高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法

高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法。該合金的表達式為FeaSibPcCuxMy，其中a、b、c、x和y分別表示各對應組分的原子百分比含量，且滿足以下條件：70≤a≤85，5≤b≤15，5≤c≤18，0.0001≤x≤3，0≤y≤5，a+b+c+x+y＝100％，所述M為Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Mn、Cr、Re、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、鉑族元素、稀土元素、N、Sn、Ge、Ga、Al中的一種或多種。該合金是在高真空和氬氣保護下采用單輥急冷法制備的納米晶軟磁合金帶材，該合金不含有B元素、軟磁性能好、熱穩定性高、高頻損耗低、磁致伸縮系數低。
【專利說明】【技術領域】
[〇〇〇1] 本發明涉及非晶納米晶軟磁材料領域，尤其涉及一種高頻性能優良的鐵基納米晶 軟磁合金及其制備方法，其也具有良好的軟磁性能。 高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金及其制備方法 【背景技術】
[0002] 軟磁合金材料自問世以來，因其具有高飽和磁感應強度、高磁導率、低損耗、低矯 頑力等優異的軟磁性能而受到了極其廣泛的重視和深入的開發。隨著科技發展，電子設備 趨向于小型化，所以開發同時具有高飽和磁感應強度和低矯頑力的軟磁合金材料是目前軟 磁領域最熱門的研究方向之一。鐵基非晶態材料問世以后，主要作為軟磁材料使用。鐵基 非晶態軟磁材料以其高飽和磁感強度，低鐵損和高磁導率被廣泛應用于電力電子和電子信 息領域，主要應用包括：中頻電源變壓器鐵芯、開關電源平滑濾波輸出電感，空調、汽車音響 的噪音抑制，電源輸出電感鐵芯，高功率密度的變速電動機、發電機的定子及轉子等。
[0003] 與晶態材料相比，非晶態軟磁材料的缺點是熱穩定性差，在較低溫度下會發生晶 化，從而軟磁性能發生惡化。因此非晶態軟磁材料在長期使用條件下其工作溫度一般不宜 超過100°C -150°C，大大限制了非晶態軟磁材料的應用范圍。非晶態軟磁材料跟市售的硅 鋼片相比，仍存在其不足之處，即飽和磁感應強度相對較低。例如晶態取向硅鋼的B s值約在 2T，而典型的納米晶合金Fe73.5CUlNb 3Si13.5B9的Bs值僅為1. 24T。另外在設計制備非晶態軟 磁材料時，有些合金成分往往含有大量易氧化且昂貴的金屬元素 Zr、Hf、Nb等造成成本高 昂且制備工藝復雜，至今未得到真正的推廣應用。此外，傳統的非晶態軟磁材料大都含有B 元素作為一種重要的類金屬元素，對提高非晶形成能力有一定作用。但從非晶合金制備工 藝、軟磁性能及耐腐蝕性考慮，B元素的加入不可避免的帶來一定副作用：B元素難熔，且易 揮發，對非晶合金制備工藝有一定要求；B元素加入在一定程度上降低了非晶合金的軟磁 性能，特別是飽和磁感應強度；B的存在降低了合金耐腐蝕性和鈍化趨勢。因此考慮不含B 元素的鐵基非晶納米晶合金無論從成分創新還是實際應用都具有很高的價值。
[0004] 中國專利CN162652A公開了一種納米晶鐵基軟磁合金：合金具體成分（質量百分 比）包括：Zr(Y) = 0· 9-5%、Nb = 4-15%、Si = 3-18%、B = 1-5%、其余為 Fe。該成分非 晶提高了條帶的韌性，所得到的合金條帶的最佳軟磁性能為：飽和磁感應強度1. 4-1. 6T， 矯頑力小于2. 4A/m。
[0005] 日本專利JP1156451A公布了一種表達式為FeCoCuSiBM的高飽和磁感應強度的納 米晶合金，其中^代表他、1、了 &、21'、!^、11中的一種或多種元素，并通過控制熱處理制度， 保持結晶相的體積分數在50%以上，使得合金的飽和磁感應強度在1. 4T及以上。這實際上 是控制熱處理方式，更多地獲得a -Fe晶粒析出，以a -Fe本身的高Bs來提高合金的飽和 磁感應強度。但這種方法提升的潛力有限，其例舉的最高Bs僅在1. 58T。
[0006] 中國專利CN1450570A公開一種納米晶軟磁合金超薄帶及其制備方法：提供了 一種鐵基納米晶軟磁合金的化學成分和超薄帶生產工藝。合金化學成分包括Fe、Zr、Nb、 Si、Al、Cu，具體含量（質量百分比）為：Si = 0·l-0·2%、Zr = 6-8%、Nb = 4-6%、Al = 0. 1-1%、B = 1-2%、Cu = 1-1. 5%，其余為Fe。生產工藝為先感應熔煉制備母合金，然 后Ar氣氛中單輥急冷（線速度40-70m/s)噴射非晶帶，最后于真空條件下400-600°C磁場 熱處理30-60分鐘。所得到的合金條帶的最佳軟磁性能為：飽和磁感應強度1. 7T，矯頑力 9. 6A/m。
[0007] 美國專利US005449419公開了 一種表達式為Fe-Zr/Hf-B(Cu)的納米晶合金，其飽 和磁化強度可以達到1. 7T，軟磁性能優良，但由于合金中大量的Zr或Hf元素，不僅提高了 合金的成本，而且對制備條件要求苛刻。
[0008] 綜上所述，通過調節合金的成分和制備工藝在不同程度上均改善了非晶軟磁合金 的軟磁性能，但在總體上還存在明顯的缺陷：飽和磁化強度依然不是很高，尤其是無法同時 實現高飽和磁化強度和低矯頑力；合金的成分中含有Nb、Zr、Co、Ni、Hf等貴金屬元素中的 一種或幾種，導致合金的成本較高；不含有B元素且具有好的軟磁性能、高非晶形成能力、 高熱穩定性和優異高頻性能的鐵基納米晶合金至今很少報道。由此可見，研制一種應用于 特種電機、電抗器的不含有貴金屬元素及類金屬B元素、成本低廉、具有高的熱穩定性且具 有較高的飽和磁化強度、較低的矯頑力和高頻性能優良的納米晶材料具有重要的研究和應 用前景。
【發明內容】

[0009] 針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種高頻性能優良的鐵基納米晶軟 磁合金及其制備方法。該軟磁合金適用于特種電機、電抗器等，是一種價格低廉、不含有B 元素、飽和磁化強度較高、矯頑力較低以及高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金材料。
[〇〇1〇] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[〇〇11] 一種高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金，該合金的表達式為FeJi^Cu^， 所述表達式中a、b、c、X和y分別表示各對應組分的原子百分比含量，且滿足以下條件： 70 彡 a 彡 85,5 彡 b 彡 15,5 彡 c 彡 18,0· 0001 彡 X 彡 3,0 彡 y 彡 5, a+b+c+x+y = 100%， 所述 Μ 為 Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Μη、Cr、Re、Zn、In、As、Sb、Bi、Ca、鉬族元素、稀土元 素、隊5]1、66、63、六1中的一種或多種。
[0012] 本發明的鐵基納米晶軟磁合金中不含有B元素，成分設計思路是利用擁有較大非 晶形成能力的FeSiB三元系作為參考母合金，依據設計者要求以P取代B元素，同時添加 Cu 元素使其具有較大非晶形成能力和形成納米晶的必要元素以及能提高合金飽和磁感應強 度的必要元素，通過熔煉、快淬等現有的生產技術制備出性能優異的鐵基納米晶軟磁合金。 構成合金的元素中，Fe能夠提高合金的飽和磁化強度，Si、P可以提高合金的非晶形成能力 和電阻率，Cu可以為非晶合金的晶化提供成核點同時提高合金非晶形成能力。本發明合金 的微結構特征在于，以富含P的非晶相為基體相，同時與體心立方a -Fe (Si)納米晶相共 存。
[0013] 在上述鐵基納米晶軟磁合金中，作為一種優選實施方式，所述組分Fe的原子百分 比含量a的取值范圍為75彡a彡83,更優選為77彡a彡82。
[0014] 在上述鐵基納米晶軟磁合金中，作為一種優選實施方式，所述組分Si的原子百分 比含量b的取值范圍為5彡b彡10,更優選為6彡b彡8。
[0015] 在上述鐵基納米晶軟磁合金中，作為一種優選實施方式，所述組分P的原子百分 比含量C的取值范圍為10彡C彡15,更優選為12彡C彡14。
[0016] 在上述鐵基納米晶軟磁合金中，作為一種優選實施方式，所述組分Cu的原子百分 比含量X的取值范圍為〇. 1彡X彡3,更優選為0. 5彡X彡2。
[0017] 在上述鐵基納米晶軟磁合金中，作為一種優選實施方式，所述組分Μ的原子百分 比含量y的取值范圍為〇. 1彡y彡3,更優選為0. 5彡y彡2。
[0018] 下面對上述鐵基納米晶軟磁合金的成分設計原理進行說明：
[0019] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，Si元素的原子％要滿足：5 < b < 15,優選的 范圍是10,更優選6 < b < 8。Si元素是構成非晶態合金的常用元素，Si元素的適 量添加，不僅可以提高合金的非晶形成能力，而且能提高合金的熱穩定性和居里溫度；同時 Si元素可大幅提高材料的耐腐蝕性，B和Si都傾向停留在一層從而形成腐蝕產物，用Si取 代B能提高材料的耐腐蝕性能，降低磁致伸縮系數和晶體的磁各向異性。當Si元素原子％ 含量少于5時，Si元素的促進形成非晶態合金的作用難以發揮出來，而當Si元素原子％含 量大于15時，則會降低鐵磁性元素的含量，無法獲得高飽和磁感應強度的軟磁合金。
[0020] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，P元素的原子％要滿足：5彡C彡18,優選的 范圍是10 < C < 15,更優選12 < C < 14。P元素是構成非晶態合金的常用元素，P元素的 適量添加，不僅可以提高合金的非晶形成能力，而且能提高合金的熱穩定性和擴大非晶合 金的熱處理溫區范圍。當P元素原子％含量少于5時，P元素的促進形成非晶態合金的作 用難以發揮出來，而當P元素原子％含量大于18時，則會降低鐵磁性元素的含量，無法獲得 高飽和磁感應強度的軟磁合金。
[0021] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，Cu元素因其不溶于Fe，在熱處理時，首先從 非晶基體中均勻析出，是制備納米晶合金的通用元素；同時在本非晶合金成分中，Cu元素 的加入有效的提高了合金的非晶形成能力。Cu元素的原子％要滿足：0. 000K 3,優選 的范圍是0. 1彡Cu彡3,更加優選的范圍是0. 5彡Cu彡2。當Cu原子％大于3時，合金的 非晶形成能力變差，難以制備。而當Cu原子％小于0.0001時，Cu在退火時作為促進a-Fe 形核，形成納米晶合金的作用難以發揮出來。
[0022] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，Μ元素能夠阻礙析出納米晶粒長大，從而有利 于該鐵基納米晶軟磁合金具有優異的軟磁性能。Μ元素的原子％要滿足：0< y < 5,優選 的范圍是0. 1彡y彡3,更加優選的范圍是0.5彡y彡2。當Μ原子％大于5時，Μ元素由 于本身是大原子尺寸元素，阻礙析出納米晶粒長大的作用減弱，本身的大原子尺寸惡化納 米晶合金的軟磁性能。
[0023] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，除上述元素外余量由Fe構成，Fe為磁性元 素，為了獲得高飽和磁感應強度，必須保證合金含有較高的Fe含量。然而，Fe含量的升高， 必然導致非晶形成元素的減少，非晶形成能力下降，無法獲得最佳綜合性能。Fe含量優選為 75彡a彡83,更優選為77彡a彡82。
[0024] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，成分的主要特征在于不含有B元素。傳統的 非晶態軟磁材料大都含有B元素作為一種重要的類金屬元素，對提高非晶形成能力有一定 作用。但從非晶合金制備工藝、軟磁性能及耐腐蝕性考慮，B元素的加入不可避免的帶來一 定副作用：B元素難熔，且易揮發，對非晶合金制備工藝有較高要求，增加了成本；B元素加 入在一定程度上降低了非晶合金的軟磁性能，特別是飽和磁感應強度；B的存在降低了合 金耐腐蝕性和鈍化趨勢。不含有B元素的鐵基納米晶軟磁合金很少見到報道，因此考慮不 含B元素的鐵基納米晶合金無論從成分創新還是實際應用都具有很高的價值。本發明中， 用P和Si元素替代B元素，充分利用了 P和Si元素在成分體系中的優良特性，同時，P元 素價格便宜，容易獲得，且與Si和Fe均有強烈的化學相互作用。因此，發明人在實施過程 中發現，P元素不僅達到了預期，且進行B替代后，有利于提高合金的非晶形成能力；此外， 用P和Si元素取代B元素可提高合金的熱穩定性及耐腐蝕性。另外，Μ元素的加入可以阻 礙析出納米晶粒長大，從而有利于該鐵基納米晶軟磁合金具有優異的軟磁性能。
[0025] 在本發明的鐵基納米晶軟磁合金中，可能還含有少量不可避免的雜質元素，如S、0 等，但是所有雜質元素的總重量百分比要小于〇. 5%。
[0026] 在上述鐵基納米晶軟磁合金中，作為一種優選實施方式，所述Fe可被Co和/或Ni 部分替代，以Co和Ni鐵磁性元素替代可以更好地保證納米晶軟磁合金具有高飽和磁感應 強度。其中所述部分替代Fe的元素 Co和/或Ni在所述鐵基納米晶軟磁合金中的原子百 分比含量為45%以下。
[〇〇27] 一種上述鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，包括如下步驟：
[0028] 步驟一，按上述合金表達式中各組分的原子百分比含量進行配料；
[0029] 步驟二，在抽真空后充入保護氣體的氣氛下采用感應熔煉爐或電弧熔煉爐將所述 步驟一配好的原料熔煉均勻，隨爐冷卻或注入模具冷卻成成分均勻的母合金錠；
[0030] 步驟三，利用單輥熔體快淬法（即單輥急冷法），鑄造設備在真空條件和氬氣保護 下將所述母合金錠制備成鐵基納米晶軟磁合金。
[0031] 在上述制備方法中，所述步驟三，在高真空條件下制備鐵基納米晶軟磁合金條帶， 可以有效避免P元素的脆化、燒邊和偏析現象。
[0032] 在上述制備方法中，作為一種優選實施方式，在所述步驟二中，所述抽真空的真空 度為低于 5 X 10_3Pa (比如 2 X 10_3Pa、1 X 10_3Pa、8 X 10_4Pa、3 X 10_4Pa、5 X 10_5Pa)，所述保護 氣體的氣氛為氮氣或氬氣氣氛，所述熔煉時間為30-40min，并在熔化后保溫5-30min以使 合金原料熔煉均勻。
[0033] 在上述制備方法中，作為一種優選實施方式，在所述步驟三中，所述真空條件下 的真空度為彡 5Xl(T3Pa(比如 4XKT3Pa、2Xl(T3Pa、lXl(r3Pa、0· 5Xl(T3Pa、0· lXl(T3Pa、 8 X l(T4Pa、3 X l(T4Pa、5 X l(T5Pa)。
[0034] 在上述制備方法中，作為一種優選實施方式，在所述步驟三中，采用所述單輥熔體 快淬法制備鐵基納米晶軟磁合金時，銅輥表面線速度為30-40m/s (比如32m/s、38m/s)，合 金熔煉噴帶前溫度控制在 1200-1400°C (比如 1210°C、125(TC、128(rC、130(rC、132(rC、 1340°C、1370°C、139(TC )，制備出的鐵基納米晶軟磁合金帶材的厚度為18-35μπι(比如 19 μ m、23 μ m、25 μ m、28 μ m、33 μ m),寬度為 1. 5-10mm(比ι 如 1. 8mm、2. lmm、2. 5mm、3mm、 3. 5mm、4mm、4. 7mm、4. 9mm、6mm、8mm、9mm)〇
[0035] 在上述制備方法中，作為一種優選實施方式，所述方法還包括熱處理步驟，所述 熱處理步驟具體為：在抽真空后的惰性氣體氛圍中，將所述步驟三制備的鐵基納米晶軟磁 合金帶材以0.5-41：/8(0.81：/8、1.51：/8、21：/8、2.51：/8、31：/8、3.51：/8、3.81：/ s)的升溫速率升溫至 350-500°C (比如 370 °C、400°C、420°C、450°C、480°C )，然后保 溫 l_30min (2min、5min、lOmin、15min、20min、25min、28min),最后淬火冷卻至室溫，得到 鐵基納米晶軟磁合金帶材。優選地，所述熱處理步驟中，所述抽真空時的真空度為低于 3Xl(T3PaUl^n2Xl(r3Pa、lXl(r3Pa、8Xl(r 4Pa、3Xl(r4Pa、5Xl(r5Pa)。
[0036] 采用上述制備方法制成的鐵基納米晶軟磁合金在制造電子設備中的鐵芯方面的 應用。
[0037] 在上述應用中，作為一種優選實施方式，所述電子設備是特種電機、電抗器、脈沖 變壓器、差模電感、互感器或磁放大器。
[0038] 采用本發明的鐵基納米晶合金材料與現有技術產品相比較，本發明通過Fe元素 含量的提高以及P、Si和Cu元素的混合添加，替代了非晶軟磁合金中常見元素 B和其它價 格昂貴的貴金屬元素，在經過合適的熱處理之后，大幅提高了鐵基納米晶軟磁合金材料的 飽和磁感應強度（Bs彡1. 5T)，同時得到了較低的矯頑力（He彡2. 3A/m)，1kHz下有效磁導 率超過16. 2K，低磁致伸縮系數（2X 10_6)以及高頻1kHz下損耗小于10. 5W/kg ;所述鐵基納 米晶軟磁材料具有200K左右的熱實效溫區，具備高的熱穩定性。用Si、P元素替代了傳統 納米晶材料中的B元素，采用了高真空和氬氣保護進行制備，避免了 P元素的脆化、燒邊和 偏析現象。因而該發明具有成分設計合理、高頻性能優良、非晶形成能力強、成本較低、高熱 穩定性且軟磁性能優異的特點。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 圖1為實施例1中Fe78Si7P13. 5CUl.5非晶前驅體和在653K退火lOmin后納米晶合 金的X射線衍射（XRD)圖；
[0040] 圖2為實施例1中的Fe78Si7P13. 5CUl.5合金的DSC曲線；
[0041] 圖3為實施例1中的納米晶合金Fe78Si7P13. 5CUl.5經過653K熱處理lOmin后的磁 滯回線；
[0042] 圖4為實施例1中編號8樣品Fe74Si7P18C Ul非晶前驅體和在653K退火lOmin后納 米晶合金的TEM明場像和選區電子衍射圖； 【具體實施方式】
[〇〇43] 以下結合實施例對發明作進一步詳細描述。
[0044] 實施例1
[0045] 根據本發明的鐵基納米晶合金的表達式FeaSibP eCuxMy及其含量制備一組當y = 0 時的合金樣品，其中各樣品的具體組成如表1所不，樣品編號4-14為本實施例制備的合金 樣品，而編號1-3的合金樣品為對比例（其含有B元素組分）。對比樣品與本發明合金樣品 的制備方法相同，具體制備步驟如下：
[0046] 1)將純度大于99. 5 %的純Fe、純Si、純Cu和Fe-P合金按照合金成分 FeaSiACi^(原子百分比）配比；
[0047] 2)然后將配比好的原料裝入感應熔煉爐的陶瓷坩鍋內，首先抽真空至5XKT 3Pa，然后充入氬氣至氣壓為0. 09MPa進行熔煉，熔化后進行充分熔煉，之后保溫30min，然后 倒入銅模中，得到母合金錠；
[0048] 3)去除上述得到的母合金錠的表面雜質，然后在酒精中進行超聲波清洗，接下來 將母合金錠破碎成小合金錠，再次在酒精中進行超聲波清洗；
[0049] 4)將上述得到的小塊合金錠裝入開口的石英玻璃管后置于鑄造設備的感應線圈 中進行熔化，其中，上述石英玻璃管抽真空至5Xl(T 3Pa以下并充入氬氣保護，然后將熔融 的合金液通過單輥急冷法噴到表面線速度為40m/s的銅輥上，合金熔煉噴帶前溫度控制在 1300°C范圍，制備出寬1.5_1、厚25以111的連續非晶條帶 ；
[0050] 5)將非晶條帶置于石英管中，抽真空至3 X 1(T 3Pa，充入Ar氣至一個大氣壓，然后 封閉石英管，將石英管置于熱處理爐中，以3°C /s的升溫速率升0至380°C，保溫lOmin，然 后立刻將石英管取出并置于水中淬火至室溫。
[0051] 從本實施例11個樣品的分析結果可知：
[0052] 1)通過對11個樣品進行X射線衍射（XRD)譜分析可知，各合金的結構中均有晶 化相析出，一次晶化析出的納米晶為固溶有Si的體心立方Fe，S卩a-Fe(Si)，但由于樣品 較多，下面舉例進行說明，比如圖1是Fe 78Si7P13.5CUl. 5非晶前驅體（淬態樣品）和653K熱 處理lOmin后納米晶合金的X射線衍射（XRD)譜。從圖中可以看出，淬態樣品中有一個典 型彌散的衍射峰，表明其結構非晶結構；而經653K熱處理lOmin后的XRD圖譜有一個較為 尖銳的晶化峰，合金結構中有晶化相析出，一次晶化析出的納米晶為固溶有Si的體心立方 Fe，即 a -Fe(Si)。
[0053] 2)通過本實施例11個樣品的DSC曲線可知，各合金均具有200°C左右的熱實效溫 區，但由于樣品較多，下面舉例進行說明，比如圖2是10號樣品Fe 78Si7P13.5CUl. 5非晶前驅體 的DSC曲線，測量的升溫速度為40°C /min。從圖中可以得到居里溫度T。為607K，第一晶化 起始溫度Txl為707K，第二晶化起始溫度T x2為745K，根據DSC分析，可確定本實施例合適的 熱處理溫度范圍為607K-745K。需要說明的是，盡管其他實施例的條件有所不同，但是對晶 化溫度的影響不大，所以其他實施例中熱處理溫度的選擇也以此作為基本參考。本實施例 最后確定的熱處理溫度是在該溫區范圍多次實驗后最終確定的最佳溫度。
[0054] 3)通過本實施例11個樣品的磁滯回線可知，各合金的飽和磁感應強度（Bs)均不 小于1. 5T，矯頑力（H。）均不大于2. 3A/m。但由于樣品較多，下面舉例進行說明，比如653K 保溫lOmin熱處理后的納米晶合金條帶FereSi^P^Cuu的磁滯回線如圖3所示。磁滯回線 采用振動樣品磁強計（VSM)測量，用于測試合金的飽和磁化強度；用B-H回線測量儀測試合 金的矯頑力。該成分下合金的飽和磁感應強度（B s)為1.54T，矯頑力（H。）為L9A/m。
[0055] 4)通過本實施例11個樣品的TEM明場像和選區電子衍射圖可知，各合金的非晶結 構以非晶相和納米晶相共存，但由于樣品較多，下面舉例進行說明，比如圖4是Fe 74Si7P18CUl 非晶前驅體和在653K退火lOmin后納米晶合金的TEM明場像和選區電子衍射圖。從圖4a可 以看出非晶前驅體主要以非晶相為結構主體，圖4b可以看出經過退火處理后析出了 a -Fe 相，非晶結構以非晶相和納米晶相共存。
[0056] 本實施例中三個對比例是現有的商業化的三個納米晶牌號的典型成分，對比本實 施例中的發明樣品發現：三個對比例樣品成本較高，且軟磁性能沒有發明樣品優良，不能同 時兼具有高飽和磁感應強度和低矯頑力，同時本發明的樣品具有較低的高頻損耗，這是三 個對比例樣品所沒有的性能。
[0057] 實施例2
[0058] 在本發明的鐵基納米晶合金FeaSibPeCu xMy (其中y不等于0)成分范圍制備一組不 同的合金樣品，其中樣品的組成如表1樣品編號15-41所示，根據表1中所組成的合金，通 過與實施例1中相同的步驟，制備鐵基納米晶合金帶材，然后通過與實施例1中相同的測試 方法測試樣品15-41的各項性能，所測得的結果如表1所示。該實施例中的合金添加了 Μ 類金屬元素，由于樣品較多，下面舉例進行說明，如表1中樣品編號15(Fe85Si5P 6.5CUl.5Zr2)， 采用了高真空和氬氣保護進行制備，避免了 P元素的脆化、燒邊和偏析現象，制備得到的帶 材表面光亮，同時保證了材料體系優異的軟磁性能和高熱穩定性、高頻損耗低和低磁致伸 縮系數的特性。
[0059] 從本實施例的樣品分析結果可知：1)本實施例的所有樣品的非晶結構均以非晶 相和納米晶相共存；2)軟磁性能：飽和磁感應強度（Bs > 1. 5T)，同時得到了較低的矯頑力 (He彡2. 3A/m)，1kHz下有效磁導率超過16. 2K，低磁致伸縮系數（2X 10_6)以及高頻1kHz 下損耗小于10. 5W/kg ;3)大尺寸原子元素 Μ的添加，Μ元素能夠阻礙析出納米晶粒長大，從 而有利于保持該鐵基納米晶軟磁合金具有優異的軟磁性能。
[0060] 上述全部實施例中納米晶合金的飽和磁感應強度Bs采用振動樣品磁強計（VSM) 進行測量，以磁場為l〇〇〇〇A/m大小的磁感應強度作為合金的飽和磁感應強度B s。合金的矯 頑力H。和1kHz下的交流磁導率μ e分別采用B-H磁滯回線測試儀和Agilent4294A型阻抗 分析儀測得。
[0061] 本發明用X射線衍射儀（XRD)確定非晶合金帶材的非晶結構。完全非晶態的合金 的XRD圖具有寬化的彌散衍射峰，而明顯的晶體結構對應尖銳衍射峰。
[0062] 本發明用高溫差示掃描量熱儀（DSC)測試非晶合金的晶化行為，升溫速度為40K/ min，分析非晶合金的晶化曲線，計算熱處理溫區Λ T。
[0063] 本發明用光杠桿測量了納米晶薄帶樣品的磁致伸縮系數λ s，并將納米晶薄帶卷 繞成所需規格的鐵芯，用日本IWATSUSY-8216B-H分析儀測量鐵芯高頻損耗P 1(l/lk，所有測量 都是在常溫下進行。
[0064] 實施例3
[〇〇65] 在本發明的鐵基納米晶合金FeaSibPeCuxM y成分范圍制備一組不同的合金樣品，針 對同一產品在不同熱處理條件下得到的產品磁性能如表2所示，樣品編號42-44為根據本 發明所制備的一組實施例。其制備方法與實施例1相同，通過與實施例1中相同的測試方 法測試樣品42-44的各項性能，所測得的結果如表2所示。
[〇〇66] 從本實施例的樣品分析結果可知：針對同一產品在不同熱處理溫度下產品的軟磁 性能基本保持穩定，說明本發明產品具有200°C左右范圍的熱穩定溫區，熱穩定性高。
[0067] 實施例4
[0068] 在本發明的鐵基納米晶合金FeaSibPeCu xMy成分范圍制備一組不同的合金樣品，其 中各樣品的具體組成如表3所示，樣品編號45-54為本實施例制備的合金樣品，其中樣品編 號45-49為樣品成分范圍在兀素組分含量優選范圍內的產品，樣品編號50-54為樣品成分 范圍在元素組分含量不在優選范圍內的產品。其制備方法與實施例1相同，通過與實施例 1中相同的測試方法測試樣品45-54的各項性能，所測得的結果如表3所示。
[〇〇69] 從本實施例的樣品分析結果可知：由于本發明合金組分含量有優選數值范圍，對 比樣品編號45-49樣品成分范圍在元素組分含量優選范圍內的產品和樣品編號50-54樣品 成分范圍不在元素組分含量優選范圍內的產品性能指標，優選組分范圍內的產品性能好于 非優選組分含量的產品性能。
[0070] 表1實施例1-2中納米晶合金軟磁性能
[0071]
【權利要求】
1. 一種高頻性能優良的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述合金的表達式為 FeaSibPeCuxMy，所述表達式中a、b、c、X和y分別表示各對應組分的原子百分比含量，且滿足 以下條件：7〇彡a彡85,5彡b彡15,5彡c彡18,0· 0001彡X彡3,0彡y彡5, a+b+c+x+y =100%，所述 Μ 為 21*、11、了3、!^、恥、￥、1、]\1〇、]\111、0、1^、211、111、六8、513、81、〇3、鉬族元素、 稀土元素、隊5]1、66、63、41中的一種或多種。
2. 根據權利要求1所述的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述組分Fe的原子百分 比含量a的取值范圍為75彡a彡83,更優選為77彡a彡82。
3. 根據權利要求1所述的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述組分Si的原子百分 比含量b的取值范圍為5彡b彡10,更優選為6彡b彡8。
4. 根據權利要求1所述的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述組分P的原子百分比 含量c的取值范圍為10彡c彡15,更優選為12彡c彡14。
5. 根據權利要求1所述的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述組分Cu的原子百分 比含量X的取值范圍為〇. 1彡X彡3,更優選為0. 5彡X彡2。
6. 根據權利要求1所述的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述組分Μ的原子百分比 含量y的取值范圍為〇. 1彡y彡3,更優選為0. 5彡y彡2。
7. 根據權利要求1所述的鐵基納米晶軟磁合金，其特征在于，所述Fe被Co和/或Ni 部分替代，其中所述部分替代Fe的元素 Co和/或Ni在所述鐵基納米晶軟磁合金中的原子 百分比含量為45%以下。
8. -種權利要求1-7任一所述的鐵基納米晶軟磁合金的制備方法，包括 如下步驟： 步驟一，按權利要求1-7任一所述的合金表達式中各組分的原子百分比含量進行配 料； 步驟二，在抽真空后充入保護氣體的氣氛下采用感應熔煉爐或電弧熔煉爐將所述步驟 一配好的原料熔煉均勻，隨爐冷卻或注入模具冷卻成成分均勻的母合金錠； 步驟三，利用單輥熔體快淬法，在真空條件下和氬氣保護下將所述母合金錠制備成鐵 基納米晶軟磁合金。
9. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟二中，所述抽真空的真空 度為低于5X l(T3Pa，所述保護氣體的氣氛為氮氣或氬氣氣氛，所述熔煉時間為30-40min， 并在熔化后保溫5-30min以使合金原料熔煉均勻。
10. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟三中，所述真空條件下 的真空度為彡5X10_3Pa。
11. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟三中，采用所述單輥 熔體快淬法制備鐵基納米晶軟磁合金時，銅輥表面線速度為30-40m/s，合金熔煉噴帶前 溫度控制在1200-1400°C，制備出的鐵基納米晶軟磁合金帶材的厚度為18-35μπι，寬度為 L 5-10mm〇
12. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述方法還包括熱處理步驟，所述 熱處理步驟具體為：在抽真空后的惰性氣體氛圍中，將所述步驟三制備的鐵基納米晶軟磁 合金帶材以0. 5-4°C /s的升溫速率升溫至350-500°C，然后保溫l_30min，最后淬火冷卻至 室溫，得到鐵基納米晶軟磁合金帶材。優選地，所述熱處理步驟中，所述抽真空時的真空度 為低于3Xl(T3Pa。
13. 采用權利要求8-12任一所述的制備方法制成的鐵基納米晶軟磁合金在制造電子 設備中的鐵芯方面的應用。
14. 根據權利要求13所述的應用，其特征在于，所述電子設備是特種電機、電抗器、脈 沖變壓器、差模電感、互感器或磁放大器。
【文檔編號】C22C38/16GK104087833SQ201410273233
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】周少雄, 向睿, 董幫少, 張廣強, 李宗臻 申請人:安泰科技股份有限公司