具有优良磁性能的FETBBSI系非晶合金及其制备方法.pdf

本发明公开了一种具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金及其制备方法。该系非晶合金的化学分子式为Fe100-x-y-zTbxBySiz，其中x、y和z分别为Tb元素、B元素和Si元素的原子百分数，100-x-y-z为Fe元素的原子百分数，1≤x≤25，20≤y≤25，0≤z≤10。该合金的制备方法如下：将工业纯金属原料以及FeB合金按合金配方配料，采用磁悬浮感应熔炼成母合金，然后用单辊甩带法制得非晶薄带。本发明铁基非晶合金具有高的磁致伸缩系数，软磁性能优良，同时成分简单，并拥有良好非晶形成能力。本发明的FeTbBSi系非晶合金可以广泛应用于结构材料和软磁材料等方面。

1.  一种具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金，其特征在于：其化学分子式为Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z，其中x、y和z分别为Tb元素、B元素和Si元素的原子百分数，100-x-y-z为Fe元素的原子百分数，1≤x≤25，20≤y≤25，0≤z≤10。

2.  根据权利要求1所述的一种具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金，其特征在于：所述的具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金的组成元素Fe、Tb、B或Si的原料纯度是99.5％～99.9％。

3.  一种如权利要求1所述的具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将工业纯金属原料Fe、Tb、Si和FeB合金，按Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z非晶合金成分以原子百分含量称量配料，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼5～8次以获得成分均匀的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z母合金锭子；
步骤二：把步骤一获得的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金，并置于酒精中超声波清洗；
步骤三：用步骤二得到的小块Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金装入下端开口且尺寸为(0.3～0.7)mm×5.0mm矩形口的石英管中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，在甩带炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为10～25A，感应温度为1000～1600℃，熔炼2～3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金薄带；
步骤四：将获得的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至773～853K，升温速率为5～10℃/min，保温5～30min，随炉冷却。

4.  根据权利要求3所述的一种具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金的制备方法，其特征在于：所述的铜辊线速度为25～40m/s，腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.05～0.10MPa。

具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及非晶态磁性材料领域，尤其涉及一种具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金及其制备方法。
背景技术
凝聚态物质大致分为三类：晶态物质、准晶态物质和非晶态物质。不同于传统晶态材料，非晶态合金具有原子排列长程无序、短程有序的特殊微观结构，具有优越的物理、力学、化学及磁学性能，因而拥有广泛的应用前景。1960年，美国加州理工学院的Duwez教授首次采用熔体快淬法制备Au-Si非晶合金条带，使人工合成玻璃的范围扩大到了金属体系。1969年陈鹤寿等采用快冷连铸轧辊法(冷却速度>10⁵K/s)制备了厚30μm、宽几毫米、长几十米的连续非晶薄带，为非晶合金的大规模生产奠定了基础。经过近几十年来长期不懈的努力，国内外科研工作者现已开发制备出Fe基、Ni基、Zr基、Cu基、Mg基、Co基、Ti基、稀土基等块体非晶合金体系。其中Fe基非晶合金因其独特的磁性能、较高的断裂强度、优异的腐蚀性能和相对低廉的价格而特别受到关注。
然而，作为一种潜在的功能材料，现有已开发的Fe基非晶合金体系多数不具备优良的软磁性能，因此，开发和研制一种兼具优良磁性能和强非晶形成能力的Fe基非晶合金体系具有重要的工业应用价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术手段来实现的。
具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金的化学分子式为Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z，其中x、y和z分别为Tb元素、B元素和Si元素的原子百分数，100-x-y-z为Fe元素的原子百分数，1≤x≤25，20≤y≤25，0≤z≤10。
所述的具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金的组成元素Fe、Tb、B或Si的原料纯度是99.5％～99.9％。
具有优良磁性能的FeTbBSi系非晶合金的制备方法包括如下步骤：
步骤一：将工业纯金属原料Fe、Tb、Si和FeB合金，按Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z非晶合金成分以原子百分含量称量配料，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼5～8次以获得成分均匀的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z母合金锭子；
步骤二：把步骤一获得的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金，并置于酒精中超声波清洗；
步骤三：用步骤二得到的小块Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金装入下端开口且尺寸为(0.3～0.7)mm×5.0mm矩形口的石英管中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，在甩带炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为10～25A，感应温度为1000～1600℃，熔炼2～3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金薄带；
步骤四：将获得的Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至773～853K，升温速率为5～10℃/min，保温5～30min，随炉冷却。
所述的铜辊线速度为25～40m/s，腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.05～0.10MPa。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：1)特殊的合金配方；2)使用简单的制备方法，得到具有优良软磁性能，且热稳定性高的四元铁基非晶合金，可以广泛用于信息、通讯、计算机等领域的磁性器件，是一种具有应用前景的功能材料。
附图说明
图1是本发明实施例1、2、3制备的Fe-Tb-B-Si系非晶合金薄带的XRD图；
图2是按照实施例3制备的非晶合金薄带的磁滞回线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-40μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅非晶合金薄带。
步骤1：按原子百分比Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Tb，纯度为99.9％的Si以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼5次以获得成分均匀的Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅母合金。
步骤2：把步骤1获得的Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。
步骤3：用步骤2得到的Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.4mm矩形口的石英管中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为25A，感应温度为1600℃，熔炼2min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度25m/s，腔体气压0.05MPa，喷射压力差0.10MPa。
步骤4：将获得的Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至773K，升温速率为5℃/min，保温10min，随炉冷却。
按上述工艺制得的Fe₅₀Tb₂₅B₂₀Si₅合金条带经X射线衍射验证是非晶，图1为合金的XRD图谱，图中所见为典型的非晶漫射峰，没有晶化峰的存在。该合金的过冷液相区ΔT_x＝29K，具有较好的玻璃形成能力，且具有良好的软磁性能，饱和磁化强度M_s＝0.82T，矫顽力H_ci＝45A/m，同时具有高达173ppm的磁致伸缩系数。
实施例2：
该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-40μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅非晶合金薄带。
步骤1：按原子百分比Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Tb，纯度为99.9％的Si以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼7次以获得成分均匀的Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅母合金。
步骤2：把步骤1获得的Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。
步骤3：用步骤2得到的Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.3mm矩形口的石英管中，抽取真空至3.8×10^-3Pa后，在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为18A，感应温度为1320℃，熔炼2min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度30m/s，腔体气压0.05MPa，喷射压力差0.08MPa。
步骤4：将获得的Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至780K，升温速率为8℃/min，保温15min，随炉冷却。
按上述工艺制得的Fe₆₃Tb₁₂B₂₀Si₅合金条带经X射线衍射验证是非晶，图1为合金的XRD图谱，图中所见为典型的非晶漫射峰，没有晶化峰的存在。该合金的过冷液相区ΔT_x＝32K，具有较好的玻璃形成能力，且具有良好的软磁性能，饱和磁化强度M_s＝0.85T，矫顽力H_ci＝41A/m，同时具有高达192ppm的磁致伸缩系数。
实施例3：
该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-40μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅非晶合金薄带。
步骤1：按原子百分比Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Tb，纯度为99.9％的Si以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼6次以获得成分均匀的Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅母合金。
步骤2：把步骤1获得的Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。
步骤3：用步骤2得到的Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.7mm矩形口的石英管中，抽取真空至优于3.9×10^-3Pa后，在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为10A，感应温度为1000℃，熔炼3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度35m/s，腔体气压0.05MPa，喷射压力差0.08MPa。
步骤4：将获得的Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至800K，升温速率为10℃/min，保温20min，随炉冷却。
按上述工艺制得的Fe₇₀Tb₅B₂₀Si₅合金条带经X射线衍射验证是非晶，图1为合金的XRD图谱，图中所见为典型的非晶漫射峰，没有晶化峰的存在。该合金的过冷液相区ΔT_x＝37K，具有较好的玻璃形成能力，且具有良好的软磁性能，饱和磁化强度M_s＝0.90T，矫顽力H_ci＝34A/m，同时具有高达236ppm的磁致伸缩系数。
实施例4：
该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-40μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅非晶合金薄带。
步骤1：按原子百分比Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Tb，纯度为99.9％的Si以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼8次以获得成分均匀的Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅母合金。
步骤2：把步骤1获得的Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。
步骤3：用步骤2得到的Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.4mm矩形口的石英管中，抽取真空至优于3.6×10^-3Pa后，在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为14A，感应温度为1220℃，熔炼3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度40m/s，腔体气压0.05MPa，喷射压力差0.05MPa。
步骤4：将获得的Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至853K，升温速率为10℃/min，保温30min，随炉冷却。
按上述工艺制得的Fe₇₂Tb₃B₂₀Si₅合金条带经X射线衍射验证是非晶，图1为合金的XRD图谱，图中所见为典型的非晶漫射峰，没有晶化峰的存在。该合金的过冷液相区ΔT_x＝41K，具有较好的玻璃形成能力，且具有良好的软磁性能，饱和磁化强度M_s＝0.96T，矫顽力H_ci＝23A/m，同时具有高达220ppm的磁致伸缩系数。
上述实施例获得的非晶合金薄带的各项性能如表1总结所示。
表1 Fe_100-x-y-zTb_xB_ySi_z系非晶合金薄带的性能