[发明专利]一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及软磁材料技术领域，特别是涉及一种铁基非晶或纳米晶软磁合金及其制备方法。

背景技术

非晶合金又称金属玻璃，是一种采用超高速凝固技术制备而成的新型亚稳态功能材料，固态时其原子排列是短程有序，长程无序。非晶合金结构的特殊性赋予了传统金属材料所达不到的优异性能。如高的硬度、强度，电阻率和耐磨、耐腐蚀性以及优异的软磁性能等优点。与此同时纳米技术的发展也促进了材料领域的科研发展。纳米晶体材料因晶粒尺寸超细(与电子波长、平均自由程等为同一数量级)，大量的原子分布在晶粒的界面上，从而表现出与传统晶体材料和非晶材料不同的性能。如高强度、高比热和良好的塑变形能力等。近年来，人们研究发现利用非晶晶化法可以制备纳米晶合金，因其呈现出优异的磁学性能，而成为现代新型磁性材料研究的热点。

20世纪80年代初，德国人Gleite H提出了纳米晶体材料的概念并首先成功研制出了人工纳米晶体，实验结果发现这类固体材料不仅强度高，而且结构和性能都具有特殊性，从此各国科学家竞相开展这种新材料的研究和开发工作，纳米晶合金被誉为“21世纪的新材料”。1988年，日本日立金属公司的Yoshizawa等人首先制备了Fe_0.735Cu_0.01Nb_0.03Si_0.135B_0.09纳米晶合金，并命名为Finemet。这种铁基纳米晶合金以优异的软磁性能引起了世界各国材料学家的广泛关注。这一方面是由于铁基纳米材料独特的结构特征，另一方面是由于纳米晶合金兼有优异的磁学和物理力学性能，从而为提高材料的综合性能和发展新一代高性能材料创造了有利条件。这种软磁合金最大的特点是具有与钴基非晶合金相当的低功耗、高磁导率和接近于零的磁致伸缩系数，同时它的饱和磁感应强度超过了同类性能的其他软磁材料，达到1.2T左右。该软磁合金是在传统的Fe-Si-B非晶合金的基础上添加少量的Cu和Nb，通过退火处理而得，大量尺度在10～15nm的Fe-Si晶粒均匀地分布于残余非晶基体之中，得到了所谓的“纳米晶”机构。这类元素的主要作用是扩散缓慢，抑制a-Fe颗粒的长大，从而保证晶粒的纳米尺寸，同时也能降低饱和磁致伸缩系数、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能，Cr对耐腐蚀性也有明显作用。

发明内容

本发明目的是提供一种磁性能优良、制作工艺相对成本较低的铁基非晶货纳米晶软磁合金及制备方法。

本发明铁基非(纳米)晶合金成分(原子百分比)可表示为Fe_aSi_bB_cCu_dNb_eM_f，M为Mo或W或Cr，a、b、c、d、e、f为原子百分比，变化范围为：0.6≤a≤0.8，0.05≤b≤0.2，0.05≤c≤0.2，0.01≤d≤0.1，0.01≤e≤0.1，0.05≤f≤0.1，并且a+b+c+d+e+f＝1。

通过控制合金冷却速度和热处理温度及时间，获得微观结构不同的非晶合金或纳米晶粒均匀分布非晶集体上的纳米晶合金。通过改变各种元素的含量及热处理工艺，控制非(纳米)晶合金的微观结构，有效地改善和优化了合金的综合软磁性能，同时大幅降低合金的原材料成本。

合金中的元素B、Cu和Nb部分由钼、钨、铬元素中的任一种或多种替代，且总的替代量不超过10at％。

合金经过最优化退火处理后，气饱和磁感应强度为1.564T或以上，矫顽力为1.2A/m或以下。

本发明铁基非(纳米)晶合金是通过成分设计和一定的热处理工艺而得到。退火温度范围为500℃-650℃，不同成分合金的最优退火温度略有不同。在热等静压为常压下等温退火1-6小时，然后降温至200℃出炉冷却。

本发明制备方法是首先通过熔体快淬法制备出非晶合金薄带，再由这些非晶合金退火晶化获得纳米结构合金。具体的制备方法如下：

第一步，将纯度按照质量百分比不低于99.5％的工业纯铁、纯铜、纯铌、纯硅、硼铁、钨、钼等原材料按照Fe_aSi_bB_cCu_dNb_eM_f的合金成分以原子百分含量称量配料；置于重力中频炉内熔炼，熔炼气氛为普通大气，炉内压力为常压；熔炼电流200A-500A；每个母合金反复熔炼3-6次，每次熔炼时间为30-120分钟，以保证合金成分的均匀性；