[发明专利]强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性功能材料领域，特别涉及一种强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法，该合金兼具强非晶形成能力、高热稳定性、优异软磁性能。

背景技术

Fe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，同时制备流程短、产品节能环保，因此被认为是制作开关电源、脉冲变压器铁芯，互感器、磁放大器、尖峰抑制器、差模电感铁芯和电抗器铁芯等电力和电子设备的理想材料。

但跟商业化硅钢片相比，铁基纳米晶合金饱和磁感应强度相对较低。晶态取向硅钢的B_s值约在2T，而典型的纳米晶合金Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉的B_s值仅为1.24T。随着磁性元器件高效小型化的发展，对铁基纳米晶材料的软磁性能提出了更高的要求，如变压器铁芯、电动机转子和磁力开关等，往往希望这些装置的饱和磁感应强度较高，因为这意味着装置尺寸的减小或者激励功率的降低。

日本专利JP1156451A公布了一种表达式为FeCoCuSiBM’的高饱和磁感应强度的纳米晶合金，其中，M’代表Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti中的一种或多种元素，并通过控制热处理制度，保持结晶相的体积分数在50％以上，使得合金的饱和磁感应强度在1.4T及以上。这实际上是控制热处理方式，更多地获得α-Fe晶粒析出，以α-Fe本身的高B_s来提高合金的饱和磁感应强度。但这种方法提升的潜力有限，其例举的最高B_s仅在1.58T。

中国专利申请CN1704498A公开了一种三元及多元铁基块状纳米晶合金的成分范围。其原子配比以化学通式M_aX_bZ_c表示，M指基底以铁为主的铁磁性元素且含有少量其它元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Ga、Sn、Bi中的一种或几种)，X是选自Sc、Y、La、Ce、Sm、Dy、Ho、Er、Yb中的一种或几种元素(可以少量Zr、Nb取代)，Z为选自B、C、Si、N、P、Ge、S中的一种或几种元素，具体含量(原子百分比)为a＝53-62％或65-85％，b＝1-15％，c＝9-15％或17-27％或35-41％。所得到的合金棒材的饱和磁感应强度最高1.8T，但矫顽力较大，高达100A/m。

日本专利JP2006040906公布了一种在淬态时即含有平均粒径在50nm以下的α-Fe晶粒的非晶态合金，带材可进行180°弯曲，经高于晶化温度的适当温度退火后，其饱和磁感应强度可提高到1.6T。但此成分的非晶形成能力差，在制备过程中就已经发生微结晶，其例举的最高B_s仅为1.6T。

美国专利US005449419公开了一种表达式为Fe-Zr/Hf-B(Cu)的纳米晶合金，其饱和磁化强度可以达到1.7T，软磁性能优良，但由于合金中大量的Zr或Hf元素，不仅提高了合金的成本，而且对制备条件要求苛刻。

中国专利CN101834046B公开了一种表达式为Fe_xSi_yB_zP_aCu_b纳米晶合金，其饱和磁感应强度可达1.9T，软磁性能优异。但是该成分非晶形成能力很差，在制备过程中即产生高密度纳米晶核，后续晶化热处理必须采用快速退火才能得到性能优异的纳米双相结构，因此该成分退火工艺难于控制，难以工业化生产。

综上所述，目前市场上开发的高饱和磁感应强度纳米晶软磁合金由于非晶形成能力差，所需临界冷却速率非常高(>10⁶℃/s)，甚至非晶前驱体发生微晶化，这对生产装备、工艺及热处理工艺要求极为苛刻，给纳米晶的生产制备带来了极大的难度，同时限制了纳米晶的应用领域。因此本领域需要开发兼具低临界冷却速率(例如<<10³℃/s)、强非晶形成能力的铁基纳米晶合金、良好热处理工艺的高饱和磁感应强度铁基纳米晶软磁合金，从而大幅突破纳米晶生产工艺及退火工艺的限制与困难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种强非晶形成能力的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法，该合金成分设计合理、非晶形成能力强、热稳定性好、且软磁性能优异。