[发明专利]一种晶化可控的铁基纳米晶软磁合金

说明书

本发明提供了一种晶化可控的铁基纳米晶软磁合金，该铁基纳米晶软磁合金的化学组成为Fe₈₄Si₂B_13–xCu₁P_x，其中，1≤x≤4；该铁基纳米晶软磁合金在经历非晶态结构之后，经过热处理后，最终具有纳米晶结构，晶粒尺寸为8‑12纳米；饱和磁感应强度为1.57‑1.85T。其制备方法包括：1）母合金的制备；2）铁基纳米晶软磁合金的制备；如果步骤2所得合金薄带为纳米晶结构，则铁基纳米晶软磁合金制备成功；如果所得合金薄带为非晶态结构，则进行步骤3的退火操作。与现有技术相比，本发明的优点为：在保持高饱和磁感应强度性能的基础上，根据相图知识，降低了铁含量，并采用磷元素替代硼元素，提高了合金的非晶形成能力。

技术领域

本发明涉及功能材料中软磁合金的技术领域，具体涉及一种晶化可控的铁基纳米晶软磁合金。

背景技术

随着全球能源日趋紧张以及环境恶化，节能减排目前已经成为全球最为关注的问题之一。在电力电子系统中，国家大力号召使用绿色节能环保材料，要求耗电量低，CO2排放量少，使用低损耗的软磁合金材料。目前正在开发的非晶纳米晶材料，由于其低损耗、高磁导率已成为电力系统应用中最有前景的软磁合金材料。最早的铁基非晶纳米晶软磁合金是在1988年由日本日立金属的吉泽克仁（Yoshizawa）等人开发出的。由于其非常优异的软磁性能和低廉的价格，它在开发后便投入了产业化生产，商品牌号为“FINEMET”。FINEMET的典型成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，它是在普通的Fe-Si-B非晶合金内添加少量的Cu和Nb，通过旋淬法制备出厚度在20-50μm的非晶薄带后，在823K的温度下退火1小时，从而获得直径在10-15nm的纳米晶粒和残余非晶基体的两相复合结构。这种新型Fe基合金具有低损耗、高磁导率和饱和磁滞伸缩系数趋近于零的特点，在这方面与坡莫合金、Co基非晶合金材料不相上下，但却比二者的饱和磁感应强度要高，达到1.2T左右。

目前对于高饱和磁感应强度铁基非晶纳米晶合金的研究，大多集中于通过增加Fe元素的含量来提高Bs，近年来，Makino发现了Fe-Si-B-Cu-P（A. Makino, IEEE Trans.Magn, 48 (2012) 1331-1335）铁基纳米晶软磁合金Fe85Si1-2B8-11P1-4Cu1，其饱和磁感应强度可高达1.8T，但是这类合金中过高的铁含量，使得其非晶形成能力降低，而文献提供的常规制备方法制备的材料形成的晶体的晶粒尺寸过大，导致合金的矫顽力过大。这个技术方案导致了以下技术问题：1、晶粒尺寸不可控，且过大，导致材料性能下降；2、生产工艺复杂；3、材料性能存在进一步提升的空间。上述技术问题严重制约了该铁基软磁材料的应用，因此，在保持高饱和磁感应强度的基础上，适当降低材料的铁含量，从而控制合金形成非晶的能力，最终实现降低生产工艺和成本是亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的技术问题，提供一种晶化可控的铁基纳米晶软磁合金及其制备方法。

经申请人分析可知，在常规的铁基非晶态软磁合金中，可以通过添加类金属元素硼来提高铁基非晶态软磁合金形成非晶的能力。但由于硼元素难熔且易挥发，增加了制备非晶合金的工艺要求；更重要的是硼元素的加入会降低非晶的软磁性能，特备是饱和磁感应强度。

因此，通过采用其他元素替代部分硼元素可以有效缓解上述问题。

1995年，Inoue等总结的形成非晶的3条经验规律：1.合金体系由3个或3个以上的组元组成；2.主要组元间的原子尺寸比差异大；3.主要组元间具有大的负混合热。根据上述经验规律，申请人发现，Fe-P原子尺寸比例为13.8%，而且P和Fe原子的混合焓为-31kJ/mol，因此，由P替代B元素有利于合金形成非晶。