大块纳米晶或非晶/纳米晶复合材料；与其它的工艺相比，本发明工艺具有操作容易、设备简单、处理过程较短、能耗低等优点，同时使用该工艺获得的材料软磁性能更加优异。
附图说明
图1为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金的DSC曲线；
图2为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金退火处理10min前后的XRD曲线对比；
图3为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金退火处理10min前后的磁滞回线对比；
图4为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金退火处理5min前后的XRD曲线对比；
图5为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体非晶合金退火处理5min前后的磁滞回线对比。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步阐述本发明。下述实施例中所涉及非晶合金制备及相关的检测方法，如无特别说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验设备及试剂，如无特别说明，均为市售。
实施例1  一种Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料金的制备方法，包括以下步骤：
（1）设计成分为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3的Fe基块体非晶合金，以纯度为99.9%以上的纯金属和中间合金为原料配比，利用电弧熔炼的方式反复熔炼获得成分均匀的母合金，利用感应熔炼的方式再次熔化母合金，再利用铜模铸造的方法制得直径为2mm的块体非晶合金。
（2）对上步所得Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3非晶样品进行DSC分析，参见图1，得到该成分合金的晶化峰值温度Tp为522℃，样品在该温度真空退火处理时间10分钟。
（3）高温电阻炉升温至522℃，并待温度恒定以后，将使用石英管真空封存的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3试样放入真空炉中等温退火处理。
（4）当样品在522℃保温10分钟结束以后，将样品迅速淬入室温下的水中，实现快速冷却，得到块体纳米非晶合金。
（5）对退火处理后的样品进行XRD分析（参见图2），和磁性能磁滞回线分析（参见图3），有关磁性能指标见表1。
表1 退火10分钟前后的磁性能比较
磁性参数 矫顽力Hc（A/m） 初始有效磁导率
Figure 2011101557269100002DEST_PATH_IMAGE001
退火前 15.96 1885
晶化退火处理后 1.428 19877
实施例2  一种Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料金的制备方法，包括以下步骤：
（1）设计成分为Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3的Fe基块体非晶合金，以纯度为99.9%以上的纯金属和中间合金为原料配比，利用电弧熔炼的方式反复熔炼获得成分均匀的母合金，利用感应熔炼的方式再次熔化母合金，再利用铜模铸造的方法制得直径为2mm的块体非晶合金。
（2）对非晶样品进行DSC分析（同实施例1），得到该成分合金的晶化峰值温度Tp为522℃。样品在该温度真空退火处理时间5分钟。
（3）高温电阻炉升温至522℃，并待温度恒定以后，将使用石英管真空封存的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3试样放入真空炉中等温退火处理。
（4）当样品在522℃保温5分钟结束以后，将样品迅速淬入水中，实现快速冷却，得到块体纳米非晶合金。
（5）对退火处理后的样品进行XRD分析（参见图4），和磁性能磁滞回线分析（参见图5），有关磁性能指标见表2。
对退火处理后的样品进行XRD分析，和磁性能磁滞回线分析。
表2 退火5分钟前后的磁性能比较
磁性参数 矫顽力Hc（A/m） 初始有效磁导率
Figure 62553DEST_PATH_IMAGE001
退火前 15.96 1885
晶化退火处理后 3.214 11129
改变上述实施例中的各个具体的参数，可形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (2)

1.一种Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）用铜模铸造法制备具有软磁性能的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金；
（2）对制备的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金进行DSC分析，确定该合金的晶化峰值温度Tp；
（3）利用石英管将上述Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金封存在真空***中，并使其真空度达到10-3～10-5MPa；
（4）高温电阻炉升温至晶化峰值温度Tp，待炉温恒定之后将经上步真空封装的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3基块体非晶合金放入电阻炉内，待石英管放入电阻炉后开始计时，5～20分钟后退火结束；
（5）退火结束以后将样品从电阻炉内取出，并迅速淬入室温下的冷却水中，快速冷却至室温，得Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料。
2.根据权利要求1所述的Fe66Co10Mo4P4C4B4Si3块体软磁纳米晶/非晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述冷却介质为水、油中的任意一种。
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