本發明涉及非晶合金技術領域，尤其涉及一種鐵基非晶合金及其制備方法。
背景技術：
非晶合金是合金在超急冷凝固時合金原子來不及有序排列結晶而得到的長程無序結構的固態合金。非晶合金沒有晶態合金的晶粒、晶界存在。非晶合金具有優異的磁性、耐蝕性、耐磨性，較高的電阻率、機電耦合性以及較高的強度、硬度和韌性等，因而具有較廣闊的應用前景。
鐵基非晶合金為眾多非晶合金中的一種，具有高飽和磁感應強度，磁導率、激磁電流以及低鐵損特性。目前，鐵基非晶合金主要為fesib非晶合金。fesib非晶合金僅利用低成本的廢鋼、fe-b、fe-si等中間合金通過熔甩工藝制成，因而具有較低的制備成本。fesib非晶合金具有高電阻和極低鐵損，容易形成低剩磁狀態，因而廣泛應用于輸配電、電子信息、新能源汽車等行業，滿足我國節能減排的重大需求。但fesib非晶合金與硅鋼相比，fesib非晶合金的飽和磁感應強度(bs)較低，其應用受到局限。大量研究結果表明，增加鐵基非晶合金中鐵元素的含量能夠提高鐵基非晶合金的飽和磁感應強度。當增加鐵基非晶合金中鐵元素的含量時，維持非晶形成能力的類金屬的含量降低，從而造成非晶合金中α-fe析出，導致非晶形成能力的下降，最終使得鐵基非晶合金不易生產。
研究表明，適量添加磷元素能夠提高鐵基非晶合金的形成能力以及提高鐵含量，且不會造成鐵基非晶合金的飽和磁感應強度降低。如目前廣泛應用的fe78si9b13非晶合金的飽和磁感應強度為1.56t，添加磷元素后制備得到的fe84b8.5si4.5p3非晶合金的飽和磁感應強度增加到1.7t。另外，fe-b-p體系的非晶合金非晶形成能力要好于fe-b-si體系的非晶合金非晶形成能力。雖然，fe-b-p體系的非晶合金非晶形成能力好于fe-b-si體系，但fe-b-p體系的非晶合金在制備過程中，磷比硅和硼更容易燒毀，進而使得非晶合金制備原料中鐵含量增加，造成非晶合金中α-fe析出，導致非晶形成能力的下降，最終使得鐵基非晶合金不易生產。因此，fe-b-p體系的非晶合金很少能夠應用于工業領域。
技術實現要素：
本發明提供一種鐵基非晶合金及其制備方法，以解決現有fe-b-p體系的非晶合金在制備時非晶形成能力較低、飽和磁感應強度較低的問題。
本發明提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑。其中，鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。添加劑包括氧化硼(b2o3)和焊劑。
具體地，純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金為鐵基非晶合金的形成提供基本的元素成分。鐵基非晶合金在制備時，純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的稱取量根據鐵基非晶合金中各元素的原子百分含量確定。鐵磷中間合金和鐵硼中間合金可以采用工業級或分析級別的合金。由于實際購買的鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的純度不同，因而鐵磷中間合金和鐵硼中間合金中磷和硼的含量不同。因此，鐵基非晶合金在制備時，磷和硼的添加量的計算還需要考慮鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的純度。
在本發明提供的鐵基非晶合金中，焊劑采用埋弧焊用高錳高硅型堿性焊劑或氟堿型渣系燒結焊劑，如hj430、hj431、hj433、sj101等。高錳高硅型堿性焊劑或氟堿型渣系燒結焊劑中均含有氧化硅(sio2)和氧化錳(mno)兩種化學成分。在本發明提供的焊劑中，sio2的質量百分比為20-50％，mno的質量百分比為20-30％。焊劑中各組分的質量百分比之和為100％。
純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金所組成的鐵基金屬材料在熔煉時形成熔體。焊劑中的sio2能夠與熔體中的fe發生反應，進而便于向熔體中補充有益合金元素。sio2與熔體中fe的反應為sio2+2fe＝2feo+si。由于si元素的增加是通過低成本的sio2反應生成，因而大大降低鐵基非晶合金的生產成本，且制備的鐵基非晶合金仍然具有較好的軟磁性能和非晶形成能力。若焊劑中sio2的含量較高，且鐵基非晶合金制備過程中添加較多的焊劑，則大量的sio2與fe發生反應，導致鐵基非晶合金制備過程中的fe含量降低。若鐵基非晶合金制備過程中的fe含量降低，則鐵基非晶合金的飽和磁感應強度降低，不利于工業應用。因此，當焊劑中的sio2含量較高時，焊劑的添加質量需要較少，即焊劑的添加量與焊劑中sio2的含量成反比。
b2o3為低熔點氧化物，能夠覆蓋在熔體的表面，進而起到保護熔體的作用。由于b2o3對熔體的保護作用，熔體中的b、p元素不易被燒損，進而減少b、p元素的燒損量。由于b、p元素的燒損量減少，因此能夠維持熔體中各元素的含量保持平衡，進而提高非晶形成能力和軟磁性能。
進一步，本發明提供的鐵基非晶合金可表示為feabbpc，其中，fe為鐵，b為硼，p為磷。在feabbpc組成的鐵基非晶合金中，a、b、c分別為各組分的原子百分含量，即a為fe元素的原子百分含量，b為b元素的原子百分含量，c為p元素的原子百分含量。本發明提供的鐵基非晶合金中的主要元素為fe、b、p，當然還包括其他微量元素，如si等。為便于描述，在下述的描述中，feabbpc組成的鐵基非晶合金簡稱為feabbpc非晶合金。在feabbpc非晶合金中，a、b、c分別滿足a：75-86，b：4-20，c：4-15，且a、b和c的總和為100。當fe、b、p元素的原子百分含量分別滿足a：75-86，b：4-20，c：4-15時，本發明所制備的feabbpc非晶合金具有較高的飽和磁感應強度和較強的非晶形成能力。
具體地，fe為磁性元素。在feabbpc非晶合金中，為獲取較高的飽和磁感應強度，非晶合金中需要一定含量的fe。若非晶合金中fe的含量過多，則容易使得非晶合金中的類金屬含量降低，從而造成非晶合金中α-fe析出，導致非晶形成能力的下降。因此，feabbpc非晶合金中需要確保fe的含量。優選地，fe元素的原子百分含量a為75-86。較為優選地，fe元素的原子百分含量a為80-85。
b為類金屬中的一種，其中，類金屬又稱半金屬。b影響非晶合金的非晶形成能力，因而是制備非晶合金必不可少的元素。當feabbpc非晶合金中b元素的原子百分含量小于4時，非晶形成能力較低，不易形成非晶合金。當feabbpc非晶合金中b元素的原子百分含量過高時，也不易形成非晶合金。因此，在本發明中，b元素的原子百分含量b為4-20。較為優選地，b元素的原子百分含量b為8-15。
p具有較高的混合熱。p的添加有利于提高過冷液相的穩定性，起到非晶形成元素的作用。另外，p的最外層p軌道的軌道電子較多，當p含量增加時，會促使更多的3d軌道充滿，進而導致飽和磁感應強度降低。因此，feabbpc非晶合金中，p也需要保有一定的含量。在本發明中，p元素的原子百分含量c為4-15。較為優選地，p元素的原子百分含量c為4-8。
本發明還提供了鐵基非晶合金的制備方法，該制備方法包括：
將焊劑放置于200-250℃的溫度下烘干1h，同時將b2o3放置于100-150℃的溫度下烘干1h，以去除焊劑和氧化硼表面的水分。按照鐵基非晶合金中各原料的原子百分含量稱取鐵基金屬材料。其中，鐵基非晶合金為feabbpc非晶合金。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。feabbpc非晶合金中b、p含量的添加根據鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的純度確定。
按照鐵基金屬材料與添加劑的質量比為1：(3-6)稱取添加劑。其中，添加劑包括氧化硼和焊劑。添加劑在具體稱量時，氧化硼和焊劑的質量比為1:(1-2)。焊劑采用埋弧焊用高錳高硅型堿性焊劑或氟堿型渣系燒結焊劑，且高錳高硅型堿性焊劑或氟堿型渣系燒結焊劑中均包括sio2和mno。在本發明提供的焊劑中，sio2的質量百分比為20-50％，mno的質量百分比為20-30％。
將稱取好的鐵基金屬材料與添加劑混合后放入感應熔煉爐的玻璃管中進行熔煉，得到熔煉合金。
將熔煉合金敲碎，形成小塊錠料。
將小塊錠料放入底端帶有小孔的石英管中，其中，小孔的孔徑為1mm。將石英管放入高頻重熔甩帶設備中，在氬氣保護下進行甩帶，得到鐵基非晶合金的薄帶。在鐵基非晶合金的薄帶形成過程中，小塊錠料的噴射壓力為0.8mpa，直徑200mm的銅輪的轉速為1500-3000r/min。
本發明的實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：
本發明提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，所述鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金；所述添加劑包括氧化硼和焊劑。鐵硼中間合金中p元素的添加能夠提高鐵基非晶合金的形成能力。焊劑中的sio2能夠與熔體中的fe發生反應，進而便于向熔體中補充有益合金元素。b2o3為低熔點氧化物，能夠覆蓋在熔體的表面，進而起到保護熔體的作用。由于b2o3對熔體的保護作用，熔體中的b、p元素不易被燒損，進而減少b、p元素的燒損量。由于b、p元素的燒損量減少，因此能夠維持熔體中各元素的含量保持平衡，進而提高非晶形成能力和軟磁性能。因此，本發明所制備的鐵基非晶合金具有較高的飽和磁感應強度和較強的非晶形成能力，且飽和磁感應強度最高能夠達到1.7-1.75t，能夠廣泛應用于工業領域。
應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發明。
附圖說明
此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發明的原理。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的鐵基非晶合金的制備流程示意圖。
具體實施方式
這里將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式并不代表與本發明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
請參考附圖1，附圖1示出了本發明實施例提供的鐵基非晶合金的制備流程示意圖。下述具體實施例的描述均以附圖1為基礎。
實施例1
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe85b10p5非晶合金。fe85b10p5非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：3。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe85b10p5的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj430，其中，氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj430的質量比為1：1。高錳高硅型堿性焊劑hj430包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為20％，mno的質量百分比為30％，其他成分的質量百分比為50％。
本發明實施例還提供了fe85b10p5的制備方法，該制備方法包括：
s101：將高錳高硅型堿性焊劑放置于200-250℃的溫度下烘干1h，同時將b2o3放置于100-150℃的溫度下烘干1h，以去除焊劑和氧化硼表面的水分。按照鐵基非晶合金中各原料的原子百分含量稱取鐵基金屬材料。其中，鐵基非晶合金為fe85b10p5非晶合金。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。fe85b10p5非晶合金中b、p含量的添加根據鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的純度確定。
s102：按按照鐵基金屬材料與添加劑的質量比為1：(3-6)稱取添加劑。其中，添加劑包括氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑。
s103：將稱取好的鐵基金屬材料與添加劑混合后放入感應熔煉爐的玻璃管中進行熔煉，得到熔煉合金。
s104：將熔煉合金敲碎，形成小塊錠料。
s105：將小塊錠料放入底端帶有小孔的石英管中，其中，小孔的孔徑為1mm。將石英管放入高頻重熔甩帶設備中，在氬氣保護下進行甩帶，得到鐵基非晶合金的薄帶。在鐵基非晶合金的薄帶形成過程中，小塊錠料的噴射壓力為0.8mpa，直徑200mm的銅輪的轉速為1500-3000r/min。
經檢測，本發明實施例提供的fe85b10p5非晶合金的飽和磁感應強度為1.7t。
實施例2
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe86b9p5非晶合金。fe86b9p5非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：6。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe86b9p5的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj431，其中，氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj431的質量比為2：1。高錳高硅型堿性焊劑hj431包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為50％，mno的質量百分比為20％，其他成分的質量百分比為30％。
本發明實施例還提供了fe86b9p5的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe86b9p5非晶合金的飽和磁感應強度為1.75t。
實施例3
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe80b12p8非晶合金。fe80b12p8非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：4。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe80b12p8的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj433，其中，氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj433的質量比為2：1。高錳高硅型堿性焊劑hj433包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為40％，mno的質量百分比為25％，其他成分的質量百分比為35％。
本發明實施例還提供了fe80b12p8的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe80b12p8非晶合金的飽和磁感應強度為1.65t。
實施例4
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe83b11p6非晶合金。fe83b11p6非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：3。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe83b11p6的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101，其中，氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101的質量比為1：1。氟堿型渣系燒結焊劑sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為25％，mno的質量百分比為30％，其他成分的質量百分比為45％。
本發明實施例還提供了fe83b11p6的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe83b11p6非晶合金的飽和磁感應強度為1.68t。
實施例5
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe79b13p8非晶合金。fe79b13p8非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：5。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe79b13p8的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101，其中，氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101的質量比為1：1。氟堿型渣系燒結焊劑sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為45％，mno的質量百分比為20％，其他成分的質量百分比為35％。
本發明實施例還提供了fe79b13p8的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe79b13p8非晶合金的飽和磁感應強度為1.62t。
實施例6
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe75b20p5非晶合金。fe75b20p5非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：5。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe75b20p5的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101，其中，氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101的質量比為1：1。氟堿型渣系燒結焊劑sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為45％，mno的質量百分比為20％，其他成分的質量百分比為35％。
本發明實施例還提供了fe75b20p5的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe75b20p5非晶合金的飽和磁感應強度為1.52t。
實施例7
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe81b15p4非晶合金。fe81b15p4非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：3。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe81b15p4的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101，其中，氧化硼和氟堿型渣系燒結焊劑sj101的質量比為1：1。氟堿型渣系燒結焊劑sj101包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為25％，mno的質量百分比為30％，其他成分的質量百分比為45％。
本發明實施例還提供了fe81b15p4的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe81b15p4非晶合金的飽和磁感應強度為1.65t。
實施例8
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe81b4p15非晶合金。fe81b4p15非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：4。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe81b4p15的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj433，其中，氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj433的質量比為2：1。高錳高硅型堿性焊劑hj433包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為40％，mno的質量百分比為25％，其他成分的質量百分比為35％。
本發明實施例還提供了fe81b4p15的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe81b4p15非晶合金的飽和磁感應強度為1.69t。
實施例9
本發明實施例提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金為fe85b8p7非晶合金。fe85b8p7非晶合金的制備原料包括鐵基金屬材料和添加劑，其中，鐵基金屬材料和添加劑的質量比為1：6。鐵基金屬材料包括純度為99.99％的純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金。純鐵、鐵磷中間合金和鐵硼中間合金的添加含量根據fe85b8p7的原子百分含量確定。添加劑包括氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj431，其中，氧化硼和高錳高硅型堿性焊劑hj431的質量比為2：1。高錳高硅型堿性焊劑hj431包括sio2、mno以及其他成分，其中，sio2的質量百分比為50％，mno的質量百分比為20％，其他成分的質量百分比為30％。
本發明實施例還提供了fe85b8p7的制備方法，該制備方法的具體步驟同實施例1。經檢測，本發明實施例提供的fe85b8p7非晶合金的飽和磁感應強度為1.75t。
本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里發明的公開后，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理并包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正范圍和精神由下面的權利要求指出。
應當理解的是，諸如“第一”和“第二”等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。本發明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發明的范圍僅由所附的權利要求來限制。