低成本FeNbB三元非晶合金軟磁材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及非晶軟磁合金材料領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種低成本FeNbB^元非晶合金軟 磁材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬玻璃通常是將烙化的液態(tài)金屬冷卻到玻璃轉(zhuǎn)變溫度W下并且在形核與晶化 前凝固所形成的非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金具有獨特的長程無序結(jié)構(gòu)，且沒有位錯、晶界等晶 體缺陷，因而顯示出超越常規(guī)材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，譬如高強度、高硬度、優(yōu)異的耐 磨性、良好的磁學(xué)性能等。在眾多非晶合金體系中，鐵基非晶合金一直受到材料學(xué)家和物理 學(xué)家的廣泛關(guān)注。其原因在于鐵基非晶合金不僅具有高強度、高硬度的特點，而且還具有優(yōu) 異的磁學(xué)性能(如:高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率和低磁損），在國防尖端技術(shù)和民用高科技 領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。基于鐵基非晶合金良好的性能，其在磁盤存儲器件、變壓器和 電機鐵忍等工業(yè)領(lǐng)域獲得了規(guī)?；瘧?yīng)用，在科學(xué)研究及應(yīng)用方面也具有重要意義。因此對 鐵基非晶合金的研究成為材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。
[0003] 1967年美國加州理工學(xué)院的Dwez教授在化-P-C系中報道了首例鐵基非晶軟磁合 金。但是其臨界冷卻速率(Rc)必須要達到1〇6 K/s數(shù)量級才能形成非晶，較高的冷速使得非 晶合金只能W薄帶狀、絲狀或粉末狀形式存在。自鐵基非晶軟磁合金問世W來，獲得具有高 非晶形成能力、優(yōu)異軟磁性能和低成本的非晶合金一直是人們努力追求的主要目標(biāo)之一， 許多科學(xué)家在制備新型鐵基非晶軟磁合金的過程中付出了大量的努力。1969年，Pond和 Maddin用社漉法制備出具有一定長度的連續(xù)非晶條帶，運為大規(guī)模生產(chǎn)非晶合金創(chuàng)造了條 件。美國聯(lián)合化學(xué)公司的Gilman等開發(fā)出了平面流鑄帶技術(shù)，實現(xiàn)了非晶帶材的高速連續(xù) 生產(chǎn)，并推出了命名為Metglass的化基、Co基和Fe-化基系列非晶合金帶材，運一技術(shù)標(biāo)志 著非晶合金工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的開始。1988年日本日立金屬公司的化shizawa等在化- Si-B系合金中添加一定量的化和Nb元素制備出非晶合金，并通過晶化處理工藝開發(fā)出成本 低廉的Fe-Cu-Nb-Si-B納米晶軟磁合金Finemet，該合金兼具鐵基非晶合金的高磁感和鉆基 非晶合金的高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率和低鐵損的特點。20世紀90年代，Suzuki等在尸6- M-B (M=Z;r，Hf, Nb)系非晶帶材的基礎(chǔ)上，通過對其進行一定的退火工藝開發(fā)出了一系列 納米晶合金。1998年，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Willard等開發(fā)了一種可用于高溫的Fe-Co- Zr-B-化納米晶軟磁合金化化erm，典型成分為(Fe日.日Co日.日）ssZnlkCui。
[0004] 目前，鐵基非晶軟磁合金尤其是Fe師B系非晶的研究與開發(fā)已經(jīng)成為非晶合金研 究的重點所在。2006年，Stoica等采用銅模鑄造法首次在富B區(qū)成功制備得到Fe66Nb4B3〇塊體 非晶，其居里溫度點為646 K，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為845 K，過冷液相區(qū)寬度為31 Kd2005年，韓 國延世大學(xué)Song等采用甩帶法制備化77佩泌17非晶薄帶，該合金玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為797 K，過 冷液相區(qū)寬度為17 K，晶化起始溫度為814 K，飽和磁感應(yīng)強度為0.735 T，矯頑力為22 A/ m。通過合理的成分設(shè)計和常規(guī)的鑄造方法陸續(xù)開發(fā)了化-Nb-Zr-B、Fe-Ni-Nb-B、Fe-C〇-Nb- B等具有較強非晶形成能力的多組元合金，并且對其熱穩(wěn)定性、非晶形成能力和力學(xué)性能進 行了深入研究。鐵基非晶軟磁合金的制備條件極為苛刻，制備過程中除了使用高真空設(shè)備 及高純度惰性氣體保護等，還需要選用純度大于99.9%的高純原材料。高純原材料的使用無 形中增加了材料的制備成本，限制了鐵基非晶合金的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，成為制約鐵基非晶 合金由理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的瓶頸所在。因而，采用低純度原材料實現(xiàn)低成本制備具有 高非晶形成能力和優(yōu)良軟磁性能的鐵基非晶合金將具有廣泛的實際意義和用途。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種低成本Fe師ΒΞ元非晶合金軟磁材料的制備方法，解 決制約材料制備成本高昂的問題。
[0006] 為達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種低成本Fe師ΒΞ元非晶合金軟磁材料的制 備方法，該方法制得的Fe師B系非晶軟磁合金材料的化學(xué)式為FexNbyBz，式中的X，y，Z為原 子百分數(shù)，其中65 <x<82,3<y。2，15<z。0，且x+y+z=100;該方法包括W下步驟： 步驟一:按照質(zhì)量百分比FeAQNbsQ分別稱量純度為99.85%的化和純度為99.87%的Nb，將 所稱得的目標(biāo)成分原料置于非自耗真空電弧爐中，抽真空，反充高純氣氣保護氣體，調(diào)節(jié)電 流由600至1000 A，在電磁攬拌作用下將合金反復(fù)烙煉6~8次，W獲得混合均勻的化-60wt% Nb中間合金； 步驟二:將步驟一獲得的Fe-60wt%Nb中間合金去除表面氧化皮后破碎成小塊合金，置 于丙酬中超聲波清洗； 步驟Ξ:將步驟二得到的小塊Fe-60wt%Nb中間合金和純度為99.85%的FeW及Fe- l7.5wt%B中間合金按照原子百分比FexNbyBz進行稱量配料，將其裝入石英管中并用B2化玻 璃將原料包覆住，采用高頻感應(yīng)線圈并調(diào)節(jié)電流由25至40A，感應(yīng)加熱直至樣品烙化，反復(fù) 烙煉5~6次，W獲得成分均勻的化xNbyBz母合金錠； 步驟四：將步驟Ξ獲得的化xNbyBz母合金錠去除表面氧化皮后，置于丙酬中超聲波清 洗； 步驟五:將步驟四得到的化xNbyBz合金放置到下端開口且尺寸為5mm X 0.6mm矩形口的 石英管中，抽真空，向高真空單漉旋澤爐的爐腔體內(nèi)反充高純氣氣保護，采用高頻感應(yīng)線圈 加熱使其烙化，調(diào)節(jié)電流為25~35A范圍內(nèi)的固定值，然后用高純氣氣將烙融的合金液噴射 到高速旋轉(zhuǎn)的銅漉表面，借助離屯、力作用將合金液甩離漉面并迅速凝固，得到連續(xù)的非晶 薄帶。
[0007] 所述高真空單漉旋澤爐真空度大于3 Χ10-3 Pa，石英管噴嘴到銅漉之間的距離為 0.5~2.0 mm，銅漉的線速度為40 m/s，腔體氣壓0.05 MPa,噴射壓力差0.05~0.15 MPa。 [000引與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種FeNbB系非晶合金軟磁材料具有W下顯著優(yōu) 占. y ?、、· 1) 非晶形成能力強，能夠制得具有35 K~52 K的寬的過冷液相區(qū)，且具有高的玻璃化轉(zhuǎn) 變溫度和晶化溫度； 2) 軟磁性能良好，飽和磁感應(yīng)強度Ms=84~108 emu/g，矯頑力Hc=0.08~0.45 Oe，其優(yōu)異 性能意味著其是一種具有廣泛應(yīng)用前景的功能材料； 3) 所述的非晶合金軟磁材料制備方法簡單，所用原材料為工業(yè)純金屬和化B中間合金， 本發(fā)明所制備的FeNbB系非晶合金磁性材料的組成元素 Fe和Nb的原料純度為99.85%和 99.87%，F(xiàn)eB中間合金含17.5 wt%B，可W看出，本發(fā)明對原材料的純度要求大幅降低，極大 降低了材料制備與應(yīng)用成本，可實現(xiàn)鐵基非晶合金的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明實施例2制備的非晶合金的DSC曲線圖，升溫速率為40 K/min; 圖2是按照實施例1和3制備得到的鐵基非晶合金的室溫磁滯回線。
[0010] 圖3是按照實施例2和4制備得到的鐵基非晶合金的室溫磁滯回線。
【具體實施方式】
[0011] W下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0012]本發(fā)明所用原料： Fe的質(zhì)量分數(shù)不小于99.85%，化中其它元素含量為:*(5。<0.001%、*(]?11)<0.005%、訊 (〇<0.001%、*(5)<0.001%;師的質(zhì)量分數(shù)不小于99.87%，師中其它元素含量為:*(5。= 0.013%、w(C)=0.0034%、w(Ni)<0.0005%、w(Zr)<0.0005%;FeB中間合金B(yǎng)的質(zhì)量分數(shù)為 17.5%，其它元素含量為:"(51)=0.026%、"。)=0.035%、"(41)=0.095〇/〇。
[OOU] 實施例1:制備Fe6sNbi2B2日非晶合金軟磁材料 步驟一:首先將純度為99.85%的化和純度為99.87%的Nb按照質(zhì)量百分比FeAQNbsQ稱料 后放入非自耗真空電弧爐中，抽真空至3Χ10-3 Pa，反充高純氣氣保護氣體，調(diào)節(jié)電流由600 至1000 A(由小至大），在電磁攬拌下反復(fù)烙煉6~8次，獲得混合均勻的Fe-60wt%Nb中間合 金； 步驟二:將步驟一獲得的Fe-60wt%Nb中間合金去除表面氧化皮后破碎成小塊合金，置 于丙酬中超聲波清洗； 步驟Ξ:按原子百分比Fe68Nbi2B2〇精確稱量純度為99.85%的化，F(xiàn)eNb W及化B中間合金， 將稱得的目標(biāo)成分原料放入石英管中并用B2化玻璃將原料包覆住，采用高頻感應(yīng)線圈并調(diào) 節(jié)電流由25至40A，感應(yīng)加熱直至樣品烙化，反復(fù)烙煉5~6次，W獲得成分均勻的化68佩礎(chǔ)2〇 母合金錠； 步驟四：將步驟Ξ獲得的化68Nbl2B20母合金錠去除表面氧化皮后，置于丙酬中超聲波清 洗； 步驟五:將步驟四得到的化68師12B2日合金裝入到下端開口且尺寸為5mm X 0.6mm的石英 管中，抽真空至3Χ10-3化后，在真空甩帶室爐腔體內(nèi)反充高純氣氣保護，采用高頻感應(yīng)線圈 加熱使其烙化，調(diào)節(jié)電流為35Α，然后用高純氣氣將烙融的合金液噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅漉表 面，得到連續(xù)薄帶。本發(fā)明所采用的實驗參數(shù)為:高真空單漉旋澤爐真空度大于3Χ10-3 Pa， 銅漉的線速度為40 m/s，腔體氣壓0.05 MPa,噴射壓力差0.05~0.15 MPa; 制得的Fe68Nbi2B2〇非晶薄帶的厚度約為20μπι，寬度約為4 mm; 按上述工藝制得的FessNbuBw合金薄帶經(jīng)X射線衍射(X畑)驗證是具有完全的非晶態(tài)結(jié) 構(gòu)特征。用差示掃描量熱法獲得該樣品的熱學(xué)性能參數(shù)。可得所制備化68Nbl2B20非晶合金的 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=880 K和初始晶化溫度Τχ1=932 K，從而得出該合金的過冷液相區(qū)ΔΤχ= 52 Κ，說明該合金熱穩(wěn)定性高，且非晶形成能力較強。圖2為該非晶合金的磁滯回線， 化68Nbi2B2〇非晶合金的飽和磁感應(yīng)強度