CN102304669A - 高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于合金组成满足关系式：Fe_aB_bC_cM_dCu_e，式中M为选自Si、Al、Cr和Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相和纳米晶相组成。该合金的显著特征在于兼具高饱和磁感应强度，低矫顽力，低损耗等优异的软磁性能，并且不含贵金属元素及挥发性元素，降低了原材料的加工成本，便于推广应用。本发明还涉及上述合金的制备方法。

Description

高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金

技术领域

本发明涉及一种具有高饱和磁感应强度低成本的铁基纳米晶软磁合金。本发明还涉及该铁基纳米晶软磁合金的制备方法。

背景技术

磁性材料具有能量和信息转换、传递、存储或改变能量和信息状态的功能，是重要的功能材料，它们广泛应用于机械、电子、电力、通信和仪器仪表等领域。其中，矫顽力低、磁导率高的磁性材料称为软磁材料，它是电力、电机和电子等工业广泛使用的一类磁性材料。考虑到软磁材料制造的设备大多数是在交变磁场条件下工作，通常要求其体积小、功率大、灵敏度高、发热量少、稳定性好。为此，软磁材料本身应具备几个基本条件如高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率、低磁损耗、高稳定性及居里温度等。1885年，Ewing发表了关于纯铁磁性的研究结果，标志着软磁材料的产生。同年，Westinghouse发明了交流发电及电力传输方法。十九世纪末，Hadfield成功冶炼出Fe-Si合金，对电力工业的发展起到了关键性的促进作用。到目前为止，对于工程上广泛应用的软磁材料，因其使用功率、频率的不同要求和材料磁特性的不同而分为金属软磁材料(如工业纯铁、硅钢、坡莫合金)、软磁铁氧体、非晶及纳米晶软磁材料。

纳米晶软磁材料是一类新型软磁材料，它由非晶基体及分布在基体上具有纳米级尺寸的晶粒组成，可以由非晶合金部分晶化得到。其性能兼备了传统晶态软磁材料的高饱和磁感应强度和非晶态软磁材料的低矫顽力、高磁导率和低损耗等多项优点。纳米晶软磁材料可以满足各类电子设备向高效高节能、集成化方面发展的需求，而且制备简单，成本低廉，被称为“第三代软磁”材料。对纳米晶软磁材料研究始于1988年，经过二十多年的研究，目前纳米晶软磁合金主要有三个体系：Fe-Si-B-M-Cu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金、Fe-M-B-(Cu)系(M＝Zr、Hf、Nb等)NANOPERM合金以及(Fe，Co)-M-B-Cu系(M＝Zr、Hf、Nb等)HITPERM合金。

其中，FINEMET合金由于其高磁导率，低损耗等特点，自研发以来就开始投入到工业应用中。但其饱和磁感应强度较低，综合性能最好的Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金饱和磁感应强度仅为1.24T，因而限制了其应用范围。NANOPERM合金饱和磁感应强度较高，达到了1.6T，并且磁致伸缩系数极低，趋近于零，大大降低了其应力敏感性。与FINEMET合金相比，NANOPERM合金的损耗较大，但优于Fe-Ni系坡莫合金，可在高频下使用。NANOPERM合金最大缺点是加工性较差，由于Zr元素化学性质活泼，高温下在大气中极易氧化。因此，在制备非晶时，对真空度要求较高，需要氩气保护，因而，NANOPERM合金至今尚未得到真正的推广应用。HITPERM合金最初是在NANOPERM合金的基础上以Co部分替代Fe而得到的，其晶化相为体心立方结构的α-FeCo。由于α-FeCo的存在使之具有比前两种合金更优异的高温磁性能。HITPERM合金系具有高的饱和磁感应强度，高频特性也优于NANOPERM合金，但其矫顽力高达200A/m，损耗也较大。同时与NONAPERM合金一样由于含有Zr元素，加工性较差，因而至今也未得到推广应用。

上述纳米晶软磁合金三个体系的另一个共同缺点是合金系中均含有贵金属元素如Nb、Zr和Hf等而加工成本高。为此，科研人员在现有合金体系基础上，通过优化制备工艺，调整合金成分，研究开发新的合金体系来改善纳米晶的软磁性能，同时降低加工成本。

中国专利申请CN 101255506A公开了一种超高导磁纳米晶合金的制造方法及纳米晶合金。化学成分包括Fe、Cu、Nb、Si、B五种元素，具体原子％含量为：Fe＝72.5-74.5％；Cu＝0.5-1.5％；Nb＝2.5-3.5％；Si＝12.5-14.5％；B＝8-10％。其生产工艺为在加工过程中加入碳和硅钙粉进行脱氧处理，降低合金夹杂物、氧及氧化物的含量，从而有效地提高了纳米晶合金的磁导率。但合金的饱和磁感应强度不高，并且加工过程复杂，难以控制。

中国专利申请CN 101104907A公开了具有高居里温度的纳米晶软磁Fe₄₄Co_43-xZr₇B₅Al_1+x合金。通过添加Al元素取代Cu元素及部分取代Co元素，将合金的居里温度提高到了1000℃以上，并降低了矫顽力。但其中综合性能较好的Fe₄₄Co₄₁Zr₇B₅Al₃合金饱和磁感应强度仅为163emu/g，而Fe₄₄Co₃₇Zr₇B₅Al₇饱和磁感应强度较高，但矫顽力高达70A/m。

中国专利申请CN 101834046A公开了高饱和磁化强度铁基纳米晶软磁合金材料及其制备方法。合金的化学成分为Fe_xSi_yB_zP_aCu_b，具体原子％含量为：Fe＝70-90％；Si＝1-15％；B＝1-20％；P＝1-20％；Cu＝0.1-1％。该发明通过提高Fe元素的含量及P元素和Cu元素的混合添加，经过合适的晶化热处理，得到的纳米晶软磁合金饱和磁感强度高达1.90T，矫顽力低于9.4A/m，同时摒弃了Nb、Zr等贵金属元素因而降低了合金的成本。但该合金系含有少量挥发性元素P，合金成分难以精确控制，因而在一定程度上限制了其工业应用。

中国专利申请CN 101629265A公开了一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金。合金的化学成分用原子％表示为：Si＝6-9％；B＝4-7％；P＝3-6％；Cu＝0.5-1.5％；Nb＝0.05-0.15％；其余为Fe。通过降低贵金属元素Nb的用量，同时用廉价的P元素部分取代B来降低合金的成本，利用P和Cu的共同作用使非晶合金退火后得到具有优异软磁性能的纳米晶软磁合金。但该合金系也因含有挥发性元素磷而限制了其工业应用。

中国专利申请CN 101840763A公开了一种高饱和磁感应强度的铁基纳米晶软磁合金。化学成分为FeT_aB_bCu_cC_dM_e，具体原子％含量为：0.002≤a≤5；2≤b≤18；0.02≤c≤5；0.002≤d≤3；0.02≤e≤20；其余为Fe及不可避免的杂质。该发明的软磁合金非晶形成能力强，饱和磁感应强度高于1.5T，并且软磁性能优异。但该合金系含有少量贵金属元素Zr、Ta、Hf、Nb、W、Cr等中的一种或多种，或含有挥发性元素P，因而也未得到推广应用。

随着现代通讯、电子电力工业的迅速发展，高电压输电线路日趋增多，对高频电感、高频开关电源、高频变压器等磁性器械的需求量也日益剧增。并且，随着对这些磁性器械准确度、保安系数及生产成本等要求的提高，传统的晶态软磁材料如铁氧体、硅钢、坡莫合金等已经无法满足要求。

纳米晶软磁材料的开发和应用，很大程度促进了电子电力工业的发展，然而从目前纳米晶软磁材料的发展来看，总体上存在一些缺陷如饱和磁感应强度不是很高，特别是无法同时实现高饱和磁感应强度、低矫顽力和低损耗；此外，合金系中均含有Nb、Zr、Hf、Co等贵金属元素的一种或几种，或含有挥发性元素P，合金的加工成本较高或合金成分难以控制，因而限制了其工业应用。

因此，开发一种兼具高饱和磁感应强度、低矫顽力和低损耗等软磁特性，同时又不含贵金属元素及挥发性元素，价格低廉便于推广应用的软磁材料至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状，提供一种铁基纳米晶软磁合金，该合金至少能够满足下述要求中的一种，并优选满足了下述要求中的多种甚至全部要求。所述要求为高饱和磁感应强度，低矫顽力，低损耗，不含贵金属元素及挥发性元素，并且价格低廉。

本发明所要解决的又一个技术问题是提供该铁基纳米晶软磁合金的制备方法。

在本发明的一个实施方案中，提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于合金组成满足关系式：Fe_aB_bC_cM_dCu_e，式中M为选自Si、A1、Cr和Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相和纳米晶相组成。

在本发明另一个实施方案中，本发明提供了一种高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)将合金组分中的Fe、B、C、M和Cu元素按合金组成关系式Fe_aB_bC_cM_dCu_e进行配料，式中M为Si、Al、Cr、Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100；(2)将所述合金原料置于熔炼装置内熔炼，由此得到合金锭；

(3)将得到的合金锭进行破碎；

(4)将破碎后的合金锭装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷法制备连续的非晶合金；

(5)将所述非晶合金装入热处理炉中进行热处理，而后淬火冷却至室温，得到所述铁基纳米晶软磁合金，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相以及纳米晶相组成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：具有本发明合金组成的铁基纳米晶软磁合金同时具备高饱和磁感应强度，低矫顽力，低损耗等优异的软磁性能，并且不含贵金属元素及挥发性元素，降低了原材料的加工成本，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1中Fe₈₃B₁₀C₆Cu₁非晶及纳米晶合金的X射线衍射花样。

图2为本发明实施例1中Fe₈₃B₁₀C₆Cu₁非晶合金的DSC曲线。

图3为本发明实施例1中Fe₈₃B₁₀C₆Cu₁纳米晶合金的磁滞回线及矫顽力。

图4为本发明实施例2中Fe_82.7B₁₀C₆Cu_1.3非晶及纳米晶合金的X射线衍射花样。

图5为本发明实施例2中纳米晶合金的TEM明场像及选区电子衍射花样。

图6为本发明实施例3中Fe₈₃B₁₀C₄Si₂Cu₁非晶及纳米晶合金的X射线衍射花样。

图7为本发明实施例3中Fe₈₃B₁₀C₄Si₂Cu₁非晶合金的DSC曲线。

图8为本发明实施例3中Fe₈₃B₁₀C₄Si₂Cu₁纳米晶合金的磁滞回线及矫顽力。

图9为本发明实施例3中Fe₈₃B₁₀C₄Si₂Cu₁纳米晶合金损耗随磁感应强度变化曲线。

具体实施方式

本发明提供了如下的具体实施方案以及他们之间的所有可能的组合。出于简洁的目的，本申请没有逐一记载实施方案的各种具体组合方式，但应当认为本申请具体记载并公开了所述技术方案的所有可能的组合方式。

在本发明的一个实施方案中，提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于合金组成满足关系式：Fe_aB_bC_cM_dCu_e，式中M为选自Si、Al、Cr和Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相和纳米晶相组成。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于M为Si和选自Al、Cr和Mn中的一种或者多种，优选的M为Si。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中Fe的原子百分比优选为80≤a≤87，更优选为82≤a≤86。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中B的原子百分比优选为6≤b≤12，更优选为7≤b≤10。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中C的原子百分比优选为2≤c≤8，更优选为3≤c≤6。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中M的原子百分比优选为d≤5，更优选为d≤3。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中Cu的原子百分比优选为0.3≤e≤1.3，更优选为0.5≤e≤1.3。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中所述纳米晶相的晶粒尺寸介于5-30nm。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中该合金的饱和磁感应强度为1.7-1.9T，优选为1.73-1.83T；矫顽力为4-17A/m，优选为4.5-16.5A/m。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种铁基纳米晶软磁合金，其中该合金在1.0T，50Hz、400Hz和1kHz条件下的损耗分别为0.27-0.51W/kg、3.6-6.9W/kg和11.3-20.3W/kg。

在本发明另一个实施方案中，本发明提供了一种高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)将合金组分中的Fe、B、C、M和Cu元素按合金组成关系式Fe_aB_bC_cM_dCu_e进行配料，式中M为Si、Al、Cr、Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100；

(2)将所述合金原料置于熔炼装置内熔炼，由此得到合金锭；

(3)将得到的合金锭进行破碎；

(4)将破碎后的合金锭装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷法制备连续的非晶合金；

(5)将所述非晶合金装入热处理炉中进行热处理，而后淬火冷却至室温，得到所述铁基纳米晶软磁合金，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相以及纳米晶相组成。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中在步骤(1)中，各原料的纯度均大于99％，C以铁碳合金的形式加入，该铁碳合金中C的质量百分含量为4.0-4.6％。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中在步骤(2)中，熔炼是在惰性气体保护气氛下进行的电弧熔炼或感应熔炼。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中在采用电弧熔炼时，将所述合金原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至低于1.0×10^-2Pa，然后充入惰性气体至气压为200-800mbar，优选500-700mbar，熔化后保温1-2分钟，然后随炉冷却至凝固。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中重复电弧熔炼步骤3-5次，得到成分均匀的合金锭。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中在采用感应熔炼时，将所述合金原料放入坩埚内，置于感应熔炼炉的感应线圈中，抽真空至低于1.0×10^-2Pa，然后充入惰性气体至气压为-0.05--0.01MPa(相对压力)，熔化后保温20-40分钟，然后将熔融合金倒入冷却模内冷却5-10分钟。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中使用真空快淬设备在惰性气体保护氛围下进行步骤(4)。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其特征在于步骤(4)所述非晶合金为条带状，优选的条带宽度为1-5mm，厚度为20-25μm，密度为7.4-7.7kg/m³。

在本发明一个优选实施方案中，本发明提供了一种制备方法，其中在步骤(5)中，在惰性气体保护氛围下，以0.3-3℃/s的升温速率将温度升至410-470℃，优选430-450℃，保温2-4分钟，然后淬火冷却至室温。

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

制备Fe₈₃B₁₀C₆Cu₁纳米晶合金条带。

具体制备方法如下：

步骤1：将纯度大于99％的原料Fe、B、C和Cu按本发明的铁基纳米晶合金组成关系式Fe₈₃B₁₀C₆Cu₁进行配料，其中C以铁碳合金的形式加入，该铁碳合金中C的质量百分含量为4.26％。；

步骤2：将配比好的原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至5.0×10^-3Pa，然后充入氩气至气压为600mbar进行熔炼，熔化后再持续熔炼2分钟，然后让合金随铜坩埚冷却至凝固后，迅速将其翻转，反复熔炼5次，得到成分均匀的合金锭；

步骤3：将步骤2得到的合金锭破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在氩气氛围中以40m/s的速度甩带，制得宽约1mm、厚约21μm的非晶合金条带；

步骤4：将步骤3得到的非晶合金条带置于石英管中，抽真空至5×10^-3Pa，充入氩气至一个大气压，然后封闭石英管；将石英管置于热处理炉中，以大约2℃/s的升温速率升至430℃的，保温3分钟，然后迅速将石英管取出并置于水中淬火至室温。

图1所示为步骤3所制备的合金条带及经过步骤4热处理后合金条带的XRD图谱。XRD采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪测量，图中显示步骤3所制备的合金条带具有一个宽化的弥散衍射峰，说明该合金条带为非晶态结构。晶化热处理后的合金条带出现了晶化峰，经分析该晶化相为体心立方结构Fe，即α-Fe，通过Scherrer公式估算其晶粒尺寸在15nm左右。可以看出，晶化热处理后的合金条带结构由非晶相及分布在非晶基体中的纳米晶粒组成。

图2所示为步骤3所制备的合金条带的DSC曲线。其中，DSC曲线采用NETZSCH DSC 404C差示扫描量热仪测量，测量的升温速率为0.67℃/s。可以看出，非晶合金条带的第一起始晶化温度T_x1为405℃，第二起始晶化温度T_x2为501℃。

图3所示为经过步骤4热处理后合金条带的磁滞回线及矫顽力，其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(VSM，Lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度，图中的插图为矫顽力曲线，采用直流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer，EXPH-100)测量，可以看出，合金的饱和磁感应强度为1.78T，矫顽力为5.1A/m。

实施例2

制备Fe_82.7B₁₀C₆Cu_1.3纳米晶合金条带。

具体制备方法如下：

步骤1：将纯度大于99％的原料Fe、B、C和Cu按本发明的铁基纳米晶合金组成关系式Fe_82.7B₁₀C₆Cu_1.3进行配料，其中C以铁碳合金的形式加入，该铁碳合金中C的质量百分含量为4.26％；

步骤2：将配比好的原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至5.0×10^-3Pa，然后充入氩气至气压为600mbar进行熔炼，熔化后再持续熔炼2分钟，然后让合金随铜坩埚冷却至凝固后，迅速将其翻转，反复熔炼5次，得到成分均匀的合金锭；

步骤3：将步骤2得到的合金锭破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在氩气氛围中以40m/s的速度甩带，制得宽约1.2mm、厚约21μm的非晶合金条带；

步骤4：将步骤3得到的非晶合金条带置于石英管中，抽真空至5×10^-3Pa，充入氩气至一个大气压，然后封闭石英管；将石英管置于热处理炉中，以大约2℃/s的升温速率升至430℃的，保温3分钟，然后迅速将石英管取出并置于水中淬火至室温。

图4所示为步骤3所制备的合金条带及经过步骤4热处理后合金条带的XRD图谱。XRD采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪测量，图中显示步骤3所制备的合金条带具有一个宽化的弥散衍射峰，说明该合金条带为非晶态结构。晶化热处理后的合金条带出现了晶化峰，经分析该晶化相为体心立方结构Fe，即α-Fe，通过Scherrer公式估算其晶粒尺寸在25nm左右。可以看出，晶化热处理后的合金条带结构由非晶相及分布在非晶基体上的纳米晶粒组成。

图5所示为430℃保温3分钟后的合金条带TEM明场像及选区电子衍射花样。其中，采用Tecnai F20型透射电子显微镜对样品的微观结构进行测量。可以看出，晶化热处理后合金的结构由非晶基体及分布在基体上具有纳米级尺寸的晶粒组成，该晶粒的尺寸在20-25nm左右，与X射线衍射分析结果吻合。

实施例3

制备Fe₈₃B₁₀C₄Si₂Cu₁纳米晶合金条带。

具体制备方法如下：

步骤1：将纯度大于99％的原料Fe、B、C和Cu按本发明的铁基纳米晶合金组成关系式Fe₈₃B₁₀C₄Si₂Cu₁进行配料，其中C以铁碳合金的形式加入，该铁碳合金中C的质量百分含量为4.26％；

步骤2：将配比好的原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至5.0×10^-3Pa，然后充入氩气至气压为600mbar进行熔炼，熔化后再持续熔炼2分钟，然后让合金随铜坩埚冷却至凝固后，迅速将其翻转，反复熔炼4次，得到成分均匀的合金锭；

步骤3：将步骤2得到的合金锭破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在氩气氛围中以40m/s的速度甩带，制得宽约1.2mm、厚约20μm的非晶合金条带；

步骤4：将步骤3得到的非晶合金条带置于石英管中，抽真空至5×10^-3Pa，充入氩气至一个大气压，然后封闭石英管；将石英管置于热处理炉中，以大约2℃/s的升温速率升至430℃的，保温3分钟，然后迅速将石英管取出并置于水中淬火至室温。

图6所示为步骤3所制备的合金条带及经过步骤4热处理后合金条带的XRD图谱。XRD采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪测量，图中显示步骤3所制备的合金条带具有一个宽化的弥散衍射峰，说明该合金条带为非晶态结构。晶化热处理后的合金条带出现了晶化峰，经分析该晶化相为固熔有Si的体心立方结构Fe，即α-Fe(Si)，通过Scherrer公式估算其晶粒尺寸在12nm左右。可以看出，经晶化热处理后的合金条带结构由非晶相及分布在非晶基体上的纳米晶粒组成。

图7所示为步骤3所制备的合金条带的DSC曲线。其中，DSC曲线采用NETZSCH DSC 404C差示扫描量热仪测量，测量的升温速率为0.67℃/s。可以看出，非晶合金条带的第一起始晶化温度T_x1为409℃，第二起始晶化温度T_x2为535℃。合金两起始晶化温度的差值较不添加Si的合金有所增加，由此可见Si元素的添加拓宽了晶化温区，这有利于对其进行晶化热处理析出单相的α-Fe(Si)。

图8所示为经过步骤4热处理后合金条带的磁滞回线及矫顽力，其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(VSM，Lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度，图中的插图为矫顽力曲线，采用直流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer，EXPH-100)测量，可以看出，合金的饱和磁感应强度为1.78T，矫顽力为4.5A/m。

图9所示为经过步骤4热处理后合金损耗随磁感应强度变化曲线。损耗采用交流磁化特性分析仪(B-H Curve Tracer，AC BH-100k)测量，用于测试合金在不同磁感应强度及不同频率下的损耗，可以看出，合金在工频下的损耗低于硅钢，在磁感1.0T，频率50Hz下的损耗为0.27W/kg。

实施例1至实施例3及本发明涉及的部分纳米晶软磁合金的各项性能如下表所示，同时我们也选取了4组现有的软磁合金作为对比例。其中，序号3、5、7分别对应本发明实施例1、2、3，序号1、2、4、6、8、9、10对应的纳米晶合金均采用本发明专利技术方案中所述的制备工艺制备，其中序号1、2、4、6、8的热处理温度为430℃，保温时间为3分钟，序号9和10的热处理温度为450℃，保温时间为2分钟。序号11-14为选取的现有技术中性能较好的软磁合金对比例。由表中可以看出，本发明的Fe_aB_bC_cSi_dCu_e纳米晶软磁合金，饱和磁感应强度较高(B_s＝1.73-1.83T)，明显高于对比例11(非专利文献：J.Appl.Phys.64(1988)，6044.)中的FINEMET系合金，矫顽力较低(Hc＝4.5-16.5A/m)，损耗也较低(P10/50＝0.27-0.51W/kg)，优于对比例12和13(非专利文献：IEEE Proc.Pt.C：Gen.Trans.Distrib.133(1986)，451.以及J.Mater.Eng.11(1989)，109)中的硅钢。并且与FINEMET合金比，本发明的合金不含贵金属元素Nb，并且所采用的原材料均容易获得，因而价格低廉，与对比例14(非专利文献：IEEE Trans.Magn.45(2009)，4302)中给出的Fe83.3Si4B8P4Cu0.7纳米晶合金比，本发明的合金不含挥发性元素P，因而合金成分可以精确控制。

其中，P_10/50、P_10/400和P_10/1k分别代表磁感1.0T，频率50Hz、400Hz和1kHz下的损耗。

Claims (20)

1.一种铁基纳米晶软磁合金，其特征在于合金组成满足关系式：Fe_aB_bC_cM_dCu_e，式中M为选自Si、Al、Cr和Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相和纳米晶相组成。

2.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其特征在于M为Si和选自Al、Cr和Mn中的一种或者多种，优选的M为Si。

3.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中Fe的原子百分比优选为80≤a≤87，更优选为82≤a≤86。

4.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中B的原子百分比优选为6≤b≤12，更优选为7≤b≤10。

5.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中C的原子百分比优选为2≤c≤8，更优选为3≤c≤6。

6.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中M的原子百分比优选为d≤5，更优选为d≤3。

7.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中Cu的原子百分比优选为0.3≤e≤1.3，更优选为0.5≤e≤1.3。

8.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中所述纳米晶相为体心立方结构的α-Fe(Si)纳米晶相。

9.根据权利要求1所述的铁基纳米晶软磁合金，其中所述纳米晶相的晶粒尺寸介于5-30nm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的铁基纳米晶软磁合金，其中该合金的饱和磁感应强度为1.7-1.9T，优选为1.73-1.83T；矫顽力为4-17A/m，优选为4.5-16.5A/m。

11.根据权利要求1-10任一项所述的铁基纳米晶软磁合金，其中该合金在1.0T，50Hz、400Hz和1kHz条件下的损耗分别为0.27-0.51W/kg、3.6-6.9W/kg和11.3-20.3W/kg。

12.一种高饱和磁感应强度低成本铁基纳米晶软磁合金的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)将合金组分中的Fe、B、C、M和Cu元素按合金组成关系式Fe_aB_bC_cM_dCu_e进行配料，式中M为Si、Al、Cr、Mn中的一种或多种，下标a、b、c、d、e分别表示各对应合金元素的原子百分比，并且满足以下条件：78≤a≤88；4≤b≤16；3≤c≤10；0≤d≤8；0.3≤e≤1.5；a+b+c+d+e＝100；

(2)将所述合金原料置于熔炼装置内熔炼，由此得到合金锭；

(3)将得到的合金锭进行破碎；

(4)将破碎后的合金锭装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷法制备连续的非晶合金；

(5)将所述非晶合金装入热处理炉中进行热处理，而后淬火冷却至室温，得到所述铁基纳米晶软磁合金，所述铁基纳米晶合金由非晶基体相以及纳米晶相组成。

13.根据权利要求12的制备方法，其中在步骤(1)中，各原料的纯度均大于99％，C以铁碳合金的形式加入，该铁碳合金中C的质量百分含量为4.0-4.6％。

14.根据权利要求12的制备方法，其中在步骤(2)中，熔炼是在惰性气体保护气氛下进行的电弧熔炼或感应熔炼。

15.根据权利要求12的制备方法，其中在采用电弧熔炼时，将所述合金原料放入电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，抽真空至低于1.0×10^-2Pa，然后充入惰性气体至气压为200-800mbar，优选500-700mbar，熔化后保温1-2分钟，然后随炉冷却至凝固。

16.根据权利要求15的制备方法，其中重复电弧熔炼步骤3-5次，得到成分均匀的合金锭。

17.根据权利要求12的制备方法，其中在采用感应熔炼时，将所述合金原料放入坩埚内，置于感应熔炼炉的感应线圈中，抽真空至低于1.0×10^-2Pa，然后充入惰性气体至气压为-0.05--0.01MPa(相对压力)，熔化后保温20-40分钟，然后将熔融合金倒入冷却模内冷却5-10分钟。

18.根据权利要求12的制备方法，其中使用真空快淬设备在惰性气体保护氛围下进行步骤(4)。

19.根据权利要求12的制备，其特征在于步骤(4)所述非晶合金为条带状，优选的条带宽度为1-5mm，厚度为20-25μm，密度为7.4-7.7kg/m³。

20.根据权利要求12的制备方法，其中在步骤(5)中，在惰性气体保护氛围下，以0.3-3℃/s的升温速率将温度升至410-470℃，优选430-450℃，保温2-4分钟，然后淬火冷却至室温。

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