[发明专利]高饱和磁化强度铁基纳米晶软磁合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到纳米晶软磁合金材料及其制备方法，尤其是涉及到高饱和磁化强度、铁基纳米晶软磁合金材料及其制备方法。

背景技术

软磁材料是人类最早开发的一类磁性功能材料，要求具有高饱和磁化强度、高磁导率、低矫顽力以及低损耗等磁特性。从19世纪末至今，其发展经历了电工纯铁、Fe-Si合金(硅钢)、Fe-Ni合金(坡莫合金)、Fe-Al合金、Fe-Si-Al合金、Fe-Co合金、软磁铁氧体以及Fe基非晶、纳米晶合金等体系。目前，硅钢和软磁铁氧体是应用最多的软磁材料。但硅钢的铁损较大，而软磁铁氧体的饱和磁化强度又太低，因此，开发同时具有高饱和磁化强度和低铁损的材料是目前软磁领域最热门的研究方向。其中，最引人注目的前沿研究在于Fe基非晶、纳米晶合金的开发。这主要是由于Fe基非晶、纳米晶合金具有高电阻率、低损耗、高强韧性、高磁导率以及较高的饱和磁化强度等优点，同时制备工艺简单、节能环保，因而非常有望成为硅钢和软磁铁氧体的换代产品，从而广泛用于各种电力和电子设备。其中，Fe基纳米晶软磁合金由非晶基体和纳米晶粒共同组成，由非晶部分晶化得到。其研究始于1988年日立金属公司的Yoshizawa等人发现的Fe-Si-B-Nb-Cu系合金。由于该系列合金具有独特的纳米晶结构和优异的软磁性能，因而引起了研究人员的广泛注意。Fe基纳米晶软磁合金的突出优点在于兼备了Fe基非晶合金的高饱和磁化强度和Co基非晶合金的高磁导率与低损耗，并且成本低廉，因而可替代Co基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，在高频电力电子信息领域获得广泛应用，达到减小体积、降低成本等目的。作为继非晶材料之后的一个突破性进展，Fe基纳米晶合金的发明将软磁材料的研究开发推向了一个新的高潮。

经过多年深入研究，目前的纳米晶软磁主要包括三个合金体系，即Fe-Si-B-M-Cu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金、Fe-M-B-Cu系(M＝Zr、Hf、Nb等)NANOPERM合金以及(Fe，Co)-M-B-Cu系(M＝Zr、Hf、Nb等)HITPERM合金。其中，NANOPERM合金虽然饱和磁化强度较高，但软磁综合性能不及FINEMET合金，同时还因含有大量易氧化的贵金属元素Zr造成成本高昂且制备工艺复杂，至今未得到真正的推广应用；而在NANOPERM合金基础上发明的HITPERM合金系，虽然其居里温度和饱和磁化强度均高于NANOPERM合金，高频特性也优于NANOPERM合金，但由于添加了贵金属元素Co导致软磁综合性能下降、成本增高，至今也未得到推广应用。相比而言，FINEMET合金的综合性能最好，已经获得了广泛的应用，但该合金系也具有比较明显的缺点：其高频损耗相对较大，饱和磁化强度相对较低，最高饱和磁感应强度仅为1.4T，而综合性能较好的Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金在最佳退火条件下的饱和磁感应强度仅为1.24T。这导致其与高饱和磁化强度软磁材料相比，在相同工作条件下应用时需具有较大的体积，因而极大地限制了其应用范围。目前，电器的小型化和高性能化迫切地需要使用高饱和磁化强度的软磁材料作为磁芯。对于纳米晶软磁而言，要提高合金的饱和磁化强度，需尽量增加Fe的含量，相应减少合金内的非铁磁性元素。但是，这些非铁磁性元素多为非晶形成元素，其含量的减少会导致母合金非晶形成能力的下降，从而造成纳米晶材料尺寸的减小。可见，饱和磁化强度和非晶形成能力是一对矛盾。如何适当地平衡这个矛盾，在不降低合金非晶形成能力的前提下合成饱和磁化强度较高、同时成本也较低的纳米晶软磁材料，是当前纳米晶软磁研究中急待解决的问题。

目前，为了优化纳米晶软磁合金的性能，科研人员已经研究了多种合金体系并申请了多项国家发明专利，具体包括：

中国专利公开CN1162652A一种纳米晶铁基软磁合金：提供了一种铁基纳米晶软磁合金的化学成分。合金具体成分(重量百分比)包括：Zr(或Y)＝0.9-5％、Nb＝4-15％、Si＝3-18％、B＝1-5％、其余为Fe。通过调节合金的成分，提高了条带的韧性，所得到的合金条带的最佳软磁性能为：饱和磁感应强度1.4-1.6T，矫顽力小于2.4A/m。