低成本FeNbB三元非晶合金軟磁材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及非晶軟磁合金材料領域，尤其設及一種低成本FeNbB^元非晶合金軟 磁材料的制備方法。
【背景技術】
[0002] 金屬玻璃通常是將烙化的液態金屬冷卻到玻璃轉變溫度W下并且在形核與晶化 前凝固所形成的非晶態合金。非晶態合金具有獨特的長程無序結構，且沒有位錯、晶界等晶 體缺陷，因而顯示出超越常規材料的物理、化學和力學性能，譬如高強度、高硬度、優異的耐 磨性、良好的磁學性能等。在眾多非晶合金體系中，鐵基非晶合金一直受到材料學家和物理 學家的廣泛關注。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 異的磁學性能(如:高飽和磁感應強度、高磁導率和低磁損），在國防尖端技術和民用高科技 領域發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 電機鐵忍等工業領域獲得了規模化應用，在科學研究及應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和物理學領域的前沿課題之一。
[0003] 1967年美國加州理工學院的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之一， 許多科學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非晶條帶，運為大規模生產非晶合金創造了條 件。美國聯合化學公司的Gilman等開發出了平面流鑄帶技術，實現了非晶帶材的高速連續 生產，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，運一技術標志 著非晶合金工業化大規模生產應用的開始。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強度、高磁導率和低鐵損的特點。20世紀90年代，Suzuki等在尸6- M-B (M=Z;r，Hf, Nb)系非晶帶材的基礎上，通過對其進行一定的退火工藝開發出了一系列 納米晶合金。1998年，美國卡內基梅隆大學的Willard等開發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已經成為非晶合金研 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，玻璃化轉變溫度為845 K，過冷液相區寬度為31 Kd2005年，韓 國延世大學Song等采用甩帶法制備化77佩泌17非晶薄帶，該合金玻璃化轉變溫度為797 K，過 冷液相區寬度為17 K，晶化起始溫度為814 K，飽和磁感應強度為0.735 T，矯頑力為22 A/ m。通過合理的成分設計和常規的鑄造方法陸續開發了化-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，并且對其熱穩定性、非晶形成能力和力學性能進 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化規模生產，成為制約鐵基非晶 合金由理論研究走向實際應用的瓶頸所在。因而，采用低純度原材料實現低成本制備具有 高非晶形成能力和優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。

【發明內容】

[0005] 本發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] 為達到本發明的目的，本發明提供一種低成本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式為FexNbyBz，式中的X，y，Z為原 子百分數，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，調節電 流由600至1000 A，在電磁攬拌作用下將合金反復烙煉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，采用高頻感應線圈并調節電流由25至40A，感應加熱直至樣品烙化，反復 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反充高純氣氣保護，采用高頻感應線圈 加熱使其烙化，調節電流為25~35A范圍內的固定值，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引與現有技術相比，本發明所述的一種FeNbB系非晶合金軟磁材料具有W下顯著優 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，且具有高的玻璃化轉 變溫度和晶化溫度； 2) 軟磁性能良好，飽和磁感應強度Ms=84~108 emu/g，矯頑力Hc=0.08~0.45 Oe，其優異 性能意味著其是一種具有廣泛應用前景的功能材料； 3) 所述的非晶合金軟磁材料制備方法簡單，所用原材料為工業純金屬和化B中間合金， 本發明所制備的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%，FeB中間合金含17.5 wt%B，可W看出，本發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用成本，可實現鐵基非晶合金的工業化規模生產。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明實施例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下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
[0012]本發明所用原料： Fe的質量分數不小于99.85%，化中其它元素含量為:*(5。<0.001%、*(]?11)<0.005%、訊 (〇<0.001%、*(5)<0.001%;師的質量分數不小于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的質量分數為 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，調節電流由600 至1000 A(由小至大），在電磁攬拌下反復烙煉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，FeNb W及化B中間合金， 將稱得的目標成分原料放入石英管中并用B2化玻璃將原料包覆住，采用高頻感應線圈并調 節電流由25至40A，感應加熱直至樣品烙化，反復烙煉5~6次，W獲得成分均勻的化68佩礎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反充高純氣氣保護，采用高頻感應線圈 加熱使其烙化，調節電流為35Α，然后用高純氣氣將烙融的合金液噴射到高速旋轉的銅漉表 面，得到連續薄帶。本發明所采用的實驗參數為: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X射線衍射(X畑)驗證是具有完全的非晶態結 構特征。用差示掃描量熱法獲得該樣品的熱學性能參數。可得所制備化68Nbl2B20非晶合金的 玻璃化轉變溫度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ΔΤχ= 52 Κ，說明該合金熱穩定性高，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強度