[发明专利]高性能铁基纳米晶软磁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料中软磁合金的技术领域，具体地讲是涉及一种具有优异软磁性能宽退火温度区间的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法。

背景技术

1988年Yoshizawa研制出了FINEMET铁基纳米晶软磁合金，从此掀开了软磁合金的发展史上新的一页。学术和工业界对这种具有优异软磁性能的新型合金展开了广泛而深入的研究，铁基纳米晶软磁合金优异的软磁性能归因于非晶基体及基体上均匀分布纳米晶粒这种特殊的双相复合结构，纳米晶粒通过晶粒间的非晶基体交换耦合作用有效地降低了合金的磁晶各向异性能，与旋淬态的非晶带材相比较，经过退火处理后，部分晶化的铁基非晶/纳米晶带材软磁性能有了极大的改善。自从铁基纳米晶软磁合金问世以来，数十种合金体系已被开发出来，其中一些已经得到了很好的工业应用，展示出了传统软磁合金无法比拟的综合软磁性能，尤其表现在基于铁基纳米晶软磁合金的器件损耗的降低和系统工作稳定性的提高。但是铁基纳米晶软磁合金由于其生产成本较传统的软磁合金（如软磁铁氧体、硅钢片等）高，非晶前驱体的连续生产稳定性不高，与此同时一些合金体系窄的退火温度区间使非晶带材在实际的批量生产过程中受退火设备的影响较大，次品率较高，而目前大的退火炉很难保证温度场的均一性，炉腔内数十度的温度差往往是不可回避的事实，许多中小型企业由于其生产设备较落后，技术资源不足，生产出的纳米晶软磁带材质量稳定性较差，严重制约了具有铁基软磁纳米晶合金推广应用。

然而，目前多数纳米晶软磁合金都含有硼元素，硼元素在实际的生产过程中是以硼铁的形式加入的，较之铁碳合金硼铁价格要贵得多，如果能用在元素周期表中与硼近邻元素碳代替硼，将大大降低铁基非晶带材的生产成本。从理论上讲，碳比硼更有利于提高体系的非晶形成能力，因为根据日本材料科学家井上非晶制备三原则，具有较强非晶形成能力的体系必须具备以下三个特征：1. 含有三种或三种以上的元素；2. 组成元素间的原子半径差值要大；3. 各组元之间要有负的混合焓。根据该非晶形成经验判据，首先B的原子半径为0.095 nm，而C的原子半径为0.086 nm，仅从原子尺寸上看，C代替B可使组成元素的半径差值更大，大的原子尺寸差可使原子排列堆积更加密集，阻止原子的扩散重排，进而阻止液体金属冷却过程中的成核结晶。再次，从电负性的角度来看，B和Fe的混合焓为-26kJ/mol，而C和Fe的混合焓为-50kJ/mol，由此可见C具有比B更强的与铁结合力，这种较强的结合力更有利于形成稳定的化学短程结构，使合金体系在由液态冷却的过程中更容易形成非晶。

但是目前的主流铁基软磁带材如（1K107）其退火温度较高（535°C），保温时间较长（1h），如果用C代替B，则会在退火时生成NbC和Fe₃C，相反弥散分布的NbC和Fe₃C相的析出将会钉扎磁畴从而恶化了其软磁性能。

因此要想成功开发出含碳的铁基纳米晶软磁带材，首先必须保证所研制的非晶体系具有退火时保温温度低、退火时间短这样的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本较低的具有优异软磁性能的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高性能铁基纳米晶软磁合金，其特征在于：该铁基纳米晶软磁合金化学成分表示为Fe_aP_bC_cSi_dAl_eCr_fCu_g，其中a、b、c、d、e、f为所对应组分的原子百分数，变化范围：b=4~10，c=5~9，d=0~6，e=0.5~1，f=0.3~0.5，g=0-2，a=(100-b-c-d-e-f-g)。

优选方案：所述的高性能铁基纳米晶软磁合金，其特征在于：b=6~8，c=5~7，d=3~6， e=0.5~1，f=0.3~0.5，g=0.5~1.5，a=(100-b-c-d-e-f-g)。

所述的高性能铁基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于包括以下过程：

步骤一、按照合金成分进行配料并熔炼成成分均匀的母合金；

步骤二、将母合金加热到熔融状态，通过喷嘴喷射到铜辊上进行快速冷却制备非晶薄带；

步骤三、将快淬得到的非晶薄带在真空退火炉中退火，保温温度区间300~400℃，时间2~5min。