專利名稱：一種制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法。
背景技術：
作為信息功能材料的磁性材料，是一種用途廣泛的基礎功能材料，而軟磁材料則 是其中應用最廣泛、種類最多的材料之一。軟磁材料的性能常因應用而異，但通常希 望材料的磁導率u要高、矯頑力Hc和損耗Pc要低。軟磁材料主要有以金屬軟磁材料
(硅鋼片、坡莫合金等)和鐵氧體軟磁材料(如MnZn系、NiZn系和MgZn系等)為代 表的晶體材料，非晶態軟磁合金(主要分為Fe基和Co基兩種)以及近年來發展起來的 納米晶軟磁合金(如Finemet)、納米粒狀組織軟磁合金、納米結構軟磁薄膜和納米線等 等。金屬軟磁材料的飽和磁感應強度Bs遠高于鐵氧體材料，非晶、納米晶材料的Bs 雖與金屬軟磁材料相差不大，但它的矯頑力Hc要小得多。與晶態材料相比，非晶態 材料通常具有高強度、高耐腐蝕性和高電阻率的特性，Fe基非晶態合金通常具有較高 的Bs， FeNi基非晶態合金通常具有較高的u值，而Co基非晶態合金通常具有低的飽 和磁致伸縮系數As。納米晶合金的綜合性能最好，且不存在非晶態合金老化的問題， 所以很快得到了廣泛的應用。
隨著21世紀信息技術和電子產品數字化的發展，現代電子工業的生產已經全面 進入自動化階段，信息技術將朝著小型化和輕型化方向發展，從而促進了元件的集成 化和微型化，電感、線圈趨向小型化、片式化。電感器是片式化較為迅速的電子元件 之一，當電感器微型化時，通常采用表面貼裝技術，相應的也就要求，磁芯軟磁材料 設計成低高度和薄膜化的磁性元件。同時，電感的微型化還要求磁芯材料在高頻條件
(MHz GHz)下仍保持穩定的軟磁性能，因此要求磁芯材料具有如下的物理性能， 以獲得優越的器件性能①高磁導率p來獲得大電感量；②高飽和磁感應強度Bs以 保證高飽和電流；③低的矯頑力Hc， Hc值越低，其損耗越小；④高電阻率P以降低 渦流損耗。傳統的鐵氧體材料雖然有很高的磁導率，但是高頻下性能下降，損耗大， 因而不能適應高頻下微型元器件的要求，新型的非晶、納米晶薄膜材料具有飽和磁感 應強度高、磁導率高，矯頑力低等優良的綜合性能，在KHz范圍內能很好的滿足電 子元件的使用要求，但在MHz頻率范圍下，磁導率和電阻率等性能仍不能達到要求，因此還有待于新的高頻軟磁材料的研究。
近年來，對軟磁材料高頻化的要求有的已高達數百MHz乃至1GHz的頻帶域， 可滿足這種要求的一種材料便是新開發成功的由鐵磁金屬與絕緣體微粒在納米級混 合而成的高電阻軟磁薄膜，稱之為金屬一非金屬納米顆粒薄膜，這種金屬一非金屬納 米顆粒結構薄膜的電阻率很高( 1000ixQ，cm)，作為超高頻用電感器的磁芯，彌補 了鐵氧體材料的缺點，還可望用于磁記錄密度超過10Gbit / in2的超高密度磁記錄用磁 頭，以及超高頻電源變壓器和濾波器用薄膜磁芯。由金屬顆粒嵌鑲在氧化物絕緣介質 中所組成的Fe-(Co)-M-0(M=Hf， Zr， Ti， V， Nb， Y， Cr, W， B， Al， Ce， Nd， Dy，等)金屬一氧化物納米顆粒薄膜的使用頻率可到MHz，在100MHz下其品質因數 仍高達15。新近開發成功的由金屬一非金屬組成的(Fe， Co)-CB， Si， Hf， Zr， Al， Mg)-(F， O， N)系納米結構顆粒薄膜等一系列軟磁材料，作為超高頻用電感器的鐵芯， 可用于數百MHz乃至lGHz的頻帶域。目前這種材料的主要制備方法是濺射法，電 解電鍍法等，但這些制備工藝比較復雜，過程不易控制，且耗能大，不利于大規模生 產的實現。因此如果能實現制備這種材料的更簡單的工藝，將大大推動這種高頻用軟 磁材料的發展，以及相關微型電子元器件的發展和應用。
發明內容
本發明根據現有技術中的不足，提供一種工藝簡單，制備過程容易控制，且耗能 小，利于生產應用的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法。
為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現 一種制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于，包括如下步驟
A、 采用中頻感應加熱法制備FexMyBmOn母合金，其中M選自Zr、 Nb、 Ti、 V、 Cr中的一種，55SxS65， 105yS20， 5^n5l0， 10SnS30;
B、 將母合金切割成塊狀，封裝入套有石英玻璃管的氧化鋯坩堝內，進行真空處 理；
C、 使用中頻感應加熱石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入 氬氣，采用單輥熔體旋冷的方法噴制FexMyBmOn薄帶；
D、 對薄帶進行去應力退火處理。
其中所述的步驟A中，以純鐵、四氧化三鐵粉、M的塊材、硼鐵為原料，按預
制合金組分配制母合金原料。 其中步驟A中，采用中頻感應加熱，加熱功率為5 20kW。
其中步驟B中，使用線切割機將母合金切成大小約1 113的小塊，并用拋光機
和丙酮液對表面進行拋光清潔處理。
其中步驟B中，石英玻璃管的內部套有氧化鋯坩堝。
其中步驟B中，石英管底部嵌入氮化硼噴嘴。
其中步驟B中，石英玻璃管內的真空度為10—3~10—4Pa。
其中步驟C中，采用中頻感應加熱設備熔融石英管內的母合金，加熱功率為5
20kW。
其中步驟C中，加熱過程中采用的保護氣氛為氬氣。 其中步驟C中，噴帶過程中采用的氬氣壓強為10 20kPa。 其中步驟C中，冷卻方式為高速旋轉的水冷銅輥，輥速為20 30轉/秒。 其中步驟D中，采用真空退火爐對薄帶進行退火處理，退火溫度為250 350 'C，保溫時間為0.5 1小時，然后隨爐冷卻至100 150'C后空冷至室溫。
上述的方法中，預制的母合金經過適當溫度退火后，Fe以bcc結構的納米晶微晶 形態存在，是鐵磁相，M和B， O存在于非晶相中，M的作用是細化晶粒，并奪取合 金中的氧形成氧化物，B的作用是增大非晶形成能力，O與M形成氧化物，提高薄帶 的電阻率，降低渦流損耗，從而增強薄帶的高頻軟磁性能。步驟A中采用的母合金原 料為純鐵、Fes04粉、M的塊體材料和硼鐵合金，瑢煉方式為中頻感應加熱，利用電 磁感應加熱的集膚效應使材料表面迅速加熱達到高溫，同時中頻感應加熱的振蕩效應 能在加熱的同時攪拌熔體便于獲得成分均勻的母合金。
上述的步驟B中，將母合金切成小塊是為了增大合金表面積，利于快速加熱熔化。 采用的石英玻璃管的下端套入一氧化鋯坩堝，其目的是避免熔煉過程中溫度過高使玻 璃管破裂。石英玻璃管上端有一帶有導管的活塞，通過導管可以對石英玻璃管進行抽 真空處理和加保護氣氛處理。在對母合金進行加熱前對石英管進行抽真空處理，防止 雜質混入合金中，真空度約為10—3~10'4Pa。
上述的步驟C中，利用中頻感應加熱方式，通過調節感應線圈中的電流電壓來控 制加熱功率，初始加熱功率為5kW，待合金發紅后逐步增加到20kW左右，直至合 金完全熔化。合金完全熔化后要持續加熱3 5分鐘，使熔體在感應電流的作用下充 分攪拌均勻，然后向石英玻璃管中通入氬氣，當氣壓達到10 20kPa時，熔體在氣體 壓力作用下克服表面張力經石英管下端的噴嘴噴射到下方高速旋轉的水冷銅輥表面，
熔體與銅輥表面接觸的瞬間迅速凝固并在銅輥轉動的離心力作用下以薄帶的形式向 前拋射出來，從而獲得FexMyBmOn薄帶，M選自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一種；55《x《65， 10《y《20， 5《m《10， 10《n《30。
上述的步驟D中，由于薄帶的形成是通過高溫狀態下合金材料急速冷卻實現的， 冷卻過程中通過居里點時，由飽和磁致伸縮產生的晶格畸變以及雜質元素所引起的基 體晶格畸變會導致材料內部產生內應力，因而需要通過后續的退火處理來消除內應 力，退火溫度在晶化溫度以下。本發明中根據材料成分的熱力學性能，將退火工藝定 為250 35(TC下保溫0. 5 1小時，隨爐冷卻至100 150。C后空冷至室溫。
本發明的關鍵在于上述步驟C中使用簡單的中頻感應加熱單輥旋轉快速冷卻的 方法。合金成分中因為加入了氧以提高鐵基軟磁材料的高頻性能，而最終的微觀結構 中仍然要保持bcc-鐵相結構，因此必須通過M這種奪氧能力強的元素來奪取合金中的 氧形成氧化物，而形成的氧化物如果不經過充分攪拌將容易懸浮在熔體表面成為渣 體，因此在采用感應加熱的過程中應適當的延長加熱時間，使熔體充分攪拌均勻，以 保證最終獲得的薄帶中含有足夠含量的氧化物相。
本發明的有益效果目前制備含氧的鐵基高頻軟磁微尺寸材料的方法大多是濺射 法、電鍍法等，工藝復雜，制備過程不易控制，且耗能大，不利于生產應用，采用本 發明中的工藝方法，在獲得高頻性能優良的鐵基軟磁薄帶的同時，大大簡化工藝，降 低成本，有利于批量化生產和應用的推廣。
圖1實施例1制備的Fe6oNbK)B5025薄帶的XRD衍射圖譜； 圖2實施例2制備的Fe6()ZrH)B5025薄帶的XRD衍射圖譜。
具體實施方式
實施例1
以純鐵、四氧化三鐵、純鈮、硼鐵(Fe82,73Bn.67)為原料，按質量分數分別為21.3%， 30.5%， 19.6%， 28.6。/。配制成分熔煉Fe6oNbK)B5025的母合金，然后將母合金切割成大 小約lcmX lcmX 1cm的立方小塊，用拋光機進行表面拋光處理后用丙酮溶液進行表面 清潔處理，然后封裝在帶有氧化鋯坩堝和噴嘴的石英玻璃管內，抽真空至lX10"Pa。 用中頻感應加熱設備對石英管進行加熱，初始加熱功率為5kW，待合金發紅后逐步增
加到15kW，合金完全熔化后繼續加熱3分鐘，使合金充分攪拌均勻，然后向石英管 內通入氬氣，氬氣壓強為15kPa，在氬氣壓力作用下熔體從石英管下端的噴嘴中快速 噴射到輥速為20轉/秒的高速旋轉的銅輥上，快速凝固得到寬lcm厚度約為30 y m 的薄帶。對薄帶進行真空熱處理，在30(TC下保溫一小時后，隨爐冷卻至125'C然后 空冷至室溫，獲得含有納米尺寸的bcc鐵(a-Fe)相、少量Fe3B和含Nb205的非晶相 的混合結構。 實施例2
以純鐵、四氧化三鐵、純鋯、硼鐵。682.73817.67)為原料，按質量分數分別為21.4%， 30.6%， 19.3%， 28.7n/。配制成分熔煉Fe6oZnoB5025的母合金，然后將其切割成大小約 lcmX lcmX lcm的立方小塊，用拋光機進行表面拋光處理后用丙酮溶液進行表面清潔 處理，然后封裝在帶有氧化鋯坩堝和噴嘴的石英玻璃管內，抽真空至5X10"Pa。用 中頻感應加熱設備對石英管進行加熱，初始加熱功率為5kW，待合金發紅后逐步增加 到20kW，合金完全熔化后繼續加熱5分鐘，使合金充分攪拌均勻，然后向石英管內 通入氬氣，氬氣壓強為15kPa，在氬氣壓力作用下熔體從石英管下端的噴嘴中快速噴 射到輥速為25轉/秒的高速旋轉的銅輥上，快速凝固得到寬lcm厚度約為22 u m的 薄帶。對薄帶進行真空熱處理，在35(TC下保溫半小時后，隨爐冷卻至15(TC然后空 冷至室溫，獲得含有納米尺寸的bcc鐵(a-Fe)相、少量Fe3B和含Zr02的非晶相的 混合結構。
實施例3
以純鐵、四氧化三鐵、純鈦、硼鐵(Fe82.73Bn.67)為原料，按質量分數分別為9.34%， 26.74%， 19.9%， 44.02。/。配制成分熔煉Fe5sTh8B702。的母合金，然后將其切割成大小 約lcmX lcmX lcm的立方小塊，用拋光機進行表面拋光處理后用丙酮溶液進行表面清 潔處理，然后封裝在帶有氧化鋯坩堝和噴嘴的石英玻璃管內，抽真空還lXl(^Pa。 用中頻感應加熱設備對石英管進行加熱，初始加熱功率為5kW，待合金發紅后逐步增 加到20kW，合金完全熔化后繼續加熱4分鐘，使合金充分攪拌均勻，然后向石英管 內通入氬氣，氬氣壓強為10kPa，在氬氣壓力作用下熔體從石英管下端的噴嘴中快速 噴射到輥速為25轉/秒的高速旋轉的銅輥上，快速凝固得到寬lcm厚度約為25 n m 的薄帶。對薄帶進行真空熱處理，在35(TC下保溫半小時后，隨爐冷卻至15(TC然后 空冷至室溫，獲得含有納米尺寸的bcc鐵(a-Fe)相、少量Fe3B和含T i02的非晶相 的混合結構。
實施例4
以純鐵、四氧化三鐵、純釩、硼鐵(Fes2.73Bn.67)為原料，按質量分數分別為12.8%, 12.4%， 16.4%， 58.4。/。配制成分熔煉Fe65Vi5BK)OK)的母合金，然后將其切割成大小約 lcmX lcmX lcm的立方小塊，用拋光機進行表面拋光處理后用丙酮溶液進行表面清潔 處理，然后封裝在帶有氧化鋯坩堝和噴嘴的石英玻璃管內，抽真空至5X10"Pa。用 中頻感應加熱設備對石英管進行加熱，初始加熱功率為5kW，待合金發紅后逐步增加 到15kW，合金完全熔化后繼續加熱4分鐘，使合金充分攪拌均勻，然后向石英管內 通入氬氣，氬氣壓強為20kPa，在氬氣壓力作用下熔體從石英管下端的噴嘴中快速噴 射到輥速為30轉/秒的高速旋轉的銅輥上，快速凝固得到寬lcm厚度約為25ym的 薄帶。對薄帶進行真空熱處理，在25(TC下保溫一小時后，隨爐冷卻至IO(TC然后空 冷至室溫，獲得含有納米尺寸的bcc鐵(a-Fe)相、少量Fe3B和含V205的非晶相的 混合結構。
實施例5
以純鐵、四氧化三鐵、純鉻、硼鐵。682.73817.67)為原料，按質量分數分別為12.3%，
42.1%， 12.6%, 33.0。/。配制成分熔煉Fe55CnoB503()的母合金，然后將其切割成大小約 lcmX lcmX lcm的立方小塊，用拋光機進行表面拋光處理后用丙酮溶液進行表面清潔 處理，然后封裝在帶有氧化鋯坩堝和噴嘴的石英玻璃管內，抽真空至lXl(^Pa。用 中頻感應加熱設備對石英管進行加熱，初始加熱功率為5kW，待合金發紅后逐步增加 到20kW,合金完全熔化后繼續加熱5分鐘，使合金充分攪拌均勻，然后向石英管內 通入氬氣，氬氣壓強為20kPa，在氬氣壓力作用下熔體從石英管下端的噴嘴中快速噴 射到輥速為20轉/秒的高速旋轉的銅輥上，快速凝固得到寬lcm厚度約為28 u m的 薄帶。對薄帶進行真空熱處理，在30(TC下保溫一小時后，隨爐冷卻至125'C然后空 冷至室溫，獲得含有納米尺寸的bcc鐵(a-Fe)相、少量Fe3B和含Cr203的非晶相的 混合結構。
上述實施例中，Zr、 Nb、 Ti、 V、 Cr五種成份可以互換，同樣可以實現本發明的 目的。
上述實施例僅用于對本發明進行說明，并不構成對權利要求范圍的限制，本領域 技術人員可以想到的其他實質等同手段，均在本發明權利要求范圍內。
權利要求
1、一種制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于，包括如下步驟A、采用中頻感應加熱法制備FexMyBmOn母合金，其中M選自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一種，55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30；B、將母合金切割成塊狀，封裝入套有石英玻璃管的氧化鋯坩堝內，進行真空處理；C、使用中頻感應加熱石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入氬氣，采用單輥熔體旋冷的方法噴制FexMyBmOn薄帶；D、對薄帶進行去應力退火處理。
2、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于所述的步驟A中，以純鐵、四氧化三鐵粉、M的塊材、硼鐵為原料，按預制合金組分配制母合金原料。
3、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟A中，采用中頻感應加熱，加熱功率為5 20kW。
4、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟B中，使用線 切割機將母合金切成大小約lcr^的小塊，并用拋光機和丙酮液對表面進行拋光清潔處理。
5、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟B中，石英玻 璃管的內部套有氧化鋯坩堝。
6、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟B中，石英管 底部嵌入氮化硼噴嘴。
7、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟B中，石英玻璃管內的真空度為10-3~10—4Pa。
8、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟C中，采用中頻感應加熱設備熔融石英管內的母合金，加熱功率為5 20kW。
9、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟C中，加熱過 程中采用的保護氣氛為氬氣。
10、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟C中，噴 帶過程中采用的氬氣壓強為10 20kPa。
11、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟C中，冷 卻方式為高速旋轉的水冷銅輥，輥速為20 30轉/秒。
12、 根據權利要求1所述的制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于步驟D中，采 用真空退火爐對薄帶進行退火處理，退火溫度為250 35(TC，保溫時間為0.5 1小時， 然后隨爐冷卻至100 15(TC后空冷至室溫。
全文摘要
本發明公開了一種制備高頻用含氧軟磁薄帶的方法，其特征在于，包括如下步驟A.采用中頻感應加熱法制備Fe<sub>x</sub>M<sub>y</sub>B<sub>m</sub>O<sub>n</sub>母合金，其中M選自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一種，55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30；B.將母合金切割成塊狀，封裝入套有石英玻璃管的氧化鋯坩堝內，進行真空處理；C.使用中頻感應加熱石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入氬氣，采用單輥熔體旋冷的方法噴制Fe<sub>x</sub>M<sub>y</sub>B<sub>m</sub>O<sub>n</sub>薄帶；D.對薄帶進行去應力退火處理。采用本發明中的工藝方法，在獲得高頻性能優良的鐵基軟磁薄帶的同時，大大簡化工藝，降低成本，有利于批量化生產和應用的推廣。
文檔編號H01F1/12GK101183583SQ20071004720
公開日2008年5月21日 申請日期2007年10月18日 優先權日2007年10月18日
發明者彪 嚴, 唐人劍, 沙 楊, 軍 王, 陳伯渠, 玲 龍 申請人:同濟大學