專利名稱：：具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種鐵基塊體非晶合金，更特別地說，是指一種在Fe-Al-P-C基中添加類金屬元素M獲得具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金。
背景技術：
：在現有工藝條件下，通過'l^t凝固m^制備得到的非晶合金因不具備長程原子有序結構而導致了獨特的力學性能、磁學性能、耐蝕性能和電性能。因此，非晶合金材料的研究成為材料研究的一個重要領域。鐵基非晶合金因其特殊的結構特征具有優良的磁學性能，且相對低廉的制造成本而被廣泛地用于各種變壓器、電磁換能^f牛等領域。自1967年P.Duwez首先發現Fe-P-C三元非晶合金成分以來，Fe-B-Si、Fe-P-B和Fe-P-B-C等一系列Fe-Metalloid(P，B，C，Si)系非晶合金體系相繼得以開發和應用。伹是，由于受到成分設計和工藝條件的限制，初期的研究和產品只局限條帶、細絲和粉末。因此，Fe基非晶合金的推廣和應用受到極大的限制。直到1995年，Inoue等才在Fe-Metalloid(P,B,C，Si)系非晶合金的基礎上，通過加入大尺寸原子Al和Ga得到了Fe-(Al，Ga)-(P，C，B，Si)鐵基塊體非晶合金。隨后,Fe-Co-Ni-Zr-B、Fe-Mo-P-C-B、Fe-Si-B-Nb和Fe-Y-B等Fe-Metalloid(P，B，C，Si)基塊體非晶合金也相繼得到開與。雖然，Ga、Zr、Mo、Nb和Y等較貴金屬元素和稀土元素的加入使Fe-Metalloid(P,B，C，Si)基非晶合金能形成毫米級的圓柱棒試樣,極大地改善了以往非晶合金形成能力不足而限制應用的缺點;但是，即使Ga、Zr、Mo、Nb和Y等元素的加入量不足5%的原子比，它們的原材料成本卻占據了整個合金原材料成本的90%以上，這從另一個方面限制了鐵基非晶合金的廣泛應用。因此，設計一種成本低廉、具有較高非晶形成能力、并具有良好軟磁性能的Fe基塊體非晶合金材料是鐵基非晶合金發展的必然趨勢。
發明內容本發明是在Fe-Al-P-C塊體非晶合金基礎上通過添加一種或兩種類金屬元素M來降低P-C的用量，從而改善Fe-Al-P-C塊體非晶合金的非晶形成能力，該類金屬元素M可以是B或Si或B+Si的組合。本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金成分為含有15at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的B和余量的Fe。本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金成分為含有15atM的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的Si和余量的Fe。當類金屬元素M為B+Si時，本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B-Si塊體非晶合金成分為含有l5at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.5~6at%的B、0.56at。/。的Si和余量的Fe。本發明的一種具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的優點在于(1)本發明設計了一種不含Ga、Zr、Mo、Nb和Y等較貴金屬元素和稀土元素的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其原材料成本低廉。(2)本發明的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金具有較高的非晶形成能力，通過快速凝固技術，可以得到臨界直徑為1.0mm3.8mm的非晶合金棒材，并具有25A:45t的過冷液相區間。(3)本發明的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金具有良好的軟磁性能，其飽和磁感應強度不低于1.30r，并且具有《5.5爿/w的矯頑力。圖1是采用本發明方法制備得到的Fe77Al3PgB2C9塊體非晶合金的XRD圖。圖2是采用本發明方法制備得到的Fe77Al3P9B2C9塊體非晶合金的DSC圖。圖3是釆用本發明方法制備得到的Fe77Al3P9B2C9塊體非晶合金的OM圖。圖4是采用本發明方法制備得到的Fe77Al3P9B2C9塊體非晶合金經熱處理后飽和磁感應強度圖。圖5是釆用本發明方法制備得到的Fe77Al3PgB2C9塊體非晶合金的矯頑力變化曲線圖。具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。本發明是一種具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，類金屬元素M可以是B或Si或B+Si的組合。本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金成分為含有15at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的B和余量的Fe，Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金成分的原子百分比含量共計為100。本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金成分為含有15at。/。的Al、511at。/。的P、49at。/。的C、0.56at。/。的Si和余量的Fe,Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金成分的原子百分比含量共計為100。當類金屬元素M為B+Si時，本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B-Si鐵基塊體非晶合金成分為含有15at。/。的Al、51lat。/。的P、49at。/。的C、0.56at%的B、0.56at。/。的Si和余量的Fe，Fe-Al-P-C-B-Si塊體非晶合金成分的原子百分比含量共計為100。制備本發明的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的步驟有步驟一配料按照Fe-Al-P-C-M的名義成分稱取FeP、FeB、鐵塊、鋁塊、碳棒和硅塊，形成制備Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的原料；鐵塊的質量百分比純度為大于等于99.8%;鋁塊的質量百分比純度為大于等于99.9%;碳棒的質量百分比純度為大于等于99.99%;硅塊的質量百分比純度為大于等于99.99%;步驟二熔煉母合金將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉均勻后取出母合金錠；熔煉條件在熔煉原料時真空感應熔煉爐的爐內真空度為3X10-ip"5Xl0一3戶"、熔煉溫度1100。C1600。C、熔煉時間515min;步驟三制備鐵基非晶合金塊體材料將步驟二制備得到的母合金放入快速凝固裝置的感應爐中，調節感應電流至300^500mJ，待母合金完全熔化后將熔體噴射入銅模中，隨銅模冷卻得到Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金。實施例1:制？677八1^9820:9塊體非晶合金制lS.728g的具有軟磁性的Fe77Al3P9B2Cg塊體非晶合金的步驟有步驟一配料按照Fe77Al3P9B2C9的名義成分稱取5.000g的FeP、0.481g的FeB、12.507g的鐵塊、0.317g的鋁塊和0.423g的碳棒，形成制備？67^13982<39塊體非晶合金的原料；鐵塊的質量百分比純度為大于等于99.8%;鋁塊的質量百分比純度為大于等于99.9%;碳棒的質量百分比純度為大于等于99.99%;步驟二熔煉母合金將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉均勻后取出母合金錠；熔煉條件在熔煉原料時真空感應熔煉爐的爐內真空度為3X1(T2/50、熔煉溫度1300°C、熔煉時間5min;步驟三制備鐵基非晶合金塊體材料將步驟二制備得到的母合金放入快速凝固裝置的感應爐中，調節感應電流至410mX，待母合金完全熔化后將熔體噴射入銅模中，隨銅模冷卻得到Fe77Al3P9B2C9塊體非晶合金。將實施例1制得的Fe77Al3PgB2C9塊體非晶合金分別經X射線衍射(XRD)、差示掃描熱量儀(DSC)及光學電鏡(OM)對比分析。從圖l所示的XRD圖中可以看出采用FeP、FeB、鐵塊、鋁塊和碳棒制得的是Fe77Al3P9B2C9塊體非晶合金。從圖2所示的DSC圖中可以看出Fe77Al3PgB2C9塊體非晶合金具有明顯的居里溫度590《，玻璃轉變溫度707《，晶化溫度749義。從圖3所示的OM圖中可以看出？€77^#982(:9塊體非晶合金的臨界直徑為3.0ww的非晶合金棒和厚度大于0.05ww的非晶帶材。從圖4中可以看出Fe77Al3PgB2C9塊體非晶合金具備良好的軟磁性能，其飽和磁感應強度為1.36r。從圖5中可以看出Fe77Al3P9B2C9塊體非晶合金經熱處理后的矯頑力為采用與實施例l相同的制備方法制不同成分的Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金，其性能如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2:制Fe75Al5PuCsS"塊體非晶合金制備15.319g的具有軟磁性的Fe75AlsPuC8S"塊體非晶合金的步驟有步驟一配料按照FewAlsPuCsSh的名義成分稱取5.000g的FeP、9.490g的鐵塊、0.432g的鋁塊、0.307g的碳棒和0.090g的硅塊，形成制備Fe75Al5PuCsS"塊體非晶合金的原料；鐵塊的質量百分比純度為大于等于99.8%;鋁塊的質量百分比純度為大于等于99.9%;碳棒的質量百分比純度為大于等于99.99%;硅塊的質量百分比純度為大于等于99.99%;步驟二熔煉母合金將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉均勻后取出母合金錠；熔煉條件在熔煉原料時真空感應熔煉爐的爐內真空度為5X10_3Z^、熔煉溫度1400°C、熔煉時間15min;步驟三制備鐵基非晶合金塊體材料將步驟二制備得到的母合金放入快速凝固裝置的感應爐中，調節感應電流至400恥4，待母合金完全熔化后將熔體噴射入銅模中，隨銅模冷卻得到Fe^AlsPuCgS"塊體非晶合金。將實施例2制得的Fe75Al5PnC8S、塊體非晶合金經X射線衍射(XRD)、差示掃描熱量儀(DSC)及光學電鏡(OM)對比分析，得出臨界直徑為1.5mm的非晶合金棒和厚度大于0,05m附的非晶帶材；DSC實驗發現其具有具有明顯的居里溫度567《，玻璃轉變溫度707《，晶化溫度42《。該Fe75Al5PnCsSii塊體非晶合金還具備良好的軟磁性能，其飽和磁感應強度為1.36r，熱處理后的矯頑力2.1J/m。釆用與實施例2相同的制備方法制不同成分的Fe-A1-P-C-Si塊體非晶合金，其性能如下表所示成分居里溫度玻璃轉變溫度晶化溫度臨界直徑飽和磁感應強度矯頑力5737017301.51.373.65707087422.01.323.2Fe77Al3P10C8Si25757117411.51.283.5Fe77Al3P10C6Si45777207421.01.274.2實施例3:制？67^^>982(37812塊體非晶合金制備18.854g的具有軟磁性的Fe77Al3P9B2C7Si2塊體非晶合金的步驟有步驟一配料按照Fe77Al3P9B2C7Si2的名義成分稱取5.000g的FeP、0.481g的FeB、12.507g的鐵塊、0.317g的鋁塊、0.329g的碳棒和0.220g的硅塊，形成制備7677^3982<37312鐵基塊體非晶合金的原料；鐵塊的質量百分比純度為大于等于99.8%;鋁塊的質量百分比純度為大于等于99.9%;碳棒的質量百分比純度為大于等于99.99%;硅塊的質量百分比純度為大于等于99.99%;步驟二熔煉母合金將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉均勻后取出母合金錠；熔煉條件在熔煉原料時真空感應熔煉爐的爐內真空度為3XlO—i^、熔煉溫度125CTC、熔煉時間10min;步驟三制備鐵基非晶合金塊體材料將步驟二制備得到的母合金放入快速凝固裝置的感應爐中，調節感應電流至380m^，待母合金完全熔化后將熔體噴射入銅模中，隨銅模冷卻得到Fe77Al3P9B2C7Si2塊體非晶合金。將實施例3制得的Fe77Al3P9B2C7Si2塊體非晶合金經X射線衍射(XRD)、差示掃描熱量儀(DSC)及光學電鏡(OM)對比分析，得出臨界直徑為3.8附m的非晶合金棒和厚度大于0.05mm的非晶帶材；DSC實驗發現其具有具有明顯的居里溫度592《，玻璃轉變溫度718《，晶化溫度753《。該？677^3982(:7312塊體非晶合金還具備良好的軟磁性能，其飽和磁感應強度為1.30r，熱處理后的矯頑力3.0爿/w。采用與實施例3相同的制備方法制不同成分的Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金，其性能如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>對本發明制得的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，采用差示掃描熱量儀(DSC)實驗分析，得到居里轉變溫度、玻璃轉變溫度和晶化溫度；通過晶化溫度與玻璃轉變溫度之間的差值，可以用來評價該合金體系中不同合金成分的非晶形成能力。對本發明制得的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，進行XRD、DSC和OM實驗分析，以判斷各實施例的各種尺寸試樣棒是否為完全非晶，從而確定實施例的非晶形成臨界直徑。權利要求1、一種具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其特征在于是在Fe-Al-P-C塊體非晶合金中加入類金屬元素M，該類金屬元素M是指B或Si或B+Si的組合；具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金成分為1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B和余量的Fe；具有軟磁性的Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金成分為1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的Si和余量的Fe；具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B-Si塊體非晶合金成分為1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B、0.5～6at％的Si和余量的Fe。2、根據權利要求1所述的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金還包括有下列具體成分Fe^AlsPwBiCg或Fe77Al3P9B2C9或Fe77Al3P8B3C9或Fe77Al3P7B4C9或Fe77Al3P6B5C9或Fe77Al3P7B5C8或Fe77Al3P8B5C7或Fe77Al3^。B3C7。3、根據權利要求1所述的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金還包括有下列具體成分Fe^AlsPuCsSii或Fe^AhPuCsSii或FewAlsPuCsS^或FewAlsPwCsSk或Fe^AlgP^QS"。4、根據權利要求1所述的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-B-Si塊體非晶合金還包括有下列具體成分Fe77Al3P9B2C7Si2或Fe^AliPgBsCsSii或Fe^A^PgBsCgS"或FenAlgPgBsCgSii或FewA^PgBsCgSii或Fe^AlsPgBsCsS^或Fe77Al3P9B2C7Si2或Fe77Al3P9B2C6Si3或Fe77Al3P9B2C5Si4或Fe77Al3P7B6C5Si2或Fe^AlgPuB^^"。5、根據權利要求1所述的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的臨界直徑為l.Omm3.8mm的非晶合金棒材，并具有25A:45*的過冷液相區間。6、根據權利要求1所述的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其特征在于Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的飽和磁感應強度不低于1.30r，并且具有<5.5爿/的矯元頁力。7、一種制備如權利要求1所述的具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的方法，其特征在于有下列步驟步驟一配料按照Fe-Al-P-C-M的名義成分稱取FeP、FeB、鐵塊、鋁塊、碳棒和硅塊，形成制備Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金的原料；鐵塊的質量百分比純度為大于等于99.8%;鋁塊的質量百分比純度為大于等于99.9%;碳棒的質量百分比純度為大于等于99.99%;硅塊的質量百分比純度為大于等于99.99%;步驟二熔煉母合金將步驟一稱量所得的原料放入真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉均勻后取出母合金錠；熔煉條件在熔煉原料時真空感應熔煉爐的爐內真空度為3X10—iPa5Xl0—3尸fl、熔煉溫度1100。C1600。C、熔煉時間5l5min;步驟三制備鐵基非晶合金塊體材料將步驟二制備得到的母合金放入快速凝固裝置的感應爐中，調節感應電流至300m^500mj,待母合金完全熔化后將熔體噴射入銅模中，隨銅模冷卻得到Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金。全文摘要本發明公開了一種具有軟磁性的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，是在Fe-Al-P-C塊體非晶合金中加入類金屬元素M，該類金屬元素M是指B或Si或B+Si的組合；其中具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B塊體非晶合金成分為1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B和余量的Fe；具有軟磁性的Fe-Al-P-C-Si塊體非晶合金成分為1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的Si和余量的Fe；具有軟磁性的Fe-Al-P-C-B-Si塊體非晶合金成分為1～5at％的Al、5～11at％的P、4～9at％的C、0.5～6at％的B、0.5～6at％的Si和余量的Fe。本發明設計了一種不含Ga、Zr、Mo、Nb和Y等較貴金屬元素和稀土元素的Fe-Al-P-C-M塊體非晶合金，其原材料成本低廉。文檔編號H01F1/153GK101603159SQ20091008931公開日2009年12月16日申請日期2009年7月15日優先權日2009年7月15日發明者濤張,王劍鋒申請人:北京航空航天大學