[发明专利]一种提高非晶态铁硅硼合金薄带中铁含量的工艺方法

说明书

本发明涉及一种提高非晶态铁硅硼合金薄带中铁含量的工艺方法,其特征在于，包括：步骤1，计算铁硅硼合金熔体中非金属原子团簇分解的温度；步骤2，计算铁硅硼合金熔体中铁原子与非金属元素之间形成以第一近邻关系为主的温度；步骤3，设定铁硅硼合金熔体的加热处理温度并将铁硅硼合金加热至铁原子与硅原子和硼原子形成强第一近邻关系的温度：步骤4，将加热处理的合金熔体迅速降温至设定的浇注温度并快速凝固得到非晶态固体合金薄带。本发明能够通过调控非晶态铁硅硼合金的微结构来达到提高非晶态铁硅硼合金薄带中铁含量的目的，以提高非晶态铁硅硼合金薄带的饱和磁感应强度。

技术领域

本发明属于金属功能材料制备技术领域，特别是涉及一种提高非晶态铁硅硼合金薄带中铁含量的工艺方法。

背景技术

铁基非晶合金具有电阻率、磁导率高和低损耗的特征，是一种性能优异的软磁合金材料，被广泛应用于输配电、电子信息、新型电机等领域。与传统的硅钢变压器相比，铁基非晶合金制造的变压器可降低60～80％的空载损耗，是节能减排的重要基础材料之一。铁基非晶合金的制备需要加入一定数量的硅、硼等非金属元素来控制合金熔体凝固过程中形成非晶态结构，加入的非金属元素数量越多，铁基合金熔体的非晶形成能力就越强。铁基非晶合金中非金属元素的含量使得典型的铁基非晶合金(Fe-Si-B)中铁的原子百分比含量均小于80％，已知铁含量最高的Fe-Si-B非晶合金的成份是Fe₇₉Si₁₃B₈，铁含量远低于硅钢中的铁含量(原子百分比可达95％以上)。由于非金属元素只是对固体合金形成非晶态结构起关键作用，对合金的磁性能没有贡献，所以铁基非晶合金的饱和磁感应强度只与铁的含量成正比，铁基非晶合金的非金属元素含量越高，铁的含量就越低，铁基非晶合金的饱和磁感应强度也就越低，因此非晶态铁硅硼合金的饱和磁感应强度明显低于硅钢，使得利用非晶态铁硅硼合金制备的器件性能受到一定程度的限制。目前提高非晶态铁硅硼合金的铁含量已成为亟待解决的关键问题。

依据温度的不同，铁硅硼合金熔体中铁原子、硅原子和硼原子可形成大量不同成份和不同结构类型的游动原子集团，以及各种原子呈紊乱分布的无序结构，这些原子集团中可包含铁-硅原子团簇、铁-硼原子团簇、硅-硼原子团簇和铁-硅-硼原子团簇，以及少量的、分别仅由铁原子、硅原子和硼原子形成的团簇。实际上，合金熔体的微观结构是不均匀的，原子团簇的具体特征不仅与金属的种类和合金成分有关，而且也与熔体的温度密切有关。虽然合金熔体中原子团簇种类和结构依赖于温度，但是原子团簇结构的变化速度总是滞后于温度的变化速度，并且原子团簇结构不同，相对于温度变化的滞后情况也不相同。原子团簇结构变化相对于温度变化的滞后性使得熔体在温度上升的一定温区内还保留了初始合金熔体中金属元素团簇和非金属元素团簇的结构特征，很显然金属元素团簇的存在不利用形成非晶合金，而非金属元素团簇的存在则既降低了非晶形成能力，也降低了非晶态固体合金中的金属含量。随着合金熔体温度的升高，原子的热振动能越大，最外面的原子会离开初始合金熔体的原子团簇，形成游离的原子，导致原子团簇尺寸的减小，因此初始熔体的微观结构特征会随着温度的升高而逐渐减少。只有熔体温度升高到特定温度时，才能完全消除初始熔体的微观结构特征。当初始熔体的微观结构特征完全消失时，达到真正的熔体微观结构状态。当从初始熔体的原子团簇中游离出来的金属和非金属原子越来越多时，由金属和非金属元素形成原子团簇的几率就越大，因而非金属元素对合金熔体形成非晶态固体合金的作用就越强。如果非金属元素在形成非晶态合金结构的过程中起的作用越大，形成非晶合金所需的非金属元素数量就越少，非晶态固体合金中的金属含量就可以更高。第一性原理分子动力学计算表明，在1600℃的铁硅硼合金熔体中硅原子与硅原子、硼原子与硼原子，以及硅原子与硼原子形成第一近邻关系的能力远低于和铁原子形成第一近邻关系的能力。铁原子和硅原子的半径相近，可以形成多种类型的团簇结构。模拟计算还表明，与铁原子类似，硅原子以配位数12或13的方式与铁原子组成团簇结构的几率最大，由于原子尺寸的不同，B原子则以配位数为9或10的方式与铁原子构成团簇结构的几率最大，并且铁原子与硅原子的成键强度大于铁原子与硼原子之间的成键强度，另外硅原子与硼原子之间有一定的相互排斥倾向，不易形成第一近邻关系。如果硅原子不与硅原子或者硼原子形成第一近邻关系，只与铁原子形成近邻关系，按照配位数12或13的方式形成以硅原子为中心与铁原子形成多面体结构，则会提高硅元素在形成非晶态固体铁硅硼合金中的作用。同样，降低硼原子之间形成第一近邻关系的数量，并按照配位数10的方式以硼原子为中心与铁原子形成多面体团簇，也增加了硼元素在形成非晶态固体铁硅硼合金中的作用。当铁原子与硅原子和硼原子以这样的方式形成非晶态铁硅硼合金时，非晶态固体铁硅硼合金中铁原子的百分比含量可达到90％以上。即使团簇结构中仍有少量的第一近邻硅原子和第一近邻的硼原子，以及硅原子和硼原子之间形成的第一近邻关系，非晶态固体铁硅硼合金中铁的百分比含量亦可远高于目前的79％。