[发明专利]具有高饱和磁感应强度和强非晶形成能力的铁基非晶合金

说明书

技术领域

本发明属于功能材料中的非晶软磁合金领域，特别涉及高饱和磁感应强度铁基非晶软磁合金材料。

背景技术

自1967年问世以来，非晶软磁性合金立即引起了人们的极大重视，是近几十年来材料研究的热点之一。非晶软磁性合金的形成过程是用快淬的方法将熔融金属液体快速冷却，使原子来不及移动重排而被冷冻下来，保持熔融态的无序排列结构。因其原子不规则排列、无周期性、无晶粒晶界的存在，磁畴的钉扎点或钉扎线少，磁晶各向异性很小，而显示良好的软磁特性：矫顽力小、磁导率高、磁感应强度高、电阻率高、损耗小、频率特性好。在电力电子领域应用，可极大的促进各种电器设备向节能化、高效化、小型化方向发展。

然而，与硅钢相比，铁基非晶软磁合金还存在饱和磁感应强度低和热处理后韧性差等不足，用其替代硅钢在电力传输或电力转换领域应用，将导致器件磁芯的体积明显增大。如现有典型铁基非晶合金Fe₇₈Si₉B₁₃的饱和磁感应强度为1.56T，而硅钢的饱和磁感应强度接近2T。

众多研究人员致力于开发高饱和磁感应强度非晶合金。在非晶软磁合金材料中，为获得强非晶形成能力常添加非磁性金属元素，此举将明显降低合金的饱和磁感应强度，并大幅提高合金的原材料成本，所以高饱和磁感应强度非晶软磁合金中应该避免添加。不含非磁性金属元素、高饱和磁感应强度和强非晶形成能力三者之间近乎呈现矛盾关系，极大增加了高饱和磁感应强度非晶软磁合金开发的难度。

另外，对饱和磁感应强度起贡献的主要是铁磁性元素，提高合金的饱和磁感应强度的方法有两种：一是适量添加钴元素，利用其与铁原子间之间的强交换耦合作用提高饱和磁感应强度；二是提高铁元素含量，降低非铁磁性非晶形成元素含量。

美国Allied-Signal公司用第一种方法与上世纪80年代开发了牌号为Metglas2605Co的合金，饱和磁感应强度达到1.8T。但是由于合金中含有18％的钴元素，原材料成本过高，不适合大规模推广应用。

后期的研究主要集中于提高铁元素含量，降低非铁磁性非晶形成元素含量。由于非晶软磁合金材料的性能优点源于其非晶态结构，因此在提高饱和磁感应强度的同时，还需要考虑合金的非晶形成能力和临界冷却速度。片面考虑提高饱和磁感应强度，会导致合金的非晶形成能力过低，使其临界冷却速度超出现有非晶合金带材生产线的冷却能力，生产设备和工艺条件难以满足。另外，研究表明，相同工艺条件下制备的非晶合金的矫顽力与其非晶形成能力有直接的关联，非晶形成能力高的合金，其非晶度低，原子堆积密度低，钉扎磁畴的磁偶极子数量少，矫顽力低。具有较强的非晶形成能力是高饱和磁感应强度铁基非晶合金规模化生产和应用的前提。

美国专利US4226619中公开了一种非晶态Fe-B-C合金，其饱和磁感应强度超过1.7T，典型成分Fe₈₆B₇C₇合金的饱和磁感应强度达到1.74T，但是由于非晶形成能力太低，合金的矫顽力大，同时淬态带材脆性大，无法实际推广应用。

日立金属在CN1721563A专利中公开了一种Fe-Si-B-C合金，其饱和磁感应强度达到1.64T，但其制备过程采用渗碳工艺，大大提高了工艺复杂程度。

新日本制铁公司在专利CN1356403A中，公布了一种高铁含量Fe-Si-B-C-P非晶合金，铁含量在82-90％之间，其饱和磁感应强度达到1.75T，然而由于过度追求饱和磁感应强度，忽视了非晶形成能力的限制，合金成分设计不合理。其典型高铁含量成分如Fe_86.7Si_2.3B_8.9C_0.8P_1.1等的非晶形成能力太低，用常规快淬制带工艺不能制备完全非晶样品，磁性能差。其典型低铁含量成分如Fe_82.4Si_2.3B_8.8C_0.5P_5.8合金的P元素含量高，饱和磁感应强度低。此外，此专利中实施例的饱和磁感应强度值明显高于正常值，说明合金的非晶形成能力有限，样品不是完全非晶结构。

新日本制铁公司在专利CN101589169A中公开了另一种低铁含量Fe-Si-B-C-P非晶合金，合金的铁含量在78-86％之间，然而该合金6-20％的P含量明显降低合金的饱和磁感应强度，另外，过高的P含量和C含量都极大提高了合金的熔炼难度和制带工艺要求。