[发明专利]一种高饱和磁感应强度铁基非晶合金及制备方法

说明书

本发明涉及一种高饱和磁感应强度铁基非晶合金及制备方法，化学式为：Fe_aSi_bB_cMn_dM_e，所述表达式中a、b、c、d和e分别表示各对应组分的原子百分比含量，其中82.5≤a≤85.3，2≤b≤6，7≤c≤15，0.2≤d≤0.5，0.05≤e≤0.1，且a+b+c+d+e＝100％；所述M为Mg、Ca的一种或其组合；本发明的铁基非晶合金在满足平面流铸快淬制备宽幅带材所需强非晶形成能力的前提下，还具有高饱和磁感应强度、低矫顽力和高磁导率等磁性能优点。

技术领域

本发明涉及功能材料中的非晶软磁合金领域，特别涉及一种高饱和磁感应强度铁基非晶合金及制备方法。

背景技术

自1967年问世以来，非晶软磁性合金立即引起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即被冷冻下来，保持熔融态的无需排列结构。因其原子不规则排列、非周期性、没有晶粒晶界的存在，磁畴的钉扎点或钉扎线少，磁晶各向异性很小，因而具有良好的软磁特性；包括矫顽力小、磁导率高、磁感应强度高、电阻率高、损耗小、频率特性好等。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。

非晶合金虽然具有晶态材料所无法比拟的优异性能，但是制取这些非晶合金大都需要超过105K/s的极高的冷却速率，使得到的材料厚度通常局限在50μm以下，因而极大地限制了这类材料进一步的应用。另一方面，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。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。在低频电磁元件中，铁芯的输出功率主要由工作磁感应强度决定，高的工作磁感应强度可以得到大的输出功率和减小体积，研究还发现，在提高饱和磁感应强度的同时，提高合金的矩形比，能使达到工作点磁感应强度所需的磁场下降，从而减小磁性器件的励磁电流和功率，还能使最大工作点处的磁化为畴壁移动过程(非畴转过程)，这样就可有效降低噪音。因此，如何制备出兼具高饱和磁感应强度和大非晶形成能力的Fe基非晶合金一直是国际上一个重要的研究课题。

对饱和磁感应强度起贡献的主要是铁磁性元素，目前证明能够有效提高非晶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，然而，添加Co元素，将极大的提高合金的成本，阻碍了合金的大规模推广应用；二是提高铁元素含量，降低非铁磁性非晶形成元素含量。提高非晶软磁合金中Fe的含量，通常会使合金的非晶形成能力降低，居里温度下降。当铁含量超过临界值后，很难在快淬薄带中得到单一均匀的非晶相。高饱和磁感应强度和强非晶形成能力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。因此，如何充分发挥铁基非晶合金中有限的非晶形成元素的作用，是制备兼具高饱和磁感应强度和大非晶形成能力的Fe基非晶合金的关键。

不同于晶态材料，非晶合金熔体的性质受微量元素的含量及存在形式影响很大，有研究表明即使是很微量(0.01％)的Al和Ti之类杂质时,在铸造急冷过程中这类杂质会引起薄带表面的晶化，从而使其软磁特性大为降低。所以目前产业化中使用的硼铁和耐火材料均对Al和Ti含量进行了严格的限制，但是对于高铁含量(82at％)的铁基非晶合金来讲，现有的杂质容忍度标准和制备工艺难以获得完全非晶态的带材。虽然通过提高熔炼温度和熔体净化工艺等方法可进一步降低难熔杂质的量，但这会极大的提高熔炼能耗和炉衬的侵蚀，同时对生产设备的冷却能力提出了更高要求。此外，由于杂质元素种类众多，相互作用，很难单纯区分哪些是有益元素，哪些是有害的杂质，而高纯原料的高昂价格是工业生产无法接受的，因此，如何充分利用工业原材料中的杂质元素和开发与之匹配的生产工艺，是设计新一代高性能非晶合金的关键。

以下是单纯考虑主要元素的情况：