本發(fā)明涉及一種鐵基納米晶軟磁合金材料，本發(fā)明還涉及該納米晶軟磁合金材料的制備方法。

背景技術：

軟磁材料是人類開發(fā)最早的一類磁性功能材料，具備較高的磁導率、飽和磁化強度以及電阻率等特性。納米晶軟磁材料是一類新型軟磁材料，它由非晶基體及分布在基體上具有納米級尺寸的晶粒組成，可以由非晶合金部分晶化得到。納米晶軟磁材料具有低矯頑力、高磁導率和低損耗等多項優(yōu)點，可以滿足各類電子設備向高效節(jié)能、集成化方面發(fā)展的需求，而且制備容易，成本低廉，被稱為“第三代軟磁”材料。

對納米晶軟磁合金的研究始于1988年，經(jīng)過三十多年的研究，目前納米晶軟磁合金主要有三個體系：FeSiBMCu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金、FeMB(M＝Zr、Hf、Nb等)系NANOPERM合金以及(Fe,Co)MBCu(M＝Zr、Hf、Nb等)系HITPERM合金。

FINEMET合金具有低損耗，高磁導率和飽和磁致伸縮系數(shù)趨近于零的特點，和坡莫合金、Co基非晶合金材料不相上下。FINEMET合金雖已獲得廣泛應用，但其飽和磁化強度相對較低，一定程度上限制了其應用范圍。NANOPERM合金飽和磁化強度較高，而綜合性能不及FINEMET合金。FINEMET和NANOPERM合金由于受到其非晶相和納米晶相居里溫度的限制，只能被應用在200℃以下，高溫環(huán)境下將失去磁性。HITPERM合金，具有較高的飽和磁感應強度和居里溫度，其高頻特性也優(yōu)于NANOPERM合金，但矯頑力高達70A/m，損耗也較高，因而限制了其在高溫領域的應用。

中國專利CN102254665A公開了一種鐵鈷基納米晶合金及其制備方法。合金的化學成分為FeCoMBCu，M為Nb，Zr，Hf，Mo，W，Ta中的一種或幾種，具體原子百分含量為Fe＝40‐42.8％，Co＝40‐42.8％，M＝5‐8％，B＝5‐12％，Cu＝0.1‐1.5％。該合金兼具高的飽和磁感應強度與高的居里溫度。然而，該合金中Co的元素百分比含量仍舊較高，為40％～42.8％，高的Co含量使得該合金成本較為昂貴。

航空、航天和國防科技的迅速發(fā)展對磁性材料提出了更高的要求。例如電動航天飛機的集成電力器件的轉子材料要求具有優(yōu)異的高溫軟磁性能和熱穩(wěn)定性，工作溫度在500～600℃之間。核電站反映堆內部的發(fā)動機和發(fā)電機組中的磁性材料要求可在高溫條件下長時間服役。因此研究兼具高飽和磁化強度、低損耗和高居里溫度，可以在高溫環(huán)境下使用，同時原材料成本低廉的納米晶軟磁材料至關重要。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明針對上述技術現(xiàn)狀提供了一種鐵基納米晶軟磁合金材料，該材料具有高飽和磁感應強度、高居里溫度以及低的高頻損耗等優(yōu)異軟磁性能，同時與現(xiàn)有納米晶合金相比，降低了原材料成本。

技術方案：本發(fā)明的一種鐵基納米晶軟磁合金材料的合金組成滿足分子式：Fe_aCo_bNi_cZr_dB_eCu_f，式中下標a、b、c、d、e、f分別表示對應合金元素的原子百分比，并且滿足以下條件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100。

其中：

Fe的原子百分比優(yōu)選為52.8≤a≤79.2。

Co的原子百分比優(yōu)選為8.8≤b≤35.2。

Ni的原子百分比優(yōu)選為8.8≤c≤26.4。

所述的納米晶，其結構包括非晶基體和納米晶相，其中納米晶相為體心立方結構的α‐(Fe,Co,Ni)，其平均晶粒尺寸約10nm。

該合金材料的飽和磁感應強度為1.54‐1.79T，矯頑力為7‐28A/m。

其中該合金材料在1.0T，50Hz、10kHz條件下的損耗分別為0.68‐1.78W/kg和465‐875W/kg。

其中該合金在0.2T，20kHz、100kHz條件下的損耗分別為70‐152W/kg和433‐1204W/kg。

本發(fā)明的鐵基納米晶軟磁合金材料的制備方法包括以下步驟：

步驟1：將合金組分中的Fe、Co、Ni、Zr、B和Cu按照合金組成分子Fe_aCo_bNi_cZr_dB_eCu_f進行配料，式中下標a、b、c、d、e、f分別表示對應合金元素的原子百分比，并且滿足以下條件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，a+b+c+d+e+f＝100，其中各原料純度均大于99％；

步驟2：將步驟1配制的原料裝入熔煉爐中，在惰性氣氛保護下進行熔煉，冷卻后得到成分均勻的母合金鑄錠；

步驟3：將上述母合金鑄錠破碎為小塊樣品，將破碎后的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，通過單輥急冷法制備連續(xù)的非晶合金；非晶合金為條帶狀，并且寬度為1‐2mm，厚度為20‐25μm；

步驟4：將所述非晶合金裝入熱處理爐中，抽真空至低于1×10^‐2Pa，進行晶化熱處理，而后淬火冷卻至室溫，得到納米晶軟磁合金材料；退火溫度為530‐570℃，退火保溫時間為45‐75分鐘。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明提供的鐵基納米晶軟磁合金中，以少量Co和Ni同時添加部分取代Fe，減少了HITPERM合金中貴金屬元素的含量，極大降低了原材料成本；

(2)具有本發(fā)明合金組成的鐵基納米晶軟磁合金不僅具備高的飽和磁感應強度、高的居里溫度，還具有較低的矯頑力和高頻損耗，其中飽和磁感應強度高達1.79T，居里溫度在900℃以上，矯頑力低于28A/m，優(yōu)選為7‐20A/m。相對于HITPERM合金而言，具有本發(fā)明合金組成的鐵基納米晶軟磁合金在1.0T，10kHz的鐵損降低了40％以上；

(3)本發(fā)明提供的制備該納米晶軟磁合金材料的方法簡單易操作，制得的合金材料結構中包括非晶基體和納米晶相，其中納米晶相為體心立方結構的α‐(Fe,Co,Ni)，納米晶晶粒尺寸平均值小于20nm，優(yōu)選為10nm。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中(Fe_0.7Co_0.2Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁非晶合金及納米晶合金的X射線衍射圖譜；

圖2為本發(fā)明實施例1中(Fe_0.7Co_0.2Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁非晶合金的DSC曲線；

圖3為本發(fā)明實施例1中(Fe_0.7Co_0.2Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁納米晶合金的磁滯回線；

圖4為本發(fā)明實施例1中(Fe_0.7Co_0.2Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁納米晶合金損耗隨磁感應強度變化曲線；

圖5為本發(fā)明實施例2中(Fe_0.8Co_0.1Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁納米晶合金損耗隨磁感應強度變化曲線。

具體實施方式

本發(fā)明提供的鐵基納米晶軟磁合金材料的分子式為：Fe_aCo_bNi_cZr_dB_eCu_f，式中下標a、b、c、d、e、f分別表示各對應元素的原子百分含量，44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100。

作為優(yōu)選，所述Fe的原子百分比優(yōu)選為52.8≤a≤79.2。

作為優(yōu)選，所述Co的原子百分比優(yōu)選為8.8≤b≤35.2。

作為優(yōu)選，所述Ni的原子百分比優(yōu)選為8.8≤c≤26.4。

本發(fā)明還提供了一種制備上述鐵基納米晶軟磁合金材料的方法，包括如下步驟：

步驟1：將合金組分中的Fe、Co、Ni、Zr、B和Cu按照合金組成分子Fe_aCo_bNi_cZr_dB_eCu_f進行配料，下標a、b、c、d、e、f分別表示對應合金元素的原子百分比，滿足以下條件：44≤a≤88，0≤b≤44，0≤c≤44，5≤d≤10，1≤e≤5，0.5≤f≤1.5，并且a+b+c+d+e+f＝100；

步驟2：將步驟1配制的原料裝入熔煉爐中，在惰性氣氛保護下進行熔煉，冷卻后得到成分均勻的母合金鑄錠；

步驟3：將母合金鑄錠破碎為小塊樣品，將破碎后的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，通過單輥急冷法制備連續(xù)的非晶合金；

步驟4：將所述非晶合金裝入熱處理爐中，抽真空至低于1×10^‐2Pa，進行晶化熱處理，而后淬火冷卻至室溫，得到納米晶軟磁合金材料。

作為優(yōu)選，所述的步驟1中，元素Fe、Co、Ni、Zr、B和Cu的純度均不低于99wt.％。

作為優(yōu)選，所述的步驟2中，熔煉溫度為1300‐1800℃。

作為優(yōu)選，所述的步驟2中，熔煉時間為20‐40分鐘。

作為優(yōu)選，所述的步驟3中，所述非晶合金為條帶狀，并且條帶寬度為1‐2mm，厚度為25‐30μm。

作為優(yōu)選，所述的步驟4中，晶化熱處理過程為：將非晶合金在真空氣氛中進行等溫晶化熱處理，然后淬火冷卻至室溫。

作為優(yōu)選，所述的步驟4中，退火溫度為510‐570℃。

作為優(yōu)選，所述的步驟4中，退火時間為30‐90分鐘，進一步優(yōu)選為45‐75分鐘。

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1：

本實施例中，高飽和磁感應強度高居里溫度的鐵基納米晶合金的分子式表達為(Fe_0.7Co_0.2Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁，制備步驟如下：

(1)將純度大于99％的原料Fe、Co、Ni、Zr、B、Cu按本實施例的化學分子式配制15g；

(2)采用電弧熔煉爐在氬氣保護下將步驟(1)所配制原料反復熔煉五遍，使合金中各成分混合均勻；

(3)將母合金鑄錠破碎為小塊樣品，將破碎后的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，采用單輥急冷甩帶技術，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，制得非晶合金條帶；

(4)將所述非晶合金裝入熱處理爐中，抽真空至低于5×10^‐3Pa，在540℃保溫1小時后迅速將石英管放入水中淬火冷卻至室溫，得到納米晶軟磁合金材料。

采用D8Advance型多晶X射線衍射儀測試步驟(3)制得的淬態(tài)合金條帶及經(jīng)步驟(4)熱處理后的合金條帶的XRD圖譜，結果如圖1所示，可見，淬態(tài)條帶為非晶結構，熱處理后的合金條帶有明顯的晶化峰，說明合金內部晶化。經(jīng)分析該晶化相為體心立方的α‐(Fe,Co,Ni)相，通過Scherrer公式估算其晶粒尺寸約11nm。

采用NETZSCH DSC 404F3差示掃描量熱儀測量步驟(3)制得的淬態(tài)合金條帶的DSC曲線，升溫速率設置40℃/分鐘，結果如圖2所示，測得非晶合金條帶的初始晶化溫度T_x1為491℃，二次晶化溫度T_x2為691℃，bcc相向fcc相的轉變溫度，即居里溫度達858℃。

采用振動樣品磁強計(VSM，Lakeshore 7407)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后的納米晶合金條帶的磁滯回線采用直流磁化特性分析儀(B‐H Curve Tracer，EXPH‐100)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后的納米晶合金條帶的矯頑力。測試結果如圖3所示，測得該合金的飽和磁化強度為1.66T，矯頑力為17A/m。

圖4所示為經(jīng)過步驟(4)熱處理后合金損耗隨磁感應強度變化曲線。損耗采用交流磁化特性分析儀(B‐H Curve Tracer,AC BH‐100k)測量，用于測試合金在不同磁感應強度及不同頻率下的損耗，可以看出合金在磁感1.0T，頻率50Hz下的損耗為0.93W/kg。利用該交流磁化特性分析儀測量合金在磁感1.0T，頻率10kHz條件下的損耗為532W/kg，在磁感0.2T，頻率20kHz、100kHz條件下的損耗分別為88W/kg、600W/kg。

實施例2：

本實施例中，高飽和磁感應強度高居里溫度的鐵基納米晶合金的分子式表達為(Fe_0.8Co_0.1Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁，制備步驟如下：

(1)將純度大于99％的原料Fe、Co、Ni、Zr、B、Cu按本實施例的化學分子式配制15g；

(2)采用電弧熔煉爐在氬氣保護下將步驟(1)所配制原料反復熔煉五遍，使合金中各成分混合均勻；

(3)將母合金鑄錠破碎為小塊樣品，將破碎后的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，采用單輥急冷甩帶技術，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，制得非晶合金條帶；

(4)將所述非晶合金裝入熱處理爐中，抽真空至低于5×10^‐3Pa，在500℃保溫1小時后迅速將石英管放入水中淬火冷卻至室溫，得到納米晶軟磁合金材料。

采用振動樣品磁強計(VSM，Lakeshore 7407)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后的納米晶合金條帶的磁滯回線采用直流磁化特性分析儀(B‐H Curve Tracer，EXPH‐100)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后的納米晶合金條帶的矯頑力，測得該合金的飽和磁化強度為1.60T，矯頑力為9A/m。

圖5所示為經(jīng)過步驟(4)熱處理后合金損耗隨磁感應強度變化曲線。損耗采用交流磁化特性分析儀(B‐H Curve Tracer,AC BH‐100k)測量，用于測試合金在不同磁感應強度及不同頻率下的損耗，可以看出合金在磁感1.0T，頻率50Hz下的損耗為0.82W/kg。利用該交流磁化特性分析儀測量合金在磁感1.0T，頻率10kHz條件下的損耗為519W/kg，在磁感0.2T，頻率20kHz、100kHz條件下的損耗分別為70W/kg、433W/kg。

實施例3：

本實施例中，高飽和磁感應強度高居里溫度的鐵基納米晶合金的分子式表達為(Fe_0.6Co_0.3Ni_0.1)₈₈Zr₇B₄Cu₁，制備步驟如下：

(1)將純度大于99％的原料Fe、Co、Ni、Zr、B、Cu按本實施例的化學分子式配制15g；

(2)采用電弧熔煉爐在氬氣保護下將步驟(1)所配制原料反復熔煉五遍，使合金中各成分混合均勻；

(3)將母合金鑄錠破碎為小塊樣品，將破碎后的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，采用單輥急冷甩帶技術，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，制得非晶合金條帶；

(4)將所述非晶合金裝入熱處理爐中，抽真空至低于5×10^‐3Pa，在520℃保溫1小時后迅速將石英管放入水中淬火冷卻至室溫，得到納米晶軟磁合金材料。

采用振動樣品磁強計(VSM，Lakeshore 7407)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后的納米晶合金條帶的磁滯回線采用直流磁化特性分析儀(B‐H Curve Tracer，EXPH‐100)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后的納米晶合金條帶的矯頑力。測得該合金的飽和磁化強度為1.62T，矯頑力為25A/m。

損耗采用交流磁化特性分析儀(B‐H Curve Tracer,AC BH‐100k)測量經(jīng)過步驟(4)熱處理后合金損耗隨磁感應強度變化曲線。測得該合金在磁感1.0T，頻率50Hz、10kHz條件下的損耗分別為1.68W/kg、785W/kg，在磁感0.2T，頻率20kHz、100kHz條件下的損耗分別為107W/kg、886W/kg。

上述實施例對本發(fā)明技術方案進行了系統(tǒng)詳細的說明，應理解的是上所述實例僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明原則范圍內所做的任何修改、補充或等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。