[发明专利]高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高饱和磁感应强度低成本的铁基纳米晶软磁合金。本发明还涉及该铁基纳米晶软磁合金的制备方法。

背景技术

磁性材料具有能量和信息转换、传递、存储或改变能量和信息状态的功能，是重要的功能材料，它们广泛应用于机械、电子、电力、通信和仪器仪表等领域。其中，矫顽力低、磁导率高的磁性材料称为软磁材料，它是电力、电机和电子等工业广泛使用的一类磁性材料。考虑到软磁材料制造的设备大多数是在交变磁场条件下工作，通常要求其体积小、功率大、灵敏度高、发热量少、稳定性好。为此，软磁材料本身应具备几个基本条件如高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率、低磁损耗、高稳定性及居里温度等。1885年，Ewing发表了关于纯铁磁性的研究结果，标志着软磁材料的产生。同年，Westinghouse发明了交流发电及电力传输方法。十九世纪末，Hadfield成功冶炼出Fe-Si合金，对电力工业的发展起到了关键性的促进作用。到目前为止，对于工程上广泛应用的软磁材料，因其使用功率、频率的不同要求和材料磁特性的不同而分为金属软磁材料(如工业纯铁、硅钢、坡莫合金)、软磁铁氧体、非晶及纳米晶软磁材料。

纳米晶软磁材料是一类新型软磁材料，它由非晶基体及分布在基体上具有纳米级尺寸的晶粒组成，可以由非晶合金部分晶化得到。其性能兼备了传统晶态软磁材料的高饱和磁感应强度和非晶态软磁材料的低矫顽力、高磁导率和低损耗等多项优点。纳米晶软磁材料可以满足各类电子设备向高效高节能、集成化方面发展的需求，而且制备简单，成本低廉，被称为“第三代软磁”材料。对纳米晶软磁材料研究始于1988年，经过二十多年的研究，目前纳米晶软磁合金主要有三个体系：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，FINEMET合金由于其高磁导率，低损耗等特点，自研发以来就开始投入到工业应用中。但其饱和磁感应强度较低，综合性能最好的Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金饱和磁感应强度仅为1.24T，因而限制了其应用范围。NANOPERM合金饱和磁感应强度较高，达到了1.6T，并且磁致伸缩系数极低，趋近于零，大大降低了其应力敏感性。与FINEMET合金相比，NANOPERM合金的损耗较大，但优于Fe-Ni系坡莫合金，可在高频下使用。NANOPERM合金最大缺点是加工性较差，由于Zr元素化学性质活泼，高温下在大气中极易氧化。因此，在制备非晶时，对真空度要求较高，需要氩气保护，因而，NANOPERM合金至今尚未得到真正的推广应用。HITPERM合金最初是在NANOPERM合金的基础上以Co部分替代Fe而得到的，其晶化相为体心立方结构的α-FeCo。由于α-FeCo的存在使之具有比前两种合金更优异的高温磁性能。HITPERM合金系具有高的饱和磁感应强度，高频特性也优于NANOPERM合金，但其矫顽力高达200A/m，损耗也较大。同时与NONAPERM合金一样由于含有Zr元素，加工性较差，因而至今也未得到推广应用。

上述纳米晶软磁合金三个体系的另一个共同缺点是合金系中均含有贵金属元素如Nb、Zr和Hf等而加工成本高。为此，科研人员在现有合金体系基础上，通过优化制备工艺，调整合金成分，研究开发新的合金体系来改善纳米晶的软磁性能，同时降低加工成本。

中国专利申请CN 101255506A公开了一种超高导磁纳米晶合金的制造方法及纳米晶合金。化学成分包括Fe、Cu、Nb、Si、B五种元素，具体原子％含量为：Fe＝72.5-74.5％；Cu＝0.5-1.5％；Nb＝2.5-3.5％；Si＝12.5-14.5％；B＝8-10％。其生产工艺为在加工过程中加入碳和硅钙粉进行脱氧处理，降低合金夹杂物、氧及氧化物的含量，从而有效地提高了纳米晶合金的磁导率。但合金的饱和磁感应强度不高，并且加工过程复杂，难以控制。