[发明专利]晶化窗口宽、软磁性能可控的铁基纳米晶合金及其制备方法

说明书

本发明涉及本发明涉及一种晶化窗口宽、软磁性能可控的铁基纳米晶合金，其分子式为：Fe_aCo_bSi_cB_dP_xCu_y，其中a、b、c、d、x、y为原子百分比，60≤a≤85，0≤b≤20，0≤c≤6，5≤d≤10，5≤x＜8，1.7≤y≤2.5，a+b+c+d+x+y＝100，且2.5≤x∶y≤4.5；与现有技术相比，本发明的优点在于该合金不仅兼具较好的非晶形成能力、综合软磁性能优异且可控的优点，而且热稳定性高，适合的退火温区达120℃，保温时间达90分钟，具有工业化推广前景。

技术领域

本发明涉及一种晶化窗口宽、软磁性能可控的铁基纳米晶合金及其制备方法，属于非晶合金及其制备方法领域。

背景技术

能源短缺和环境污染已成为制约人类生存和发展的重大问题，发展绿色和低碳经济已成为世界各国共同关注的焦点。作为重要的能源材料，软磁材料的研发和应用对电力工业的发展起到了关键性促进作用。硅钢是电力工业中最常用的一类软磁材料，具有高饱和磁感应强度、较低的工频损耗和低廉的成本，在电力变压器、电机等领域获得广泛应用。然而硅钢的磁导率较低，中、高频损耗大，能量转化效率不高，已无法满足现代电气设备向高频、高效、节能方向发展需求。纳米晶软磁合金是在非晶合金基础上发展起来的一类新型软磁材料，它由非晶基体及分布在基体上的体心立方结构纳米晶粒组成，具有优异的软磁性能，并且制备过程简单，节能环保，是重点支持和发展的新型绿色节能材料。

对纳米晶软磁合金的研究始于1988年，日本日立金属公司的Yoshizawa等发现在传统的FeSiB非晶合金中加入少量Nb和Cu元素，经过适当温度晶化热处理后，在非晶基体中析出平均尺寸约为10nm的超细晶粒，形成由剩余非晶相和bcc-Fe纳米晶共同组成的均匀组织结构。由于纳米相和非晶相的交互耦合作用，显著降低合金的有效磁晶各向异性和磁致伸缩，使其表现出高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率等优异软磁性能，引起了各国研究人员的广泛关注。经过三十多年的深入研究，目前纳米晶软磁合金主要包括三个经典合金体系：FeSiBNbCu系列FINEMET合金、FeZrB(Cu)系列NANOPERM合金以及FeCoZrBCu系列HITPERM合金。

其中，FINEMET合金具有高磁导率、低损耗等优异的综合软磁性能，并且可以在非真空条件下制备，自研发以来就投入到工业应用中。但其饱和磁感应强度相对较低，综合性能较好的Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金在最佳热处理条件下的饱和磁感仅为1.24T，因而限制了其使用范围。NANOPERM合金的饱和磁感远高于FINEMET合金，但由于Zr元素化学性质活泼，高温下极易氧化，不能在空气中制备，至今未能广泛应用。而HITPERM合金的特点是居里温度高，同时具有较高的饱和磁感，但矫顽力高达60A/m，损耗也较大，同时也因为加工性较差而未得到推广应用。

2007年，Ohta等[M.Ohta，et al.，Appl.Phys.Lett.，2007，91：062517]制备了FeSiBCu系列纳米晶合金，饱和磁感达1.82T，矫顽力7.0A/m。但该合金的软磁性能依赖于快速升温热处理工艺(≥5℃/s)，如果升温速率过慢则会导致晶粒异常长大和不均匀分布，恶化软磁性能。2009年，Makino等[A.Makino，et al.，Mater.Trans.JIM，2009，50：204.]探索制备了FeSiBPCu纳米晶合金，饱和磁感高达1.9T，工频条件下的损耗仅为0.29W/kg，为高级取向硅钢损耗的1/2，该合金被注册为NANOMET。但其非晶形成能力有限，只能制备20μm厚非晶薄带，并且纳米晶化过程要求非常严格，需要进行高升温速率、短时间(≤10min)的热处理实现，同时晶化窗口极窄(≤25℃)，至今难以商业化。