專利名稱：一種鐵基納米晶合金及其制備方法
技術領域：
本發明屬于 納米晶合金技術領域，具體是一種鐵基納米晶合金及其制備方法。
背景技術：
1988 年日本 Yoshizawa 等在 J. Appl. Phys, 1988，64: 6044-6046 刊物上報道了一種新型的鐵基非晶合金“Finemet”，其典型成分為Fe73.5Si13.5B9CUlNb3。該非晶合金是在傳統的Fe-Si-B非晶合金的基礎上添加少量的Cu和Nb，通過晶化退火得到一種非晶/納米晶雙相耦合結構，其中a -FeSi納米晶粒尺寸為l(Tl5nm，體積分數約為70%。1992 年 Hono 等研究表明(The microstructure evolmion of Fe7I5Si115B9Cu1Nb3nanocrystal line soft magnetic material [ J]. Acta Mater, 1992, 40 (9):21371147.)，該非晶合金在晶化退火的過程中，由于Cu在Fe中的固溶度很小，與Fe分離后形成富Cu團簇,在富Cu團簇周邊由于Fe、Si成分起伏加大,促進了 a -FeSi的形核；而Nb則富集在晶粒周圍抑制晶粒的長大，使晶粒尺寸非常細小。這種非晶/納米晶雙相耦合結構使鐵基合金具有飽和磁感應強度高、損耗低和磁導率高的特點，因而廣泛應用于變頻電路中。但是隨著電子產品向小型化與高頻化方向發展，要求磁器件在較寬的頻率范圍內有效磁導率變化較小。經檢測，這種鐵基納米晶合金在工作頻率為IKHz時，有效磁導率ye ^ 4. OXlO4 Gs/0e，在工作頻率IKHz IOOKHz的范圍內，Ii e IOOKHz / Ii e IKHz ^ 5%。因而限制了這種鐵基納米晶合金在變頻電路中的應用。“具有改進的工藝性能的低成本鐵基納米晶合金及其制備方法”(CN1687 477A)專利技術，提供了一種低成本的鐵基納米晶合金的化學成分和非晶薄帶生產工藝；具體化學成分(重量百分含量)為Fe為80 85%，Si為7 9%，B為I. 5 2. 5%, Cu為1 2%，M為4 9%，M1為0.001 0.01%，M為Mo和Nb的一種或兩種，if為改進工藝性能元素Al和Ti的一種或兩種。該發明利用低純度工業原料并用Mo元素來替代Nb起到了降低成本的作用。雖然用Mo來部分替代Nb同樣能起到細化晶粒的作用，但是該合金性能并不能得到改善，有效磁導率隨頻率變化較大。非晶薄帶生產工藝是在大氣環境下利用單輥快淬法制成的，為了克服薄帶在快速冷卻過程中與空氣接觸產生氣泡，改善薄帶表面的光潔度，該發明添加了
0.00Γ0. 01%Al、Ti來提高鋼液的流動性。但是由于該發明利用的是低純度工業原料，其原料本身含有雜質元素Al、Ti，所以通過添加元素Al、Ti來改變鋼液流動性的方法在工業生產中實施性小。“一種低成本、高軟磁性能的鐵基納米晶軟磁合金”(CN101629265A)專利技術，提供了一種具有低成本、高飽和磁感應強度和低損耗的新型鐵基納米晶合金；具體化學成分(原子百分含量)為Si 6 9%，B 4 7%, P 3 6%，Cu 0. 5 I. 5%, Nb 0. 05 0. 15%，剩余為Fe。該發明降低了貴重金屬Nb的含量，同時用廉價的P來替代貴重的B以降低成本。并且P與Cu共同作用使晶化退火后得到細小彌散分布的納米晶，雖得到一種低成本、高飽和磁感應強度和低損耗的新型鐵基納米晶合金。但是P元素的原子百分含量> 3%提高了非晶薄帶脆性，使薄帶難以卷繞成型，并且Nb含量過低不能很好的起到細化晶粒的作用。
發明內容
本發明旨在克服現有技術缺陷，目的是提出一種合金成本低、鋼液流動性好和工業實施性強的鐵基納米晶合金的制備方法，用該方法制備的鐵基納米晶合金薄帶光潔度好、非晶薄帶韌性好、納米晶粒更加細小彌散和有效磁導率隨頻率變化較小。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是該合金的化學成分及其含量是Fe為 83. 5 85. 5wt% ；Si 為 7 9wt% ；B 為 I. 4 2. lwt% ；Cu 為 I. 2 I. 5wt% ；P 為 O. Γθ. 7wt% ；Nb為 2. 5 4wt% ；V 為 I 2wt%。該合金的制備方法是按上述化學成分及其含量配料，在感應加熱爐中熔煉，再將熔融態的合金噴射到高速旋轉的銅輥上，制成非晶合金薄帶；然后將制成的非晶合金薄帶置入真空爐中晶化退火，制得鐵基納米晶合金。晶化退火的工藝為45(T480°C預退火4(T60min，52(T57(rC晶化退火40
60min,出爐自然冷卻至室溫。所述熔煉是指熔煉氣氛為大氣，待合金加熱到熔融態時加入造渣劑，進行覆蓋撈渣；造渣劑為CaO和B2O3的混合粉，CaO和B2O3的質量比為2:1。所述高速旋轉的轉速為60(T900r/min。由于采用上述技術方案，本發明在Finemet合金的基礎上加入了 l 2wt%的V替代一部分Nb，由于V在Nb中的溶解度遠遠大于V在Fe中的溶解度，所以大部分V會從Fe中分離出來和Nb共同作用抑制晶粒長大，不會因為Nb含量過低而不能起到很好的細化晶粒的作用。從2012年8月國內FeNb60最新價格為21. 7^23. 3萬元/噸，而本發明采用的FeV50最新價格為7. 6^7. 8萬元/噸，所以用V替代一部分Nb可以明顯降低合金成本。為了進一步細化晶粒，本發明加入了 O. Γ0. 7被％的P以促進形核，與Cu共同作用使晶化退火后得到的納米晶更加細小彌散。且P含量相對于專利技術“一種低成本、高軟磁性能的鐵基納米晶軟磁合金”(CN101629265A)少，在細化晶粒的同時緩解了薄帶的脆性。在本發明中，由于V和P的加入，鋼液流動性好，在空氣中與銅輥接觸時可快速冷卻，生成的非晶薄帶光潔度好，不需要添加O. 00Γ0. 01%Al、Ti (如CN1687 477A)來提高鋼液的流動性，對原料純度要求低，一方面降低了生產成本，另一方面提高了工業生產的可實施性。本發明晶化退火工藝為450 480 °C預退火4(T60min，520^570 V晶化退火4(T60min。一方面釋放部分非晶潛熱，避免晶化放熱使溫度升得過高而導致的晶粒長大；另一方面使Cu、P充分偏聚成為非晶晶化形核核心。在現在技術中，有效磁導率μ e隨著頻率的升高是降低的。在工作頻率IKHz
IOOKHz的范圍內，μ e腿Ηζ/μ e馳的值是大于O小于I的。當μ e 100ΚΗζ/μ e馳的值越趨近于I時，則說明其有效磁導率的恒穩性越好；相反，當μ e /^0 1KHz的值越趨近于O時，則說明其有效磁導率的恒穩性越差；當^ Kiciraz/^ 1KHz值大于或等于15%時，則有效磁導率隨頻率的變化較小。在現有技術中如典型成分的Fe73.5Si13.^Cu1Nb3鐵基納米晶合金，工作頻率為IKHz時，有效磁導率μ e ^ 4. OXlO4 Gs/0e，在工作頻率IKHz IOOKHz的范圍內，μ e 100KHz/Ue 1KHz 5%，故Fe73.5Si13.5B9CUlNb3鐵基納米晶合金的有效磁導率隨頻率的變化較大；而本發明制備的鐵基納米晶合金經檢測分析當工作頻率為IKHz時，有效磁導率μ e >
1.09X 104Gs/0e，在工作頻率 IKHz IOOKHz 的范圍內，μ e 100ΚΗζ/ μ e 1ΚΗζ > 16. 7%，故本發明所制備的鐵基納米晶合金的有效磁導率隨頻率變化較小。因此，本發明具有合金成本低、鋼液流動性好和工業實施性強的特點，所制備的鐵基納米晶合金薄帶光潔度好、非晶薄帶韌性好、納米晶粒更加細小彌散和有效磁導率隨頻率變化較小，適用于變頻電器領域。
具體實施例方式下面通過幾組實施例對本發明作進一步的說明，但本發明并不僅僅限于以下幾例。為避免重復，現將本具體實施方式
所涉及的工藝參數統一描述如下，具體實施例 中不再贅述
所述晶化退火的工藝為45(T480°C預退火4(T60min，52(T57(rC晶化退火4(T60min，出爐自然冷卻至室溫。所述熔煉是指熔煉氣氛為大氣，待合金加熱到熔融態時加入造渣齊U，進行覆蓋撈渣；造渣劑為CaO和B2O3的混合粉，CaO和B2O3的質量比為2:1。所述高速旋轉的轉速為60(T900r/min。實施例I
一種鐵基納米晶合金及其制備方法。該合金的化學成分及其含量是Fe為83. 5 84. 5wt% ；Si 為 7 8wt% ；B 為 I. 6 2. 0wt% ；Cu 為 I. 2 I. 4wt% ；P 為 O. Γ
O.3wt% ；Nb 為 2. 5 3wt% ；V 為 I 2wt%。該合金的制備方法是按上述化學成分及其含量配料，采用感應加熱爐熔煉，再將熔融態的合金噴射到高速旋轉的銅輥上，制成非晶合金薄帶；然后將所制成的非晶合金薄帶置入真空爐中晶化退火，制得鐵基納米晶合金。本實施例所制備的鐵基納米晶合金，經電感測量儀檢測和分析工作頻率為IKHz時，有效磁導率 μ e > I. 26 X IO4 Gs/0e ;當工作頻率為 IKHz IOOKHz 時，μ e 100ΚΗζ/ μ e 1ΚΗζ >50%。實施例2
一種鐵基納米晶合金及其制備方法。該合金的化學成分及其含量是Fe為83. 5 84. 5wt% ;Si 為 7. 5 9wt% ；B 為 I. 9 2. lwt% ；Cu 為 I. 3 I. 5wt% ；P 為 O. 4 O. 7wt% ；Nb 為
2.7 4wt% ；V 為 I 2wt%。本實施例的制備方法同實施例I。本實施例所制備的鐵基納米晶合金，經電感測量儀檢測和分析工作頻率為IKHz時，有效磁導率 μ e > 3. 83 X IO4 Gs/0e ;當工作頻率為 IKHz IOOKHz 時，μ e 100ΚΗζ/ μ e 1ΚΗζ >16. 7%。實施例3
一種鐵基納米晶合金及其制備方法。該合金的化學成分及其含量是Fe為84 85. 5wt% ；Si 為 8 9wt% ；B 為 I. 4 I. 6wt% ；Cu 為 I. 3 I. 5wt% ；P 為 O. Γθ. 4wt% ；Nb 為
2.5 3wt% ；V 為 I 2wt%。本實施例的制備方法同實施例I。
本實施例所制備的鐵基納米晶合金，經電感測量儀檢測和分析工作頻率為IKHz時，有效磁導率 μ e > 2. OlXlO4 Gs/0e ;當工作頻率為 IKHz IOOKHz 時，μ e 100ΚΗζ/ μ e 1ΚΗζ >60%。實施例4
一種鐵基納米晶合金及其制備方法。該合金的化學成分及其含量是Fe為84 85. 5wt% ；Si 為 7 8wt% ；B 為 I. 4 I. 6wt% ；Cu 為 I. 3 I. 5wt% ；P 為 O. Γθ. 2wt% ；Nb 為
2.5 3wt% ；V 為 I 2wt%。本實施例的制備方法同實施例I。本實施例所制備的鐵基納米晶合金，經電感測量儀檢測和分析工作頻率為IKHz時，有效磁導率 μ e > I. 09 X IO4 Gs/Oe ;當工作頻率為 IKHz IOOKHz 時，μ e 100ΚΗζ/ μ e 1ΚΗζ > 90%。本具體實施方式
在Finemet合金的基礎上加入了 I 2wt%的V替代一部分Nb，由于V在Nb中的溶解度遠遠大于V在Fe中的溶解度，所以大部分V會從Fe中分離出來和Nb共同作用抑制晶粒長大，不會因為Nb含量過低而不能起到很好的細化晶粒的作用。從2012年8月國內FeNb60最新價格為21. 7^23. 3萬元/噸，而本具體實施方式
采用的FeV50最新價格為7. 6^7. 8萬元/噸，所以用V替代一部分Nb可以明顯降低合金成本。為了進一步細化晶粒，本具體實施方式
加入了 O. Γ0. 7wt%的P以促進形核，與Cu共同作用使晶化退火后得到的納米晶更加細小彌散。且P含量相對于專利技術“一種低成本、高軟磁性能的鐵基納米晶軟磁合金”(CN101629265A)少，在細化晶粒的同時緩解了薄帶的脆性。在本具體實施方式
中，由于V和P的加入，鋼液流動性好，在空氣中與銅輥接觸時可快速冷卻，生成的非晶薄帶光潔度好，不需要添加O. OOfO. 01%A1、Ti (如CN1687 477A)來提高鋼液的流動性，對原料純度要求低，一方面降低了生產成本，另一方面提高了工業生產的可實施性。本具體實施方式
晶化退火工藝為45(T480°C預退火4(T60min，52(T570°C晶化退火4(T60min。一方面釋放部分非晶潛熱，避免晶化放熱使溫度升得過高而導致的晶粒長大；另一方面使Cu、P充分偏聚成為非晶晶化形核核心。在現在技術中，有效磁導率μ e隨著頻率的升高是降低的。在工作頻率ΙΚ Γ ΟΟΚΗζ的范圍內， P e IOOKHz/ P e IKHz 的值是大于O小于I的。當
P e 100KH z/Ueiraz的值越趨近于I時，則說明其有效磁導率的恒穩性越好；相反，當μ e 100ΚΗΖ/ ^ e !KHz的值越趨近于O時，則說明其有效磁導率的恒穩性越差；當μ e 100KHZ/ye 1KHz值大于或等于15%時，則有效磁導率隨頻率的變化較小。在現有技術中如典型成分的Fe7i5Si115B9Cu1Nb3鐵基納米晶合金，工作頻率為IKHz時，有效磁導率μ e ^ 4. OX IO4 Gs/0e,在工作頻率ΙΚΗΓ ΟΟΚΗζ的范圍內，ye 100ΚΗζ /μ e 1KHz ^ 5%，故Fe73.5Si13. P9Cu1Nb3鐵基納米晶合金的有效磁導率隨頻率的變化較大；而本具體實施方式
制備的鐵基納米晶合金經檢測分析當工作頻率為IKHz時，有效磁導率ue>
I.09X 104Gs/0e，在工作頻率IKHz
IOOKHz的范圍內，μ e 100ΚΗζ/ μ e 1ΚΗζ > 16. 7%，故本具體實施方式
所制備的鐵基納米晶合金的有效磁導率隨頻率變化較小。
因此，本具體實施方式
具有合金成本低、鋼液流動性好和工業實施性強的特點，所制備的鐵基納米晶合金薄帶光潔度好、非晶薄帶韌性好、納米晶粒更加細小彌散 和有效磁導率隨頻率變化較小，適用于變頻電器領域。
權利要求
1.一種鐵基納米晶合金的制備方法，其特征在于該合金的化學成分及其含量是Fe為.83. 5 85. 5wt%, Si 為 7 9wt%，B 為 I. 4 2. lwt%, Cu 為 I. 2 I. 5wt%, P 為 O. Γθ. 7wt%, Nb 為.2.5 4wt%，V 為 l 2wt% ； 該合金的制備方法是按上述化學成分及其含量配料，在感應加熱爐中熔煉，再將熔融態的合金噴射到高速旋轉的銅輥上，制成非晶合金薄帶；然后將制成的非晶合金薄帶置入真空爐中晶化退火，制得鐵基納米晶合金； 晶化退火的工藝為45(T480°C預退火4(T60min，52(T57(rC晶化退火4(T60min，出爐自然冷卻至室溫。
2.根據權利要求I所述的鐵基納米晶合金及其制備方法，其特征在于所述熔煉是指熔煉氣氛為大氣，待合金加熱到熔融態時加入造渣劑，進行覆蓋撈渣；造渣劑為CaO和B2O3的混合粉，CaO和B2O3的質量比為2:1。
3.根據權利要求I所述的鐵基納米晶合金及其制備方法，其特征在于所述高速旋轉的轉速為 60(T900r/min。
4.根據權利要求Γ3項中任一項所述的鐵基納米晶合金的制備方法所制備的鐵基納米晶合金。
全文摘要
本發明涉及一種鐵基納米晶合金及其制備方法。該合金的化學成分及其含量是Fe為83.5~85.5wt%；Si為7~9wt%；B為1.4~2.1wt%；Cu為1.2~1.5wt%；P為0.1~0.7wt%；Nb為2.5~4wt%；V為1~2wt%。按上述化學成分及其含量配料，采用感應加熱爐熔煉，再將熔融態的合金噴射到高速旋轉的銅輥上，制成非晶合金薄帶；然后將所制成的非晶合金薄帶置入真空爐中晶化退火，制得鐵基納米晶合金。晶化退火的工藝為450~480℃預退火40~60min，520~570℃晶化退火40~60min，出爐自然冷卻至室溫。本發明具有合金成本低、鋼液流動性好和工業實施性強的特點，所制備的鐵基納米晶合金薄帶光潔度好、非晶薄帶韌性好、納米晶粒更加細小彌散和有效磁導率隨頻率變化較小。
文檔編號C21D1/26GK102776444SQ20121030686
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月27日 優先權日2012年8月27日
發明者劉靜, 徐黎明, 王貞, 甘章華, 陳漢杰 申請人:武漢科技大學