專利名稱：一種塊體納米晶軟磁合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種塊體納米晶軟磁合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
軟磁材料由于矯頑力小，容易磁化和退磁，可被廣泛用來作為磁力線的通路，即用作 導(dǎo)磁材料，電腦、手機、平面顯示技術(shù)等方面所需的各種磁放大器、濾波線圈、變頻電感 器、變頻變壓器、電抗器以及各類開關(guān)電源、逆變電源、PFC技術(shù)中的扼流圈、貯能電感 等器件，均是利用了它們良好的軟磁性能。目前應(yīng)用中占主流的鐵氧體軟磁材料由于其居 里溫度低，在100'C以上時的飽和磁感已經(jīng)很低，因此其使用溫度受到限制，再者其飽和磁 感強度較低(低于0.6T)，制造大功率磁芯時需要較大的體積，限制了其小型化、平面化 技術(shù)的推廣。
納米晶軟磁材料作為一種重要的金屬功能材料，因其結(jié)構(gòu)的特殊性使之具備高磁導(dǎo)率、 高飽和磁化強度和低矯頑力等諸多優(yōu)異的性能，被譽為當(dāng)前綜合軟磁性能最為優(yōu)異的新一 代軟磁材料。
實際應(yīng)用的納米晶軟磁合金材料通常是通過非晶晶化法制備的，其形狀和尺寸受到極 大限制，僅能提供薄帶、粉末、細(xì)絲等形狀，而要獲得大塊的納米晶軟磁合金材料必須對 非晶合金粉碎后燒結(jié)。但一般的燒結(jié)方法由于燒結(jié)溫度高、燒結(jié)時間長，致使晶粒長大， 造成合金軟磁性能的變差，不能滿足工程應(yīng)用的需要，因而如何控制納米晶顆粒的長大是 制備具有優(yōu)異軟磁性能的大塊納米晶軟磁合金材料的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種塊體納米晶軟磁合金材料及其制備方法。 本發(fā)明第一方面提供了一種塊體納米晶軟磁合金材料，其特征在于，該塊體納米晶軟
磁合金材料為Fe-Co-Cu-B-X合金材料，以合金材料的總原子量計，各組成成分的原子組成
百分比為
Fe: 42%陽45%;Co: 42%-45%; Cu: 0.5%陽1.5%; B: 6%-10%; X: 3%陽8%;
其中X選自Nb和Sm中的一種或兩種，以合金材料的總原子量計，Nb的原子組成百 分比Nb。/。的取值范圍為0《Nb%《6%; Sm的原子組成百分比Smn/。的取值范圍為0《Sm% 《3%，且Nb。/。和Sm。/。不同時為0。
優(yōu)選的，上述塊體納米晶軟磁合金材料中各組成成分的原子組成百分比為
Fe: 42%-45%;
Co: 42%-45%;
Cu: 0.5%-1.5%;
B: 6%-8.5%;
X: 3%-6.5%;
其中X為Nb和Sm的組合，以合金材料的總原子量計，Nb的原子組成百分比Nbyo的 取值范圍為3%《Nb%《6%; Sm的原子組成百分比Sm。/。的取值范圍為0《Sm%《3%。
更優(yōu)選的，上述塊體納米晶軟磁合金材料中各組成成分的原子組成百分比為
Fe: 42.5%;
Co: 42.5%;
Cu: 1%;
B: 8%;
X: 6%;
其中X為Nb和Sm的組合，以合金材料的總原子量計，Nb的原子組成百分比NbQ/。的 取值范圍為3%《Nb%《6%; Sm的原子組成百分比Sm。/。的取值范圍為0《Sm%《3%。
最優(yōu)選的，上述塊體納米晶軟磁合金材料中各組成成分的原子組成百分比為 Fe: 42.5%; Co: 42.5%; Cu: 1%;B: 8%; Nb: 4.5%;
Sm: 1.5%。
本發(fā)明的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法包括熔煉、噴射非晶薄帶、熱處理和 粉碎、放電等離子燒結(jié)，具體步驟如下
1) 熔煉所需各金屬元素按原子百分比配料，將混合料經(jīng)熔煉及冷卻過程制得塊 體合金錠；
2) 噴射非晶薄帶將步驟1)中制得的塊體合金錠切割后用單輥甩帶法制備非晶 薄帶；
3) 熱處理和粉碎將步驟2)中制得的非晶薄帶進行熱處理后粉碎；
4) 放電等離子燒結(jié)將步驟3)中非晶薄帶粉碎后制得的粉體裝入模具中進行放 電等離子燒結(jié)。
所述步驟l)中各金屬元素可選自粉末或塊狀單質(zhì)，優(yōu)選純度大于99.5%的粉末或塊狀單質(zhì)。
優(yōu)選的，所述步驟l)中，將混合料在電弧爐內(nèi)在100(TC 130(rC的溫度范圍內(nèi)熔煉并 冷卻。
所述步驟2)中的甩帶法是指將熔融的合金熔液噴射到高速旋轉(zhuǎn)的水冷金屬輥的表面， 使合金熔液以極快的冷卻速度凝固甩成薄帶的方法。
優(yōu)選的，所述步驟2)中單輥甩帶法制備非晶薄帶在真空條件或惰性氣體保護下進行。 優(yōu)選的，所述步驟2)中，單輥甩帶法制備非晶薄帶時，輥子的轉(zhuǎn)速為25 35m/s。 優(yōu)選的，所述步驟2)中，非晶薄帶的帶寬為2mm，厚度為20~40拜。 所述步驟3)中熱處理的溫度為20(TC 40(TC，處理時間為1 2小時。 所述步驟4)中，非晶薄帶粉碎后制得的粉體的粒徑范圍為50~100nm。 所述步驟4)中放電等離子燒結(jié)過程中，壓力范圍為30 70Mpa,優(yōu)選為60 65Mpa; 燒結(jié)溫度為700 80(TC，優(yōu)選為720~800°C;燒結(jié)時間為5 10分鐘。
本發(fā)明的塊體納米晶軟磁合金材料中，通過添加Co元素來改變本發(fā)明合金材料的高溫 磁特性，由于添加設(shè)定量的Co會與本發(fā)明成分中的Fe相結(jié)合形成oc-FeCo結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具 有較高的居里溫度特性。在本發(fā)明的塊體納米晶軟磁合金材料中，B是形成非晶所不可缺 少的元素，Cu是納米晶形成元素，X成份中Nb的作用在于提高合金的溫度穩(wěn)定性，降低合金的各向異性，并和B—起做非晶穩(wěn)定成分，Sm元素因為原子尺寸較大，擴散緩慢，主 要作用是阻止cc-Fe(Co)晶粒長大，降低材料的矯頑力，同時Sm的摻入還可提高a-Fe(Co) 的晶化溫度和塊體的居里溫度。
同時，本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)方法來制備該塊體納米晶軟磁合金材料，由于納米粉 末具有極高的表面激活能，燒結(jié)過程中不可避免地顯著提高納米晶粒的生長速率，常規(guī)燒結(jié)
由于燒結(jié)時間較長，晶粒長大趨勢明顯，很難獲得納米晶塊體材料。放電等離子燒結(jié)技術(shù) (Spark Plasma Sintering或簡稱'SPS，)是一種利用通一斷直流脈沖電流直接通電燒結(jié)的加 壓燒結(jié)法。通一斷式直流脈沖電流的主要作用是產(chǎn)生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱 和電場擴散作用。在SPS燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體， 使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻地自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化，它是有效利用粉末內(nèi)部的 自身發(fā)熱作用而進行燒結(jié)的。這種放電直接加熱法，熱效率極高，燒結(jié)速度快，放電點的彌 散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱，因而容易制備出均質(zhì)、致密、高質(zhì)量的燒結(jié)體。而且，本發(fā)明的 方法具有燒結(jié)速度快的特點可以有效抑制塊體中的納米晶相的長大，能夠獲得軟磁性能優(yōu)異
的塊體納米晶軟磁合金材料。
本發(fā)明制備的塊體納米晶軟磁合金材料，納米磁體晶粒細(xì)小(尺寸〈100nm)，具有較高 的居里溫度(Tc為560 66(TC)，以及較高的飽和磁化強度(Ms為1.65~1.85T)，該優(yōu)異的 性能特點使得軟磁材料具有較高的使用溫度范圍，且產(chǎn)品便于小型化和集成化。本發(fā)明制 備的塊體納米晶軟磁合金材料可用于電機磁芯、配電變壓器、磁放大器、大功率開關(guān)電源 及逆變器鐵芯等。本發(fā)明的制備工藝可用于開發(fā)Fe-Co基的軟磁塊體合金，因而具有廣闊 的研究和市場應(yīng)用前景。


圖1本發(fā)明實施例1中制得的塊體納米晶軟磁合金材料的磁滯回線圖。 圖2本發(fā)明實施例2中制得的塊體納米晶軟磁合金材料的磁滯回線圖。 圖3本發(fā)明實施例3中制得的塊體納米晶軟磁合金材料的磁滯回線圖。
具體實施方式
實施例h
選用純度大于99.5X的塊狀Fe， Co, Cu以及粉末狀Nb、 B元素，按合金成分中每種 元素的原子百分配比Fe42.5C042.5Nb6CUiB8配料，混合料在電弧爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度110(TC，熔煉后的樣品切割成小塊采用單輥甩帶裝置制成非晶薄帶，銅輥轉(zhuǎn)速為25 m/s，非晶薄帶 在20(TC下保溫2小時，然后粉碎成10(Him粉體，在SPS燒結(jié)裝置中成型和燒結(jié)，燒結(jié)溫 度720。C，保溫時間10分鐘，保持壓力60MPa，最終得到尺寸為(()10x5mm的塊體納米晶軟 磁合金材料，其飽和磁化強度Ms為1.75T，居里溫度Tc為560'C，矯頑力為1177.8A/m。 本實施例制備的軟磁塊體合金的磁滯回線圖參見圖1。
實施例2:
選用純度大于99.5X的塊狀Fe， Co， Cu、 Sm以及粉末狀Nb、 B元素，按合金成分中
每種元素的原子百分配比Fe42.5C042.5Nb4.5QnB8Sim.5配料，混合料在電弧爐內(nèi)熔煉，烙煉溫
度110(TC,熔煉后的樣品切割成小塊采用單輥甩帶裝置制成非晶薄帶，銅輥轉(zhuǎn)速為25m/s， 非晶薄帶在35(TC下保溫1小時，然后粉碎成50pm粉體，在SPS燒結(jié)裝置中成型和燒結(jié)， 燒結(jié)溫度800'C,保溫時間5分鐘，保持壓力60MPa，最終得到尺寸為())10x5mm的塊體納 米晶軟磁合金材料，其飽和磁化強度Ms為1.85T，居里溫度Tc為645°C ，矯頑力為715.4A/m。 本實施例制備的軟磁塊體合金的磁滯回線圖參見圖2。
實施例3:
選用純度大于99.5X的塊狀Fe, Co， Cu、 Sm以及粉末狀Nb、 B元素，按合金成分中
每種元素的原子百分配比Fe42.5C042.5Nb3CUiB8Sm3配料，混合料在電弧爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度
1100'C，熔煉后的樣品切割成小塊釆用單輥甩帶裝置制成非晶薄帶，銅輥轉(zhuǎn)速為35 m/s， 非晶薄帶在200'C下保溫2小時，然后粉碎成100nm粉體，在SPS燒結(jié)裝置中成型和燒結(jié)， 燒結(jié)溫度800'C，保溫時間8分鐘，保持壓力65MPa，最終得到尺寸為(])10x5mm的塊體納 米晶軟磁合金材料，其飽和磁化強度Ms為1.68T，居里溫度Tc為660°C,矯頑力為791.8A/m。 本實施例制備的軟磁塊體合金的磁滯回線圖參見圖3。
實施例4:
選用純度大于99.5X的塊狀Fe， Co， Cu以及粉末狀Sm、 B元素，按合金成分中每種 元素的原子百分配比Fe42C045Sm3Cm.5B8.5配料，混合料在電弧爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度1100。C， 熔煉后的樣品切割成小塊采用單輥甩帶裝置制成非晶薄帶，銅輥轉(zhuǎn)速為25 m/s，非晶薄帶 在20(TC下保溫2小時，然后粉碎成100nm粉體，在SPS燒結(jié)裝置中成型和燒結(jié)，燒結(jié)溫度720'C，保溫時間10分鐘，保持壓力60MPa，最終得到尺寸為(()10x5mm的塊體納米晶軟 磁合金材料，其飽和磁化強度Ms為1.72T，居里溫度Tc為565'C,矯頑力為1170.7A/m。
實施例5:
選用純度大于99.5X的塊狀Fe， Co, Cu以及粉末狀Nb、 Sm、 B元素，按合金成分中
每種元素的原子百分配比Fe45C042Nb4CUo.5B6Sm2.5配料，混合料在電弧爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度
IIO(TC，熔煉后的樣品切割成小塊采用單輥甩帶裝置制成非晶薄帶，銅輥轉(zhuǎn)速為25 m/s， 非晶薄帶在20(TC下保溫2小時，然后粉碎成100pin粉體，在SPS燒結(jié)裝置中成型和燒結(jié)， 燒結(jié)溫度80(TC，保溫時間10分鐘，保持壓力65MPa，最終得到尺寸為(l)10x5mm的塊體納 米晶軟磁合金材料，其飽和磁化強度Ms為1.70T，居里溫度Tc為655°C ，矯頑力為750.8A/m。
權(quán)利要求
1、一種塊體納米晶軟磁合金材料，其特征在于，所述塊體納米晶軟磁合金材料為Fe-Co-Cu-B-X合金材料，以合金材料的總原子量計，各組成成分的原子組成百分比為Fe42％-45％；Co42％-45％；Cu0.5％-1.5％；B6％-10％；X3％-8％；其中X選自Nb或Sm中的一種或兩種，以合金材料的總原子量計，Nb的原子組成百分比Nb％的取值范圍為0≤Nb％≤6％；Sm的原子組成百分比Sm％的取值范圍為0≤Sm％≤3％，且Nb％和Sm％不同時為0。
2、 如權(quán)利要求1所述的塊體納米晶軟磁合金材料，其特征在于，以合金材料的總原子量 計，各組成成分的原子組成百分比為Fe: 42%-45%; Co: 42%-450/o; Cu: 0.5%-1.5o/o; B: 6%-8.5%; X: 3%-6.5%;其中X為Nb和Sm的組合，以合金材料的總原子量計，Nb的原子組成百分比Nb。/o的 取值范圍為3%《Nb%《6%; Sm的原子組成百分比Smy。的取值范圍為0《Sm%《3%。
3、 如權(quán)利要求1所述的塊體納米晶軟磁合金材料，其特征在于，以合金材料的總原子量 計，各組成成分的原子組成百分比為Fe: 42.5%; Co: 42.5%; Cu: 1%; B: 8%; X: 6%;其中X為Nb和Sm的組合，以合金材料的總原子量計，Nb的原子組成百分比Nb。/。的 取值范圍為3%《Nb%《6%; Sm的原子組成百分比Sm。/。的取值范圍為0《Sm%《3%。
4、 權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法，包括如下 步驟1) 熔煉所需各金屬元素按原子百分比配料，將混合料經(jīng)熔煉及冷卻過程制得塊體合 金錠；2) 噴射非晶薄帶將步驟1)中制得的塊體合金錠切割后用單輥甩帶法制備非晶薄帶;3) 熱處理和粉碎將步驟2)中制得的非晶薄帶進行熱處理后粉碎；4) 放電等離子燒結(jié)將步驟3)中非晶薄帶粉碎后制得的粉體裝入模具中進行放電等 離子燒結(jié)。
5、 如權(quán)利要求4所述的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1 )中，將混合料在電弧爐內(nèi)在100(TC 130(TC的溫度范圍內(nèi)熔煉。
6、 如權(quán)利要求4所述的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2) 中單輥甩帶法制備非晶薄帶是在真空條件下進行，且輥子的轉(zhuǎn)速為25 35m/s;非晶薄帶的 帶寬為2mm,厚度為20 40pm。
7、 如權(quán)利要求4所述的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3) 中熱處理的溫度為20(TC 40(rC，處理時間為1~2小時。
8、 如權(quán)利要求4所述的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法，其特征在于，所述步驟4) 中非晶薄帶粉碎后制得的粉體的粒徑范圍為50~100阿。
9、 如權(quán)利要求4所述的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法，其特征在于，所述步驟4) 中放電等離子燒結(jié)過程的壓力范圍為30 70Mpa;燒結(jié)溫度為700 80(TC;燒結(jié)時間為5~10 分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種塊體納米晶軟磁合金材料及其制備方法，該塊體納米晶軟磁合金材料為Fe-Co-Cu-B-X合金材料，以合金材料的總原子量計，各組成成分的原子組成百分比為Fe42％-45％；Co42％-45％；Cu0.5％-1.5％；B6％-10％；X3％-8％；其中X選自Nb和Sm中的一種或兩種。本發(fā)明的塊體納米晶軟磁合金材料的制備方法為熔煉、噴射非晶薄帶、熱處理和粉碎、放電等離子燒結(jié)。本發(fā)明的塊體納米晶軟磁合金材料具有較高的居里溫度和飽和磁化強度，具有廣泛的用途。
文檔編號H01F1/12GK101620906SQ20091005286
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者馮楚德, 巖 劉, 潘秀紅, 飛 艾, 飛 金, 金蔚青, 高國忠 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所