高饱和磁通密度及低剩磁双铁磁性相软磁合金 本发明涉及一种双铁磁性相软磁合金，具有高饱和磁通密度及低剩磁等特点，是一种适用于性能要求很高的螺线管电磁阀铁芯新型软磁合金，还可应用于陀螺仪与微型电机等方面，属于电工电子工业用合金技术领域。
软磁材料一般要求具有高饱和磁通密度、高导磁率以及低的矫顽力等特点，但针对不同的应用，往往对其他磁学性能如饱和磁致伸缩、磁各向异性以及剩余磁通密度等也有着特别的要求。这些性能之间是相互联系的，并有着一定的制约关系。考察现有的商用软磁合金，如纯铁、电工钢以及Fe-Co合金、Fe-Al-Si等Fe基合金，具有很高的饱和磁通密度Bs，一般在1.5T以上，但初始磁导率μi相对较低，剩余磁化强度Br也比较高。早在八十年代，我国学者曾参考前苏联精密合金产品，成功地研制开发了一些低剩磁Br(＜0.1T)软磁合金，如陈国钧等发明的1J34H，1J34KH(专利申请公开号CN85100770A)等，但其饱和磁通密度低于1.5T，而且这些合金一般经过横向磁场热处理，其初始磁导率也很低。最近，刘大均研制了一种Fe-11～14wt％-5wt％M(M＝Si，Mn，Ti等)软磁合金棒材(专利公告号CN1170941)，这种软磁合金虽然具有较高的磁导率和较低的剩磁(Br＜0.4T)，但Bs＜1.4T。在实际应用中，螺线管电磁阀的铁芯材料，需要一种满足高饱和磁通密度Bs＞1.8T，低剩磁Br＜0.2T，以及初始磁导率μi＞2000等性能软磁晶态合金，这是现有软磁合金性能所不能满足的。
本发明的目的在于根据工业生产的实际需要，针对现有技术的上述不足，研制一种同时具有高饱和磁通密度与低剩磁以及较高的初始磁导率的新的软磁合金，以尽可能满足实际应用的要求。
为实现这样地目的，本发明研制了一种含有双铁磁性相的晶态软磁合金，很好地接近上述各项性能指标。
一般而言，软磁合金的饱和磁化强度是由合金的化学成分决定，同时化学成分也与合金的相组成与相结构密切相关；合金的剩余磁化强度是结构敏感量，与材料的组织结构、应力状态等方面有关，对于各向同性无织构的材料一般通过磁场热处理或应力热处理来控制剩磁的大小。要获得低剩磁的合金，大都采用横向磁场热处理，然而，这种热处理方式在降低合金剩磁的同时，也使合金的初始磁导率下降，并且对磁致伸缩系数较大的合金采用这种方式很难得到很低的剩磁。
传统的软磁合金为单相材料，应避免非铁磁性第二相的出现，因为这会导致一些结构敏感的磁学性能恶化。然而，如果软磁合金中含有两种铁磁性相，利用这两种性能不同的铁磁性相间的相互作用，却有可能提高合金的软磁性能。最典型是Yoshizawa等通过晶化非晶合金，形成具有两种铁磁相的纳米软磁合金，具有优异的软磁性能(美国专利号US4881989)。
受此启发，本发明以Fe-Co-Ni三元合金系为对象加以研究。在50年代Bozorth等研究表明这种合金的两种相α和γ都是铁磁性相，并认为要使合金具有很高的饱和磁感应强度(如Bs＞1.8T)，应选择高Co含量及低Ni的成分(Bozorth，Ferromagnetism，Van Nostrand(1951)pp.102-119)。近年来，Omata等研究Fe-Co-Ni合金薄膜中，选择低Ni含量的合金成分，使合金以bcc结构α相为主晶相，可以获得饱和磁感应强度很高的软磁合金，若合金主要以fcc结构γ相存在，其饱和磁化强度则要降低(美国专利号US5091266)。本发明在Fe-Co-Ni合金系内，选择α-γ相界线附近的化学成分，并添加适量合金元素Nb和稀土(如Ce)，设法通过热处理，得到以α相为主晶相，并含适量γ相的双铁磁性相软磁合金，从而得到高饱和磁化强度。由于这两种铁磁性相具有不同磁学行为，尤其是具有不同的磁致伸缩方向以及不同的磁晶各向异性能，因此，在它们的共同作用下，可以得到近零饱和磁致伸缩系数性合金，再经过横向磁场热处理，形成诱导单轴各向异性，降低剩磁Br值，可以满足上述软磁性能的要求。
图1为Fe-Co-Ni三元合金系的化学组成与bcc、fcc相区域与界线，以及本发明所选择的合金成分区域示意图。
本发明的具体技术方案如下：
采用电解Fe和工业纯金属Co、Ni，商品纯Nb和稀土为原料，其纯度都大于99.0％。
这些金属原料的配比为Fe：30～50wt％，Co：20～50wt％，Ni：10～25wt％，Nb：2～5wt％，杂质C、S、P、Mn等总含量不超过0.1wt％.添加的稀土含量不超过0.2wt％。
本发明采用的工艺步骤如下：
1.将上述原料真空冶炼，真空度大于10-3mmHg柱。浇铸后经锻造、轧制成各种规格形状。
2.在真空炉内，在1100-1150℃氢气气氛下固溶热处理，100℃/小时冷至750℃附近，加快冷却速率，以250-300℃/小时的冷却速度至室温。
3.再进行磁场热处理，在合金体系的双相区，温度为600～750℃范围内保温1-2小时，使合金形成双铁磁性相。
4.在保护气氛下进行磁冷却，加横向磁场40～60KA/m，以50～100℃冷却至300℃，去磁场，冷至室温。
制造的合金样品相结构用Rigaku D/max-RC型X射线衍射仪分析。用直流磁特性测量仪测试合金的静态磁学性能，通过分析实验测得的磁化曲线及磁滞回线，得出磁性合金的饱和磁感应强度Bs、剩磁Br以及初始磁导率μi和矫顽力Hc等磁学性能参数；应变仪法测定软磁合金的饱和磁致伸缩系数λs。
采用上述工艺制造的双铁磁性软磁合金相结构与磁学性能如下：
相组成：
α相铁素体为主晶相，体积含量85～92％，其余为γ相铁磁性SW氏体。
静态磁性能为：
饱和磁感应强度 Bs＞1.8T；
剩余磁感应强度 Br接近0.25T；
矫顽力 Hc 40～80A/m
初导磁率 μi1600～2500
饱和磁致伸缩系数 λs(x10-6)-20～5
诱导各向异性系数 Ku 300～700J/m3
图2为典型的合金样品相结构X射线衍射仪分析结果。
图中，典型的合金样品成分为(Fe40Co40Ni20)0.98Nb0.02，是选择在图1阴影区内，α-γ相界线附近的合金。
图3为图2样品测试的磁滞回线。
这种双铁磁性软磁合金与已成功开发并应用的1J34或1J34KH软磁合金相比，都是Fe-Co-Ni合金系，并添加少量的Nb，但不同的是合金成分选择，1J34系合金中Ni的含量为34wt.％左右，其主晶相为fcc结构γ相，因此其饱和磁化强度相对较低，一般Bs在1.5T左右，通过横向磁场热处理虽然可以得到很低剩磁值，但其初始磁导率在1000以下，相对较低；而这种新研制的合金同时含有两种性能不同的铁磁性相，得到低剩磁的同时，饱和磁化强度与初始磁导率都较1J34为高。用这种双铁磁性相软磁合金制作螺线管电磁阀的铁芯，可以大大提高电磁阀的工作性能。
下面通过具体的实施例进一步说明本发明的效果。
将电解Fe、Co、Ni和Nb(纯度＞99.9％)等金属原料按表1配比，两种不同成分的试样各配5kg.在真空中熔炼，真空度大于10-3mmHg柱。浇铸后经锻造，经热轧冷轧，最终轧下量在80％左右，制成0.1mm的薄带，得到两种不同成分的软磁合金试样。
表1.两种不同成分合金的组分配比编号 Co(wt％) Ni(wt％) Fe(wt％) Nb(wt％) 1 43.1 15.7 39.2 2 2 39.2 19.6 39.2 2
将合金薄带分别电泳法涂层后绕制成圆环φ20/24×10×0.1mm，经过上述工艺制度热处理后，测试其相结构和磁学性能。
表2.不同组分合金试样的磁学性能合金 Bs Br Hc μi Ku λs编号 (T) (T) (A/M) (H＝4mA/m) (J/m3) (x10-6) 1 1.81 0.34 43 1624 320 -12 2 1.8 0.26 56 2185 680 3
这两种合金的化学成分都在附图1所标明的区域内，即在两相区的界线附近，合金试样采用相同的制造工艺与测试手段，合金的性能稍有不同，编号2的试样性能优越于编号1，具体表现在剩磁与初始磁导率，这是由于编号2的试样含有适量的γ相，而编号1的试样只有很少量的γ相，这与其成分偏离相界线稍远有关。
本发明在优化的工艺条件下，可以得到双铁磁性相软磁合金，具有高饱和磁通密度低剩磁等性能，能够满足高性能螺线管电磁阀铁芯的实际应用。此外这种新型软磁合金，还可应用于陀螺仪与微型电机等方面。