CN110670001A - 富硅含p型铁基非晶纳米晶合金及铁基非晶合金纳米晶磁芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种如式FexSiyBzCueNbmPn所示的铁基非晶纳米晶合金，本申请还提供了一种铁基非晶纳米晶合金的制备方法；本申请通过添加适量的P元素，有效减小了铁基非晶纳米晶合金的矫顽力，提高了1kHz～20kHz的有效磁导率，且通过与其他元素配合，使得铁基非晶纳米晶合金的非晶形成能力好，热稳定性优良。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料技术领域，尤其涉及一种铁基非晶纳米晶合金及铁基非晶合金纳米晶磁芯的制备方法。
背景技术
软磁材料及其相关器件(电感、变压器和电机)在整个世界的能量转换中起着关键作用。电能的转换包括能源、存储和电网之间的双向能量流动，并广泛应用于电力电子学领域。随着宽带隙(WBG)半导体的引入，使得电力转换、电子和电机控制器能够在更高的频率下工作。这可以进一步降低电力电子学中元器件(电感和电容器)的尺寸要求，并使其具有更高的效率和更高的转速。与此同时，市场对软磁材料的性能要求也越来越高。
自19世纪以来，当纯铁是唯一可用的软磁材料时，冶金学家、材料科学家和相关人员一直在推出改进的材料。1900年硅钢的发明是软磁材料的一个值得关注的事情。目前，占据金属软磁材料近80％市场份额的硅钢和纯铁仍是全球软磁市场的主导地位，是大型变压器和电机的首选材料。然而，硅钢和纯铁的低电阻使其严重受到涡流效应的影响，特别是当工作频率增加时磁芯有更为严重的涡流损耗，造成了严重的能源和环境问题，与近年来电力电子技术向高频、大电流、小型化、高效节能的发展方向不符。而经过几十年的发展研究后，新一代软磁材料非晶/纳米晶软磁合金因其优异的软磁性能，即具有较高的饱和磁化强度BS和磁导率μ及低的铁损PC，吸引国内外众多的研究者进行大量的科学研究且有些研究成果已成功进行产业化。
Fe基非晶/纳米晶软磁合金因其突出的软磁性能和相对较低的成本，正逐步替代硅钢、坡莫合金和铁氧体等广泛应用于高频电子变压器、电感器等电力电子器件中，可以提高变压器效率，缩小体积、减轻重量、降低损耗，被誉为21世纪新型绿色节能材料，目前正广泛应用于电力电子领域。
新近研发热的软磁复合材料虽然适合因绝缘包覆设计而获得极高的电阻率，能适应更高的工作频率，但其导率却不高。针对目前软磁材料状况，进一步开发出饱和磁感应强度高，磁导率高，损耗低的的铁基非晶纳米晶软磁合金，是满足电力电子对软磁材料要求的关键。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种非晶形成能力好、热稳定性优良以及软磁性能优异的铁基非晶纳米晶合金。
有鉴于此，本申请提供了一种如式(Ⅰ)所示的铁基非晶纳米晶合金，
FexSiyBzCueNbmPn (Ⅰ)；
其中，x、y、z、e、m与n分别表示对应组分的原子百分含量；71.5≤x≤73.5，12.5≤y≤15.5，1.0≤z≤7.0，0.5≤e≤2.0，1.0≤m≤3.0，0＜n≤3；且x+y+z+e+m+n＝100。
优选的，所述Fe的原子百分含量为72～73.5，所述Si的原子百分含量为13～15.5。
优选的，所述B的原子百分含量为4～6，所述P的原子百分含量为0.5～2，所述Cu的原子百分含量为0.5～1.2，所述Nb的原子百分含量为1.5～3.0。
优选的，所述铁基非晶纳米晶合金中，n+z＝7。
优选的，所述铁基非晶纳米晶合金中，n+y＝15.5。
优选的，所述铁基非晶纳米晶合金中，n+x＝73.5。
优选的，所述铁基非晶纳米晶合金为Fe73.5Si15.5B6Cu1Nb3P1、Fe73.5Si15.5B5Cu1Nb3P2、Fe73.5Si15.5B4Cu1Nb3P3、Fe73.5Si14.5B7Cu1Nb3P1、Fe73.5Si13.5B6Cu1Nb3P2、Fe73.5Si12.5B5Cu1Nb3P3、Fe73Si15.5B7Cu1Nb3P0.5、Fe72.5Si15.5B6Cu1Nb3P1、Fe72Si15.5B5Cu1Nb3P1.5或Fe71.5Si15.5B4Cu1Nb3P2。
本申请还提供了一种铁基非晶纳米晶磁芯的制备方法，包括以下步骤：
按照权利要求1的铁基非晶合金纳米晶合金的成分配料后熔炼，得到铁基非晶纳米晶母合金；
将所述铁基非晶纳米晶母合金进行铜辊快淬，得到铁基非晶合金薄带；
将所述铁基非晶合金薄带进行热处理，得到铁基非晶纳米晶磁芯。
优选的，所述铜辊快淬中，所述铜辊的线速度为50m/s～55m/s。
优选的，所述热处理的初始温度为200℃，一次加热速率为10℃/min，第一阶段保温温度为460～510℃，保温时间为15min；二次加热速率为1℃/min，第二阶段保温温度为500～520℃，保温时间为60min；随炉冷却至300℃空冷。
本申请提供了一种铁基非晶纳米晶合金，其具有如式FexSiyBzCueNbmPn所示的铁基非晶纳米晶合金，本申请通过添加适量的P元素，有效减小了铁基非晶纳米晶合金的矫顽力，提高了1kHz～20kHz的有效磁导率，且通过与其他元素配合，使得铁基非晶纳米晶合金的非晶形成能力好，热稳定性优良；进一步的，通过热处理，铁基非晶纳米晶合金中纳米颗粒约为15nm的α-Fe纳米磁性颗粒，也使得铁基非晶纳米晶合金具有优异的软磁性能。
附图说明
图1为本发明铁基非晶纳米晶合金的工艺流程示意图；
图2为第一组实施例系列合金带材淬态下的XRD谱；
图3为第二组实施例系列合金带材淬态下的XRD谱；
图4为第三组实施例系列合金带材淬态下的XRD谱。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中铁基非晶纳米晶合金的需求，本申请通过合金成分的设计以及合金化来改善磁性能，以期提升铁基非晶纳米晶磁性高频下的磁性能。具体的，本发明实施例公开了一种如式(Ⅰ)所示的铁基非晶纳米晶合金，
FexSiyBzCueNbmPn (Ⅰ)；
其中，x、y、z、e、m与n分别表示对应组分的原子百分含量；71.5≤x≤73.5，12.5≤y≤15.5，1.0≤z≤7.0，0.5≤e≤2.0，1.0≤m≤3.0，0＜n≤3；且x+y+z+e+m+n＝100。
在本申请铁基非晶纳米晶合金中，Fe为铁磁性材料，为所述铁基非晶纳米晶合金提供磁性；所述Fe的原子百分含量为71.5～73.5；在具体实施例中，所述Fe的原子百分含量为72～73.5。
Si和B为非晶形成元素，其中，Si的含量对所述铁基非晶纳米晶合金的磁导率性能影响较大。所述Si的原子百分含量为12.5～15.5，在具体实施例中，所述Si的原子百分含量为13～15.5。所述B的原子百分含量为1.0～7.0，在具体实施例中，所述B的原子百分含量为4～6。
Cu和Nb作为纳米晶形成元素，在退火过程中可获得尺寸可控的纳米晶颗粒。所述Cu的原子百分含量为0.5～2.0；在具体实施例中，所述Cu的原子百分含量为0.5～1.2。所述Nb的原子百分含量为1.0～3.0，在具体实施例中，所述Nb的原子百分含量为1.5～3.0。
P可促进非晶形成能力，减小矫顽力，提高1kHz～20kHz频段的磁导率。所述P的原子百分含量大于0且小于等于3；在具体实施例中，所述P的原子百分含量为0.5～2。P的含量过多会恶化淬态合金带材的韧性，使合金带材的热稳定性减弱。
在具体实施例中，所述n+z＝7；所述n+y＝15.5；所述n+x＝73.5。
在具体实施例中，本申请所述铁基非晶纳米晶合金为Fe73.5Si15.5B6Cu1Nb3P1、Fe73.5Si15.5B5Cu1Nb3P2、Fe73.5Si15.5B4Cu1Nb3P3、Fe73.5Si14.5B7Cu1Nb3P1、Fe73.5Si13.5B6Cu1Nb3P2、Fe73.5Si12.5B5Cu1Nb3P3、Fe73Si15.5B7Cu1Nb3P0.5、Fe72.5Si15.5B6Cu1Nb3P1、Fe72Si15.5B5Cu1Nb3P1.5或Fe71.5Si15.5B4Cu1Nb3P2。
本申请还提供了所述铁基非晶纳米晶磁芯的制备方法，包括以下步骤：
按照铁基非晶合金纳米晶合金的成分配料后熔炼，得到铁基非晶纳米晶母合金；
将所述铁基非晶纳米晶母合金进行铜辊快淬，得到铁基非晶合金薄带；
将所述铁基非晶合金薄带进行热处理，得到铁基非晶纳米晶磁芯。
在铁基非晶合金制备过程中，本申请首先按照铁基非晶纳米晶合金的成分配料，再进行熔炼，以得到铁基非晶纳米晶母合金；为了保证母合金的质量，所述熔炼之前先抽真空，真空度为1×10-3Pa以内；再通入高纯氩气，其可作为保护气、引弧和热源。在熔炼的过程中，可预先熔炼钛锭，以吸收熔炼炉内的残余氧气，再开始熔炼。所述具体熔炼的相关操作，本申请不进行特别的限制，为本领域技术人员熟知的技术手段。
本申请然后将所述铁基非晶纳米晶母合金进行铜辊快淬，以得到铁基非晶合金薄带；在此过程中，所述铜辊的线速度为50m/s～55m/s。
按照本发明，最后将将所述铁基非晶合金薄带进行热处理，得到铁基非晶纳米晶磁芯。在本申请中，所述热处理的初始温度为200℃，一次加热速率为10℃/min，第一阶段保温温度为460～510℃，保温时间为15min；二次加热速率为1℃/min，第二阶段保温温度为500～520℃，保温时间为60min；随炉冷却至300℃空冷。按以上制度进行热处理，在晶化退火过程α-Fe均匀形核并长大成纳米晶颗粒，均匀分布在非晶合金基体之中，形成非晶/纳米晶双相复合结构，获得优异的软磁性能。
本发明通过适宜P元素的添加，改善铁基非晶纳米晶合金的带材磁性能，利用XRD分析各组实例中合金带材退火后的结构，只探测到纳米颗粒约为15nm的α-Fe(Si)纳米磁性颗粒，这也是合金带材获得优异软磁性能的原因。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铁基非晶纳米晶合金及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例
(1)母合金的熔炼
本发明设计的合金其成分化学通式为FexSiyBzCueNbmPn(#)，其中，71.5≤x≤73.5，12.5≤y≤15.5，1.0≤z≤7.0，0.5≤e≤2.0，1.0≤m≤3.0，0＜n≤3，且令x+y+z+e+m+n＝100，若无特别说明，本发明中的成分通式中的字母x、y、z、e、m和n均表示为原子百分含量。
母合金所需的工业原材料为单质元素Fe、Cu、Nb、Mo、Si及FeB和FeP合金，原材料纯度见表1；
表1原材材料及其纯度表
将这些原材料按配方称量好各自的重量，然后使用WK-II A型非自耗真空电弧熔炼炉进行熔炼。为保证母合金的质量，在熔炼前对炉体抽真空，使其真空度达1×10-3Pa以内，然后通入高纯氩气(纯度99.99％)，此处氩气除了作为保护外，还充当引弧和热源的作用。每批样品在熔炼时，预留一个熔炼锅盛放钛锭，并在熔炼时首先熔炼钛锭，以吸收熔炼炉内的残余氧气，然后再熔炼实验样品，每个样品都要翻转反复熔炼4次，以确保合金成分的均匀，减少元素的偏析，获得高质量母合金。
(2)铜辊快淬法制备非晶合金薄带
本发明非晶合金带材的制备使用的是NMS-II型感应式溶体快淬甩带机，在甩带前，将铜辊以小于15m/s的线速度转起，用大于2000目以上的砂纸轻微打磨掉铜辊表面的氧化层，然后用蘸有丙酮的纱布擦拭表面的污垢，使铜辊表面的清洁无氧化层，确保其冷却效果。
将上述熔炼好的母合金采用砂轮机打磨掉表层的氧化层，并且将其打碎成直径约为5～8mm的合金块，放入石英管中，然后再将石英管固定与铜辊正上，石英管孔口径为0.4～0.6mm，孔口到铜辊表面的高度控制在0.25mm；待装好试管后，关闭炉门，对炉体进行抽真空至低于6×10-3Pa，此时关闭抽真空阀门，向炉腔内充入高纯氩气作为保护气体，同时也要向连接试管的气压腔充气，且要注意调整气压腔的气压大于炉体腔的气压，压力差0.03～0.04MPa。利用中频感应线圈对母合金进行加热，待合金熔化后，注意观察熔液颜色由橘黄色忽然变为黄白色时，可按压接通压力腔的开关，利用压力差将熔体喷射到线速度为50m/s～55m/s的快速旋转的铜辊上，制备厚度约为25mm左右、宽度约为1.2mm的合金带材；
(3)X射线衍射分析(XRD)和差示扫描量热(DSC)分析
采用X射线衍射分析(XRD)方法验证制备的合金薄带是否为完全的非晶结构，为保证合金带材为完全的非晶态结构，所有淬态合金样品的XRD谱均来自于合金带材的自由面(相对于铜辊面的另一侧)；相关测试条件及参数为：X射线波长
石墨单色器滤波，管电压为40kV，管电流为30mA，测试范围为20～90°，步长0.02°，扫描速度8°/min；本申请中非晶态合金带材可通过XRD谱来确定，若其特征谱呈现为宽泛的衍射峰(又称“馒头峰”)，方可断定带材为完全非晶态结构；
利用差示扫描量热(DSC)法对合金带材进行热分析，考察合金带材晶化行为和热稳定性，设备使用美国的是TA Instrument公司生产的SDT Q600型差示扫描量热仪，在DSC-TGA模式下测量非晶带材的DSC曲线；
在测试前将带材剪成面积小于1mm×1mm的小片状，称重约20mg后放入氧化铝坩埚内的试样台，在N2氛围的保护下升温对样品进行加热，升温速率取20℃/min，加热范围为300～800℃；通过对样品的DSC曲线分析，可以获得各样品的在加热过程的相变，获得热特征温度参数值，如居里温度Tc，玻璃转化温度Tg及合金带材的晶化起始温度Tx和晶化峰温度Tp；根据合金带材的DSC曲线的特征温度值，可以反映合金带材的热稳定性，为非晶带材热处理工艺的确定提供参考，确定大致的退火温度范围。
(4)环形磁芯制备及热处理
将淬态下的合金带材卷制成绕制成规格为D×d×H＝16×12×1.2mm的环形磁芯，通过称量重量和内外径来控制磁芯具有一致的叠片系数；然后对环形磁芯进行热处理晶化退火处理，热处理设备是诺巴迪材料科技有限公司生产的可编程控制单真空管事高温烧结炉，该炉的型号是NBD-O1200-60IT；在热处理时，将磁芯样品置于管式炉中进行晶化退火处理，析出ɑ-Fe(Si)纳米晶相；热处理过程中，入炉温度200℃，一次加热速度10℃/min，第一阶段保温温度460～510℃，保温时间为15min；二次加热速率1℃/min，加热至第二阶段保温温度Ta(优选520℃)且保温60min，随后打开炉盖随炉冷却至300℃出炉空冷，为防止合金带材磁芯氧化，磁芯在退火过程中通入N2保护。
(5)磁性能测试及结果
本发明使用湖南联众科技生产的MATS-2010SD软磁直流设备测量合金带材磁芯样品的静态磁滞回线，获得磁芯内禀矫顽力Hc。
使用北京物科光电技术公司研制的振动样品磁强计(VSM)测量退火态合金带材的饱和磁化强度Ms；该设备是基于电磁感应的原理获得样品磁矩随外磁场变化的曲线关系，测试磁场的范围为：-12500至12500Oe；在测试之前，利用制备好的Ni标对设备进行校准，后将需测试的磁性样品碾碎，称取0.032g左右，利用锡纸包紧，放入铜模中测量。
使用英国Wayne Kerr Electronics公司出品的1J3260B型精密磁性元件分析仪测量磁芯样品在1kHz-200kHz范围下单砸电感量；测试条件为：电压50mV，开关电源频率为1kHz，直径为0.50mm的漆包铜线；然后通过公式换算为有效磁导率。
铁基非晶纳米晶合金的制备与测试方法(流程如图1所示)上述说明之后，则针对具体成分的铁基非晶纳米晶合金进行具体实施：
A)第一组实施例
在满足(#)式及其条件的前提下，令n+z＝7，且n的变化范围为0≤n≤6，按此成分配比对合金进行称重配样，依照上述步骤(1)的方法对系列合金进行熔炼，获得甩带用的的母合金，然后按上述步骤(2)的方法制备非晶合金薄带，合金带材样品的XRD谱如图2所示，由图2可知，从n≥4开始，合金带材开始出现晶化，在0＜n≤3范围，所有合金带材样品的XRD衍射谱均只在2θ约为45°附近出现一个宽化的漫散射峰，说明合金样品为完全的非晶态结构。经DSC分析可知，所有样品的DSC曲线均出现两个明显的放热峰，分别对应着ɑ-Fe(Si)和Fe-(B,P)化合物的析出，合金带材的第一级起始晶化温度标记为Tx1(即ɑ-Fe(Si)开始析出温度点)，第二级起始晶化温度标记为Tx2(即为Fe-(B,P)化合物开始析出点温度点)，两级起始晶化温度差值标记为ΔTx(定义：ΔTx＝Tx2-Tx1)。按步骤(3)和(4)对完全非晶态的合金带材进行热处理及磁性能测试。本组实例的合金带材的热特征温度及磁性能对比总结在表2。
表2第一组实施例合金带材特征温度及退火态磁性能数据表
*表2中，淬态合金带材的结构：a表示完全非晶态结构；b表示非晶+部分的晶态。×表示未给出该项数据。
B)第二组实施例
在满足(#)式及其条件的前提下，令n+y＝15.5，且n的变化范围为1≤n≤4，按此成分配比对合金进行称重配样，依照上述步骤(1)的方法对系列合金进行熔炼，获得甩带用的的母合金，然后按上述步骤(2)的方法制备非晶合金薄带，合金带材样品的XRD谱如图3所示，所有合金带材样品的XRD衍射谱均只在2θ约为45°附近出现一个宽化的漫散射峰，说明合金样品为完全的非晶态结构。经DSC分析可知，所有样品的DSC曲线均出现两个明显的放热峰，分别对应着ɑ-Fe(Si)和Fe-(B,P)化合物的析出。按步骤(3)和(4)对完全非晶态的合金带材进行热处理及磁性能测试。本组实施例的合金带材的热特征温度及磁性能对比总结在表3。
表3第二组实施例合金带材特征温度及退火态磁性能数据表
*表3中，淬态合金带材的结构：a表示完全非晶态结构.
C)第三组实施例
在满足(#)式及其条件的前提下，令n+x＝73.5，且n的变化范围为0.5≤n≤2.0，按此成分配比对合金进行称重配样，依照上述步骤(1)的方法对系列合金进行熔炼，获得甩带用的的母合金，然后按上述步骤(2)的方法制备非晶合金薄带，合金带材样品的XRD谱如图4所示，所有合金带材样品的XRD衍射谱均只在2θ约为45°附近出现一个宽化的漫散射峰，说明合金样品为完全的非晶态结构。经DSC分析可知，所有样品的DSC曲线均出现两个明显的放热峰，分别对应着ɑ-Fe(Si)和Fe-(B,P)化合物的析出。按步骤(3)和(4)对完全非晶态的合金带材进行热处理及磁性能测试。本组实例的合金带材的热特征温度及磁性能对比总结在表4。
表4第三组实例合金带材特征温度及退火态磁性能数据表
*表4中，淬态合金带材的结构：a表示完全非晶态结构。
根据上述三组实施例可知，通过适宜P元素的添加，可以有效减小铁基非晶纳米晶合金带材的矫顽力，提高1kHz至20kHz的有效磁导率；如第一组实施例中的Fe73.5Si15.5B6Cu1Nb3P1合金带材磁芯在退火后的矫顽力为1.2A/m，1kHz下的有效磁导率为120k；第三组实施例中的Fe72.5Si15.5B6Cu1Nb3P1合金带材磁芯在退火后的矫顽力为0.6A/m，1kHz下的有效磁导率为87k。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种如式(Ⅰ)所示的铁基非晶纳米晶合金，
FexSiyBzCueNbmPn (Ⅰ)；
其中，x、y、z、e、m与n分别表示对应组分的原子百分含量；71.5≤x≤73.5，12.5≤y≤15.5，1.0≤z≤7.0，0.5≤e≤2.0，1.0≤m≤3.0，0＜n≤3；且x+y+z+e+m+n＝100。
2.根据权利要求1所述的铁基非晶纳米晶合金，其特征在于，所述Fe的原子百分含量为72～73.5，所述Si的原子百分含量为13～15.5。
3.根据权利要求1所述的铁基非晶纳米晶合金，其特征在于，所述B的原子百分含量为4～6，所述P的原子百分含量为0.5～2，所述Cu的原子百分含量为0.5～1.2，所述Nb的原子百分含量为1.5～3.0。
4.根据权利要求1所述的铁基非晶纳米晶合金，其特征在于，所述铁基非晶纳米晶合金中，n+z＝7。
5.根据权利要求1所述的铁基非晶纳米晶合金，其特征在于，所述铁基非晶纳米晶合金中，n+y＝15.5。
6.根据权利要求1所述的铁基非晶纳米晶合金，其特征在于，所述铁基非晶纳米晶合金中，n+x＝73.5。
7.根据权利要求1所述的铁基非晶纳米晶合金，其特征在于，所述铁基非晶纳米晶合金为Fe73.5Si15.5B6Cu1Nb3P1、Fe73.5Si15.5B5Cu1Nb3P2、Fe73.5Si15.5B4Cu1Nb3P3、Fe73.5Si14.5B7Cu1Nb3P1、Fe73.5Si13.5B6Cu1Nb3P2、Fe73.5Si12.5B5Cu1Nb3P3、Fe73Si15.5B7Cu1Nb3P0.5、Fe72.5Si15.5B6Cu1Nb3P1、Fe72Si15.5B5Cu1Nb3P1.5或Fe71.5Si15.5B4Cu1Nb3P2。
8.一种铁基非晶纳米晶磁芯的制备方法，包括以下步骤：
按照权利要求1的铁基非晶合金纳米晶合金的成分配料后熔炼，得到铁基非晶纳米晶母合金；
将所述铁基非晶纳米晶母合金进行铜辊快淬，得到铁基非晶合金薄带；
将所述铁基非晶合金薄带进行热处理，得到铁基非晶纳米晶磁芯。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述铜辊快淬中，所述铜辊的线速度为50m/s～55m/s。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的初始温度为200℃，一次加热速率为10℃/min，第一阶段保温温度为460～510℃，保温时间为15min；二次加热速率为1℃/min，第二阶段保温温度为500～520℃，保温时间为60min；随炉冷却至300℃空冷。
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