本发明专利技术提供一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法及适用的非晶纳米晶成分。所述过冷凝固通过玻璃净化结合循环过热或者电磁悬浮熔炼实现。过冷凝固合金通过熔体快淬或雾化制成非晶带材或粉体，并可经热处理制备成纳米晶合金。所述适用的非晶纳米晶化学式为FeSiBM，其特征在于M为P、C、Nb、Mo、Zr、Hf、Mo、Y、Cu、Co中的一种或多种，各合金元素原子百分比总和为100％，满足以下元素含量：Fe为80.0～89.0at％，Si为1.0～9.0at％，B为3.0～12.0at％，P为0～5.0at％，C为0～5.0at％，Nb为0～3.0at％，Zr为0～3.0at％，Hf为0～3.0at％，Mo为0～3.0at％，Y为0～5.0at％，Cu为0～2.0at％，Co为0～16.0at％。利用过冷非平衡凝固制备得非晶纳米晶合金非晶形成能力高，具有高饱和磁化强度、低矫顽力的特点。低矫顽力的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法
[0001]本专利技术涉及一种通过过冷凝固制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的方法，属于金属软磁材料领域。
技术介绍
[0002]Fe基非晶纳米晶软磁合金由于其特殊的显微组织结构，与晶态软磁合金相比，具有矫顽力低、电阻率高等显著优势。然而，Fe基非晶纳米晶合金中由于大量非晶形成元素的存在，降低了饱和磁化强度，限制了相关软磁器件的高功率和小型化发展。经典非晶软磁合金(国际牌号Metglas 2605SA1、我国牌号1K101)的饱和磁化强度约为1.55T，而经典纳米晶软磁合金(国际牌号Finemet、我国牌号1K107)的饱和磁化强度约为1.24T，均远低于硅钢的饱和磁化强度(约2.12T)。
[0003]为了充分发挥非晶纳米晶软磁合金在各类电力电子设备的应用潜力，亟需提高Fe基非晶纳米晶合金中以Fe为主的磁性元素含量及饱和磁化强度。制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的挑战在于获得非晶基体的要求较为苛刻，熔融合金冷却速度需达到约105℃/s以上。依据Inoue非晶原则，合金中往往需要添加约20at％的非磁性元素以促进非晶结构的形成。纳米晶软磁合金由非晶合金经晶化退火而成，往往还需要添加形核及抑制晶粒长大的非磁性元素。这些元素的引入极大限制了非晶纳米晶软磁合金中铁磁性元素的含量，故难以获得高饱和磁化强度。
[0004]目前，提高Fe基非晶纳米晶软磁合金饱和磁化强度的方法主要集中于成分调控方面。一是通过添加Co元素增强合金中铁磁交换强度以提高合金饱和磁化强度，如专利ZL201410728540.1公开了一种Fe
a
Co
b
Nb
c
B
d
Cu
e
合金，通过添加6～20at％的Co提高纳米晶合金饱和磁化强度至1.80T，矫顽力在10～35A/m范围内。二是调整类金属元素如Si、B、C、P元素的添加量，如专利ZL200510066862.5公开了一种Fe
a
Si
b
B
c
C
d
合金，当c在12～18at％范围内，且满足b≤(0.5
×
a
‑
36)
×
d
1/3
条件时，铁基非晶带材的饱和磁化强度可达1.60T以上。此外，ZL201410285976.8公开了一种Fe
a
Si
b
B
c
C
d
P
e
合金，通过调节类金属元素添加比例，获得的Fe
84.3
Si
2.3
B
9.7
C
0.9
P
2.8
合金具有最高的饱和磁化强度为1.69T。这类方法一方面依据Inoue非晶原则，调节类金属添加比例影响合金混合焓、原子尺寸差异，以提高合金非晶形成能力，进而提高铁磁性元素含量；另一方面由于类金属元素的2p电子能够对Fe的3d电子产生影响，影响Fe原子磁矩大小，从而调控合金饱和磁化强度。由上述专利可知，通过调节类金属元素含量的方法，需要精确控制不同元素的比例关系，且铁磁性元素添加量的提高仍有限，限制了饱和磁化强度的进一步提升。
[0005]本专利通过玻璃净化结合循环过热或者电磁悬浮熔炼实现Fe基非晶纳米晶合金过冷凝固，减少合金中非磁性元素的添加量，能有效提高合金中铁磁性元素添加量，增大合金饱和磁化强度并保持低矫顽力。
技术实现思路
[0006]本专利技术目的在于克服现有Fe基非晶纳米晶软磁合金制备技术中的不足，通过过冷非平衡凝固方法，减少合金中非晶形成元素的添加量，实现了高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的制备，进而拓宽Fe基非晶纳米晶软磁合金成分设计范围，提高合金饱和磁化强度。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，采用熔融玻璃净化结合循环过热或者电磁悬浮熔炼的方法，使合金过冷凝固，减少Fe基非晶纳米晶软磁合金中非晶形成元素的添加量，提高Fe元素的占比，实现提高饱和磁化强度、降低矫顽力的目标。
[0009]优选地，所述熔融玻璃净化结合循环过热的方法包括以下步骤：
[0010]第一步，所述的非晶纳米晶合金化学表达式为FeSiBM，其中M为P、C、Nb、Mo、Zr、Hf、Mo、Y、Cu、Co中的一种或多种元素。去除合金原料氧化皮后清洗，按照一定的质量比称量原料。将称量后的原料在真空感应熔炼炉或真空电弧熔炼炉内，抽真空至少达到10
‑3Pa后，充惰性气体保护进行熔炼，反复熔炼4～6次得到合金锭子；
[0011]第二步，将合金锭子放入坩埚中，并在其上下表面覆盖一定质量配比的玻璃净化剂，使玻璃净化剂完全包覆合金锭子；
[0012]第三步，抽真空至少达到10
‑2Pa后，充惰性气体保护并加热合金至熔化，之后升温至1200～1500℃，保温1～10分钟，关闭加热电源，使合金自然冷却；
[0013]第四步，进行“加热
‑
保温
‑
凝固”循环处理3～6次，使合金获得所需过冷度；
[0014]第五步，将过冷凝固合金通过熔体快淬或雾化方式凝固成带材或粉体；
[0015]第六步，将获得的带材或粉体通过去应力退火获得Fe基非晶合金，或者通过晶化退火获得Fe基纳米晶合金。
[0016]优选地，所述的惰性气体为纯度不低于99.9vol％的氩气或氮气。
[0017]优选地，所述的坩埚耐热温度不低于1400℃。
[0018]优选地，所述熔融玻璃净化结合循环过热制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的方法，其特征在于，所述玻璃净化剂制备过程包括：称取纯度不低于98％的粉末状Na2B4O7和B2O3分别置于高纯刚玉坩埚中，于400～600℃烧制1～8小时，再于800～1000℃熔融烧制2～16小时。将烧制后的Na2B4O7和B2O3混合得到净化剂，两者质量比＝1：1～20。
[0019]优选地，所述的玻璃净化剂与合金锭子的质量比为1：1～5。
[0020]优选地，所述电磁悬浮熔炼的方法包括以下步骤：
[0021]第一步，所述的非晶纳米晶合金化学表达式为FeSiBM，其中M为P、C、Nb、Mo、Zr、Hf、Mo、Y、Cu、Co中的一种或多种元素。去除合金原料氧化皮后清洗，按照一定的质量比称量原料。将称量后的原料在真空感应熔炼炉或真空电弧熔炼炉内，抽真空至少达到10
‑3Pa后，充惰性气体保护进行熔炼，反复熔炼4～6次得到合金锭子；
[0022]第二步，抽真空至少达到10
‑3Pa后，充惰性气体保护，将合金铸锭送至悬浮线圈下方，依靠电磁场和感应电流间相互作用形成的洛伦兹力将母合金的稳定悬浮于加热线圈中心；
[0023]第三步，利用加热线圈感应加热合金至熔化，之后升温至1200～1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，其特征在于：采用熔融玻璃净化结合循环过热或者电磁悬浮熔炼的方法，使合金过冷凝固，减少Fe基非晶纳米晶软磁合金中非晶形成元素的添加量，提高Fe元素的占比，实现提高饱和磁化强度、降低矫顽力的目标。2.根据权利要求1所述一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，其特征在于，所述熔融玻璃净化结合循环过热的方法包括以下步骤：第一步，所述的非晶纳米晶合金化学表达式为FeSiBM，其中M为P、C、Nb、Mo、Zr、Hf、Mo、Y、Cu、Co中的一种或多种元素；去除合金原料氧化皮后清洗，按照一定的质量比称量原料，将称量后的原料在真空感应熔炼炉或真空电弧熔炼炉内，抽真空至少达到10
‑3Pa后，充惰性气体保护进行熔炼，反复熔炼4～6次得到合金锭子；第二步，将合金锭子放入坩埚中，并在其上下表面覆盖一定质量配比的玻璃净化剂，使玻璃净化剂完全包覆合金锭子；第三步，抽真空至少达到10
‑2Pa后，充惰性气体保护并加热合金至熔化，之后升温至1200～1500℃，保温1～10分钟，关闭加热电源，使合金自然冷却；第四步，进行“加热
‑
保温
‑
凝固”循环处理3～6次，使合金获得所需过冷度；第五步，将过冷凝固后的合金通过熔体快淬或雾化方式快速凝固成带材或粉体；第六步，将获得的带材或粉体通过去应力退火获得Fe基非晶合金，或者通过晶化退火获得Fe基纳米晶合金。3.根据权利要求2所述的一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，其特征在于，惰性气体为纯度不低于99.9vol％的氩气或氮气。4.根据权利要求2所述一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，其特征在于，坩埚耐热温度不低于1400℃。5.根据权利要求2所述一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，其特征在于，所述玻璃净化剂制备过程包括：称取纯度不低于98％的粉末状Na2B4O7和B2O3分别置于高纯刚玉坩埚中，于400～600℃烧制1～8小时，再于800～1000℃熔融烧制2～16小时，将烧制后的Na2B4O7和B2O3混合得到净化剂，两者质量比＝1：1～20。6.根据权利要求2所述一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固方法，其特征在于，玻璃净化剂与合金锭子的质量比为1：1～5。7.根据权利要求1所述的一种制备高Fe含量非晶纳米晶软磁合金的过冷凝固...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴琛，王克冰，张心阳，严密，金佳莹，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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