[发明专利]一种铁基非晶软磁合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁基非晶软磁合金材料及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

自1967年Fe₇₅P₁₅C₁₀（原子百分比成分）软磁非晶合金成功制备以来，磁性非晶合金研究一直受到广泛关注。目前已知的磁性非晶合金材料主要有：VIII金属-类金属型非晶合金；VIII金属-过渡金属型非晶合金和VIII金属-稀土金属型非晶合金。这里，VIII金属为Fe、Co、Ni元素；类金属主要为B、C、P、Si；过渡金属主要是Ta、Nb、Zr、Hf、Y及其混合物；而稀土金属则主要是Gd、Tb、Dy、Nd等元素。由于Fe成本低廉且具有好的软磁性能，以其为基体的软磁非晶合金获得应用。

然而，传统磁性合金的非晶形成能力较低，其形成非晶的临界冷却速率通常在10⁵K/s以上，需要借助单辊甩带法才能获得厚度不超过0.1mm的条带非晶材料，制备条件相对苛刻，且相关非晶条比较脆，这很大程度上制约了软磁非晶合金的应用和发展。直到二十世纪九十年代，日本学者Inoue等人率先运用铜模吸铸法率先制备出Fe-(Al,Ga)-(P,C,B)铁基块体非晶合金，才克服了软磁非晶合金条带材料的不足。至今，人们已发展出了多个类型的铁基块体非晶体系。例如，Fe-M-(P,C,B,Si)（M = Al,Ga,Mo）、Fe-Cr-Mo-C-B-Ln(稀土元素)和Fe-B-Si-(Zr,Nb)等。可见，人们大都是通过添加各种非磁性元素来提升Fe基合金的非晶形成能力，但这些元素的加入往往使得原有非晶合金的饱和磁感应强度明显降低，致使其磁学性能恶化。因此，开发具有高非晶形成能力、高饱和磁感应强度的新型Fe基非晶合金具有重要实用价值。

具有大非晶形成能力的铁基非晶合金一般具有3个以上组元，造成该类合金成分设计与优化的复杂性。我们自创的理想非晶合金的“团簇+连接原子”模型，将最佳形成能力成分的非晶合金以“团簇式”形式统一描述为[团簇](连接原子)x，x取1或3。顺利将非晶合金的成分、结构及其形成能力有机关联起来，以此可实现非晶合金的定量成分设计。本发明借助这一定量成分设计方法，以Fe-B-Si条带非晶为基础，引入顺磁性的合金化组元Hf，首次在Fe-B-Si-Hf合金系中发现和制备大非晶形成能力的Fe基块体非晶，并优选出具有高饱和磁感应强度和低矫顽力的铁基非晶软磁合金系列。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：（1）获得同时具有大非晶形成能力、高饱和磁感应强度和低矫顽力的铁基非晶软磁材料；（2）简化多组元合金体系非晶成分筛选和优化的复杂性；（3）提供一种成本低、制备方法简单的高Fe含量软磁实用材料。

本发明采用的技术方案是：一种兼具高饱和磁感应强度、低矫顽力和大非晶形成能力的Fe-B-Si-Hf软磁非晶合金材料，该材料的化学组成为：Fe_100-x-y-zB_xSi_yHf_z，其中x、y、z为原子百分比（at. %），5.0% ≦ x≦ 20.0%, 3.0 %≦ y ≦ 13.0%，0.5%≦ z≦ 5.0%，Fe原子百分比高于70.0%。其最大饱和磁感应强度超过1.65T，矫顽力均低于2A/m；可用作型配电变压器铁芯或其它电子电力器件理想材料。

一种含Hf铁基非晶软磁合金材料的制备方法，包括成分配比、称量，合金熔炼、甩带和铜模铸造，具体工艺步骤包括：

（1）备料：按照该材料的化学组成Fe_100-x-y-zB_xSi_yHf_z，将Fe、B、Si、Hf的原子百分比（at. %）转换成重量百分比（wt. %），再按重量百分比称取各组元金属原料，待用；化学组成中x、y、z为原子百分比，5.0% ≦ x≦ 20.0%, 3.0 %≦ y ≦ 13.0%，0.5%≦ z≦ 5.0%，Fe原子百分比高于70.0%；所用金属原料纯度均不低于工业纯；

（2）合金锭的熔炼：将称量的各组元金属原料混合，放入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，在纯氩气保护下进行合金熔炼，反复熔炼三到四次，得到成分均匀的合金锭；合金锭熔炼前后的重量损失率控制在千分之五以内；

（3）样品制备：将合金锭制备成条带样品或块体样品；