[发明专利]一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法

说明书

本发明提供一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法及适用的非晶纳米晶成分。所述过冷凝固通过玻璃净化结合循环过热或者电磁悬浮熔炼实现。过冷凝固合金通过熔体快淬或雾化制成非晶带材或粉体，并可经热处理制备成纳米晶合金。所述适用的非晶纳米晶化学式为FeSiBM，其特征在于M为P、C、Nb、Mo、Zr、Hf、Mo、Y、Cu、Co中的一种或多种，各合金元素原子百分比总和为100％，满足以下元素含量：Fe为80.0～89.0at％，Si为1.0～9.0at％，B为3.0～12.0at％，P为0～5.0at％，C为0～5.0at％，Nb为0～3.0at％，Zr为0～3.0at％，Hf为0～3.0at％，Mo为0～3.0at％，Y为0～5.0at％，Cu为0～2.0at％，Co为0～16.0at％。利用过冷非平衡凝固制备得非晶纳米晶合金非晶形成能力高，具有高饱和磁化强度、低矫顽力的特点。

技术领域

本发明涉及一种通过过冷凝固制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的方法，属于金属软磁材料领域。

背景技术

Fe基非晶纳米晶软磁合金由于其特殊的显微组织结构，与晶态软磁合金相比，具有矫顽力低、电阻率高等显著优势。然而，Fe基非晶纳米晶合金中由于大量非晶形成元素的存在，降低了饱和磁化强度，限制了相关软磁器件的高功率和小型化发展。经典非晶软磁合金(国际牌号Metglas 2605SA1、我国牌号1K101)的饱和磁化强度约为1.55T，而经典纳米晶软磁合金(国际牌号Finemet、我国牌号1K107)的饱和磁化强度约为1.24T，均远低于硅钢的饱和磁化强度(约2.12T)。

为了充分发挥非晶纳米晶软磁合金在各类电力电子设备的应用潜力，亟需提高Fe基非晶纳米晶合金中以Fe为主的磁性元素含量及饱和磁化强度。制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的挑战在于获得非晶基体的要求较为苛刻，熔融合金冷却速度需达到约10⁵℃/s以上。依据Inoue非晶原则，合金中往往需要添加约20at％的非磁性元素以促进非晶结构的形成。纳米晶软磁合金由非晶合金经晶化退火而成，往往还需要添加形核及抑制晶粒长大的非磁性元素。这些元素的引入极大限制了非晶纳米晶软磁合金中铁磁性元素的含量，故难以获得高饱和磁化强度。

目前，提高Fe基非晶纳米晶软磁合金饱和磁化强度的方法主要集中于成分调控方面。一是通过添加Co元素增强合金中铁磁交换强度以提高合金饱和磁化强度，如专利ZL201410728540.1公开了一种Fe_aCo_bNb_cB_dCu_e合金，通过添加6～20at％的Co提高纳米晶合金饱和磁化强度至1.80T，矫顽力在10～35A/m范围内。二是调整类金属元素如Si、B、C、P元素的添加量，如专利ZL200510066862.5公开了一种Fe_aSi_bB_cC_d合金，当c在12～18at％范围内，且满足b≤(0.5×a-36)×d^1/3条件时，铁基非晶带材的饱和磁化强度可达1.60T以上。此外，ZL201410285976.8公开了一种Fe_aSi_bB_cC_dP_e合金，通过调节类金属元素添加比例，获得的Fe_84.3Si_2.3B_9.7C_0.9P_2.8合金具有最高的饱和磁化强度为1.69T。这类方法一方面依据Inoue非晶原则，调节类金属添加比例影响合金混合焓、原子尺寸差异，以提高合金非晶形成能力，进而提高铁磁性元素含量；另一方面由于类金属元素的2p电子能够对Fe的3d电子产生影响，影响Fe原子磁矩大小，从而调控合金饱和磁化强度。由上述专利可知，通过调节类金属元素含量的方法，需要精确控制不同元素的比例关系，且铁磁性元素添加量的提高仍有限，限制了饱和磁化强度的进一步提升。