CN110446798A - Fe基软磁合金 - Google Patents

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Abstract

公开了一种Fe基软磁合金。该合金具有通式Fe100‑a‑b‑c‑d‑x‑yMaM′bM″cM″′dPxMny，其中M是Co和/或Ni，M'是Zr、Nb、Cr、Mo、Hf、Sc、Ti、V、W和Ta的一种或多种，M″是B、C、Si和Al的一种或多种，且M″′选自Cu、Pt、Ir、Zn、Au和Ag。下标a、b、c、d、x和y表示元素的原子比例，并具有以下原子百分比范围：0≤a≤10、0≤b≤7、5≤c≤20、0≤d≤5、0.1≤x≤15和0.1≤y≤5。合金的余量是铁和常见的杂质。还公开了合金粉末、由其制成的磁性制品以及由该合金制成的无定形金属制品。

Description

Fe基软磁合金
发明背景
发明领域
本发明涉及具有优异磁性质的Fe基合金，更具体地说，涉及合金粉末或薄条形式的Fe基软磁合金，其具有适用于感应器、致动器、变压器、扼流圈和电抗器的磁芯的高饱和磁化。本发明还涉及生产这样的制品的方法。
相关技术的描述
已知的无定形和纳米晶体软磁粉末和由这种粉末制成的磁芯提供了非常好的软磁性质，包括高饱和磁化、低矫顽力和高磁导率。常规磁性材料，诸如铁氧体，用于在高频(例如1000Hz和更高)下工作的部件的磁芯中，因为它们具有高电阻率和低涡流损耗。这样的高激励频率导致更高的功率密度和更低的运行成本(以$/kW计)，但是由于材料中的涡流增加，也导致更高的损耗和更低的效率。铁氧体具有相对低的饱和磁化和高电阻率。因此，生产用于高频变压器、感应器、扼流圈和其他电力电子器件的小铁氧体芯并且还具有可接受的磁性质和电阻率，是困难的。由薄的Si-钢叠层制成的磁芯提供减小的涡流，但是这种薄的叠层通常具有差的堆叠系数。它们还需要额外的制造成本，因为钢叠层从条状或片状材料被冲压成形，然后堆叠并焊接在一起。相反，无定形磁粉末可以在单一成形操作(诸如金属注射成型)中直接形成所需形状。
在高激励频率下，由软磁电工钢叠层形成的芯比由无定形磁粉末制成的芯具有更多的芯损耗。在无定形粉末芯中，与表面层压电工钢相比，通过用电绝缘材料涂覆颗粒可以降低涡流损耗。这通过将涡流限制在各个粉末颗粒来最小化涡流损耗。而且，软磁粉末芯可以更容易地形成各种形状，因此与由磁性钢板或铁氧体制成的芯相比，更容易生产这种“压粉铁芯”。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供Fe基软磁合金，其具有通式Fe100-a-b-c-d-x-yMaM′bM"cM″′dPxMny。在本发明的合金中，M是Co和Ni中的一种或两种；M′是选自Zr、Nb、Cr、Mo、Hf、Sc、Ti、V、W和Ta的一种或多种元素；M″是选自B、C、Si和Al的一种或多种元素；并且M″′选自元素Cu、Pt、Ir、Zn、Au和Ag。下标a、b、c、d、x和y表示合金式中各元素的原子比例，并具有以下宽和优选的原子百分比范围：
下标 宽 中间 优选 优选
a 至多10 至多7 至多5 至多5
b 至多7 5最大 4最大 3最大
c 5-20 5-17 8-16 10-15
d 至多5 3最大 2最大 1.5最大
x 0.1-15 1-10 1-10 1-10
y 0.1-5 0.1-4 0.1-3 0.1-2
合金的余量是铁和不可避免的杂质，其在预期类似用途或运行的商业级软磁合金和合金粉末中发现。
根据本发明的第二方面，提供了由上述软磁合金制成的粉末，以及由该合金粉末制成的压实或固结的制品。合金粉末优选具有无定形结构，但也可以具有纳米晶体结构。根据本发明的另一方面，提供了由上述合金制成的细长的薄的无定形金属制品，例如带、箔、条或片。
上述列表是作为方便的概述提供的，和不旨在限制各个下标的范围的下限值和上限值以供彼此组合使用，或者不旨在限制下标的范围以仅供彼此组合使用。因此，一个或多个范围可以与剩余下标的一个或多个其他范围一起使用。另外，一种合金组合物的下标的最小值或最大值可以与另一种组合物中相同下标的最小值或最大值一起使用。
附图的简要说明
通过参考附图将更好地理解根据本发明的合金粉末的特性和性质，其中
图1A是根据本发明的合金粉末批次的显微照片，其具有来自实施例J的-635目(-20μm)的筛分析，以400×的放大倍数拍摄；
图1B是根据本发明的合金粉末批次的显微照片，其具有来自实施例J的-500+635目(-25+20μm)的筛分析，以400×的放大倍数拍摄；
图1C是根据本发明的合金粉末批次的显微照片，其具有来自实施例J的-450+500目(-32+25μm)的筛分析，以400×的放大倍数拍摄；
图2A是图1A中所示合金粉末的x射线衍射图；
图2B是图1B中所示合金粉末的x射线衍射图；和
图2C是图1C中所示合金粉末的x射线衍射图。
发明详细说明
根据本发明的合金优选地体现为具有通用合金式Fe100-a-b-c-d-x-yMaM′bM″cM″′dPxMny的无定形合金粉末。合金粉末在形式上也可以部分地是纳米晶体，即无定形和纳米晶体粉末颗粒的混合物。这里和整个说明书中的术语“无定形粉末”是指其中各个粉末颗粒在形式或结构上完全或至少基本上全部是无定形的合金粉末。术语“纳米晶体粉末”是指其中各个粉末颗粒在结构上基本上是纳米晶体(即具有小于100nm的晶粒尺寸)的合金粉末。除非另有说明，术语“百分比”和符号“％”表示原子百分比。此外，结合数值或范围使用的术语“约”是指基于已知的标准化测量技术，本领域技术人员预期的通常的分析公差或实验误差。
本发明的合金可以包括选自Ni和Co中的一种或两种的元素M。Ni和Co有助于由合金粉末制成的磁性制品提供的高饱和磁化，特别是当由合金制成的制品在高于正常环境温度的温度下使用时。元素M可构成合金组合物的至多约10％。更好的是，元素M可构成合金组合物的至多约7％，优选至多约5％。当存在时，合金含有至少约0.2％，更好至少约1％，和优选至少约2％的元素M，以获得可归因于那些元素的益处。
根据本发明的合金还可包括元素M'，其选自Zr、Nb、Cr、Mo、Hf、Sc、Ti、V、W、Ta及其两种或更多种的组合。元素M'优选为Zr、Nb、Hf和Ta中的一种或多种。元素M'可构成合金粉末组合物的至多约7％，以有利于材料的玻璃形成能力并确保在雾化后凝固期间形成无定形结构。M'元素还限制促进粉末颗粒中纳米晶体结构的形成的凝固期间的晶粒尺寸增长。优选地，元素M'构成合金粉末组合物的不超过约5％并且更好地，不超过约4％。为获得最佳结果，合金含有不超过约3％的元素M'。当存在时，合金含有至少约0.05％，更好至少约0.1％，和优选至少约0.15％的元素M'，以获得由那些元素促进的益处。
在合金组合物中存在至少约5％的元素M″，以有利于合金的玻璃形成能力并确保在合金凝固期间形成无定形结构。优选地，合金含有至少约8％，更好至少约10％M″。元素M″选自B、C、Si、Al及其两种或更多种的组合。优选地，M″是B、C和Si中的一种或多种。太多的M″会导致形成一种或多种不希望的相，所述相对合金提供的磁性质产生不利影响。因此，合金粉末含有不超过约20％的元素M″。优选地，合金含有不超过约17％，更好地不超过约16％的元素M″。为获得最佳结果，合金含有不超过约15％的元素M″。
根据本发明的合金还可包含最多约5％的元素M″′，其作为成核剂以促进合金中的纳米晶体结构的形成和提供合金中的纳米晶体结构。M″′元素还有助于通过增加凝固期间形成的结晶晶粒的数密度来限制晶粒尺寸。优选地，结晶的晶粒尺寸小于约1μm。M″′选自Cu、Pt、Ir、Au、Ag及其组合。优选M″′是Cu和Ag中的一种或两种。合金优选不含超过约3％，更好地不含超过约2％的元素M″′。为获得最佳结果，合金含有不超过约1.5％元素M″′。当存在时，合金含有至少约0.05％，更好地至少约0.1％，和优选至少约0.15％的元素M″′，以获得由那些元素提供的益处。
合金组合物中存在至少约0.1％的磷，和优选至少约1％的磷，以促进形成玻璃状或无定形结构。该合金含有不超过15％的磷，和优选不超过约10％的磷，以限制对合金提供的磁性质产生不利影响的第二相的形成。
该合金含有至少约0.1％的锰，以有利于合金形成无定形和纳米晶体结构的能力。据信锰还有益于合金提供的磁性质和电性质，包括在高频操作条件下的低矫顽力和低铁损耗。该合金可含有最高约5％的锰。过多的锰会对合金的饱和磁化和Curie温度产生不利影响。因此，该合金含有不超过约4％，更好地不超过约3％的锰。为获得最佳结果，合金含有不超过约2％的锰。
合金的余量是Fe和常见的杂质。在杂质元素中，硫、氮、氩和氧不可避免地存在，但其量不会对由上述合金提供的基本和新颖的性质产生不利影响。例如，根据本发明的合金粉末可含有最高约0.15％的所述杂质元素，而不会不利地影响由该合金提供的基本和新颖的性质。
通过熔化和雾化合金制备本发明的合金粉末。优选地，将合金真空感应熔化，然后用惰性气体、优选氩气或氮气雾化。磷优选以一种或多种金属磷化物如FeP、Fe2P和Fe3P的形式加入到熔融合金中。雾化优选以提供足够快速凝固的方式进行，以产生超细粉末产品，其中粉末颗粒具有无定形结构。可用于雾化合金的替代技术包括水雾化、离心雾化、旋转水雾化、机械合金化和能够提供超细粉末颗粒的其他已知技术。
优选制备本发明的合金粉末，使其基本上由具有无定形结构的颗粒组成。优选地，无定形粉末的平均粒度小于100μm，且粉末颗粒具有至少约0.85的球形度。球形度定义为球形颗粒的表面积与非球形颗粒的表面积之比，其中球形颗粒的体积与非球形颗粒的体积相同。球形度的通式在Wadell,H.,"Volume,Shape and Roundness of Quartz Particles",Journal of Geology,43(3):250–280(1935)中定义。无定形合金粉末可包括非常少量的纳米晶体相。然而，为了避免对磁性质的不利影响，优选包含成核剂(M″′)以促进纳米晶体相中所需的非常小的晶粒尺寸。替代地或另外地，在雾化期间可以使用较高的冷却速率以最大化无定形相的形成。
可以生产合金粉末，使其基本上由纳米晶体颗粒组成。优选通过包括如上所述的成核元素(M″′)并且在雾化期间使用比在雾化合金产生无定形相粉末时更低的冷却速率来形成纳米晶体粉末。纳米晶体粉末可含有最多约5体积％的无定形相。
该合金还可以以非常薄的细长产品形式(例如带、箔、条和片)生产。为了获得无定形结构，通过快速凝固技术如平面流铸或熔体纺丝生产该合金的薄产品形式。根据本发明的薄的细长产品优选具有小于约100μm的厚度。
根据本发明的合金粉末和合金的细长的薄产品形式适用于制造用于感应器、致动器(例如，螺线管)、变压器、扼流圈、磁电抗器的磁芯。该合金粉末特别可用于制造用于电子电路和部件的小型化形式的这种磁装置。在这方面，由本发明的合金粉末制成的磁芯提供至少约150emu/g的饱和磁化(Ms)和不超过15Oe的矫顽力。
工作实施例
为了证明根据本发明的合金粉末的基本和新颖的性质，将十(10)个实施例熔炼量(heat)真空感应熔化然后雾化以提供具有下表1中所示的组成(按原子百分比)的合金粉末批次。
表1
筛分凝固的粉末以确定粒度分布。图1A、1B和1C中所示的是表1的实施例J的合金粉末颗粒的部分的显微照片，其显示了粉末颗粒的表面形态。从图1A、1B和1C可以看出，粉末颗粒形状基本上都是球形的，并且尺寸范围为从约-635目直到约-450目。
图2A、2B和2C是由该实施例熔炼量产生的合金粉末的x射线衍射图。该图显示最细粉末尺寸的大的宽峰和较大粉末尺寸的一些小峰。这些图表明在所有尺寸下基本上无定形的结构，其中在较大的粉末尺寸中存在纳米晶体晶粒。
分析由实施例A-J形成的粉末批次以确定它们的微结构。分析结果如下表2所示。
表2
在17,000Oe的感应下测量每批次的饱和磁化性质(Ms)。每个实施例的磁测试结果也显示在表2中。实施例C提供的Ms略低于预期，并且据信是由于存在太多不希望的纳米晶体相。
在本说明书中使用的术语和表达作为描述而不是限制的术语来使用。使用这些术语和表达不意图排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物。应认识到，在本文描述和要求保护的发明内的各种修改是可能的。

Claims (27)

1.一种Fe基软磁合金，具有通式
Fe100-a-b-c-d-x-yMaM′bM″cM″′dPxMny，其中
M是Co和Ni中的一种或两种；
M'是选自Zr、Nb、Cr、Mo、Hf、Sc、Ti、V、W和Ta的一种或多种元素；
M”是选自B、C、Si和Al的一种或多种元素；
M”'选自元素Cu、Pt、Ir、Zn、Au和Ag；
其中a、b、c、d、x和y表示所述式中各元素的原子比例，并具有以下原子百分比范围：
0≤a≤10，
0≤b≤7，
5≤c≤20，
0≤d≤5，
0.1≤x≤15，和
0.1≤y≤5，
且合金组合物的余量是铁和不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的合金，其中0≤a≤7。
3.权利要求2所述的合金，其中0.2≤a≤7。
4.权利要求1所述的合金，其中0≤b≤5。
5.权利要求4所述的合金，其中0.05≤b≤5。
6.权利要求1所述的合金，其中5≤c≤17。
7.权利要求1所述的合金，其中0.05≤d≤5。
8.权利要求7所述的合金，其中0.05≤d≤3。
9.权利要求1所述的合金，其中1≤x≤10。
10.权利要求1所述的合金，其中0.1≤y≤4。
11.一种Fe基软磁合金，具有通式
Fe100-a-b-c-d-x-yMaM′bM″cM″′dPxMny，其中
M是Co和Ni中的一种或两种；
M'是选自Zr、Nb、Cr、Mo、Hf、Sc、Ti、V、W和Ta的一种或多种元素；
M”是选自B、C、Si和Al的一种或多种元素；
M”'选自元素Cu、Pt、Ir、Zn、Au和Ag；
其中a、b、c、d、x和y表示所述式中各元素的原子比例，并具有以下原子百分比范围：
0≤a≤7，
0≤b≤5，
5≤c≤17，
0≤d≤3，
1≤x≤10，和
0.1≤y≤4，
且合金组合物的余量是铁和不可避免的杂质。
12.权利要求11所述的合金，其中0.2≤a≤7。
13.权利要求12所述的合金，其中0.2≤a≤5。
14.权利要求11所述的合金，其中0.05≤b≤5。
15.权利要求14所述的合金，其中0.05≤b≤4。
16.权利要求11所述的合金，其中8≤c≤16。
17.权利要求11所述的合金，其中0≤d≤2。
18.权利要求11所述的合金，其中0.1≤d≤2。
19.权利要求8所述的合金，其中0.1≤y≤3。
20.一种Fe基软磁合金，具有通式
Fe100-a-b-c-d-x-yMaM′bM″cM″′dPxMny，其中
M是Co和Ni中的一种或两种；
M'是选自Zr、Nb、Cr、Mo、Hf、Sc、Ti、V、W和Ta的一种或多种元素；
M”是选自B、C、Si和Al的一种或多种元素；
M”'选自元素Cu、Pt、Ir、Zn、Au和Ag；
其中a、b、c、d、x和y表示所述式中各元素的原子比例，并具有以下原子百分比范围：
0≤a≤5，
0≤b≤4，
8≤c≤16，
0≤d≤2，
1≤x≤10，和
0.1≤y≤3，
且合金组合物的余量是铁和不可避免的杂质。
21.权利要求20所述的合金，其中1≤a≤5。
22.权利要求20所述的合金，其中1≤a≤3。
23.权利要求20所述的合金，其中0.1≤b≤4。
24.权利要求23所述的合金，其中0.1≤b≤3。
25.权利要求20所述的合金，其中10≤c≤15。
26.权利要求20所述的合金，其中0.1≤d≤2。
27.权利要求20所述的合金，其中0.1≤y≤2。
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