一种块体非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法.pdf

本发明为一种块体非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法。该软磁合金为：Fe－Zr－Nb系合金。其制备方法是，先在真空中频感应炉中冶炼母合金，再用单辊急冷甩带机制备非晶带，然后低温球磨制得非金粉末，最后在非晶粉末过冷区温度范围内进行高压快速烧结而成。本发明方法的特点是工艺简单、成本低、易于实现工业化，所制得产品具有高的饱和磁感应强度，可用于电机磁芯、配电变压器、大功率开关电源等国防和民用产品中。

1、  一种块状非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法，其特征在于具体步骤如下：首先在真空中频感应炉中冶炼母合金，再用单辊急冷甩带机制备非晶带；用球磨机对所得的非晶带在Ar气保护下进行-100-0℃低温球磨制备非晶粉末；最后在非晶粉末过冷区温度范围内、3.5-5.5Gpa烧结压力下进行高压快速烧结。

2、  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所说复合软磁合金为Fe-Zr-Nb系软磁合金，各组份的质量配比如下：
Fe：83.5-89％，
Zr：3-7％，
Nb：3-7％，
B：3-9％，
Cu：0-1％，
X：0-5％，
总量满足100％，这里X为Si、Al、V、Mo、W之一种或几种。

3、  根据权利要求1述的制备方法，其特征在于所说在真空中频感应炉中冶炼母合金，是先冶炼Fe、Zr、Nb金属锭，熔化至1000℃±100℃，加入其余元素，浇注制得母合金。

4、  根据权利要求1述的制备方法，其特征在于所述在单辊急冷甩带机中制备非晶带，是在Ar气体保护下熔融母合金，喷射成非晶带，其压力为450-550MPa，铜辊线速度为40-70m/s。

5、  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述低温球磨制备非晶粉末，其转速为250-540转/min，球料比为10-30，球磨时间为10-30小时。

6、  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述高压烧结的温度为350-550℃，烧结时间为3-10min，保压时间为3min。

7、  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还进一步进行热处理，Ar气体保护，温度为250-400℃，时间为0.5-1小时。

一种块体非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法
技术领域
发明属于磁性材料技术领域。特别涉及一种块体非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法。
背景技术
为适应电机的小型化、高性能化要求，迫切需要开发出具有高饱和磁感应强度的磁芯材料。对于特殊电机来说，要求其磁路具有特殊的空间分布，因而通常磁芯材料要为块体，且形状复杂。然而，目前实际应用的非晶纳米晶软磁合金通常是由熔体快淬+非晶晶化过程获得的，其形状与尺寸受到极大的限制，仅能提供薄带、粉末、细丝等形状，不能满足工程应用地需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高饱和磁感应强度和较低生产成本的块状非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法。
本发明提出的块状非晶纳米晶双相复合软磁合金的制备方法，具体步骤如下：首先在真空中频感应炉中冶炼母合金，再用单辊急冷甩带机制备非晶带；用球磨机对所得的非晶带在Ar气保护下进行-100-0℃低温球磨制备非晶粉末；最后在非晶粉末过冷区温度范围内3.5-5.5Gpa烧结压力下进行高压快速烧结，制备得到大块非晶纳米晶双相复合软磁合金。
本发明制备的块体非晶纳米晶双相复合软磁合金为Fe-Zr-Nb系软磁合金，其组份按重量的配比如下：
Fe：83.5-89％，Zr：3-7％，Nb：3-7％，B：3-9％，Cu：0-1％，X：0-5％，总量满足100％，X是强化元素，为Si、Al、V、Mo、W之一种或几种。
上述方法中，冻炼母合金时，利用真空中频感应炉先冶炼Fe、Zr、Nb金属锭，熔化至1000℃±100℃，再加入其余元素(如B、Si、Al、Cu等)，浇注制得母合金锭。用单辊急冷甩带机制备非晶带，是在Ar气体保护下熔融母合金后，喷射成非晶带，压力为450-550Pa，铜辊线速度40～70m/s，石英喷嘴宽度30mm。低温球磨机球磨非晶带制得非晶粉末，其温度为一100℃～0℃，转速为250～540r/min，球料比为10～30，球磨时间为10～30h。高压快速烧结制得块体非晶纳米晶双相复合软磁合金，其烧结温度为350℃～550℃，烧结压力为3.5～5.5GPa，烧结时间为3～10min，保压时间3min。最后一般还要进行热处理，Ar气保护，温度250℃～400℃，时间0.5～1h。
由于在球磨过程中会产生热量，导致非晶粉末发生晶化，因此球磨过程一定要在低温下进行，本发明在球磨的温度范围为-100℃～0℃，并据此选择球磨工艺为转速250～540r/min，球料比10～30，球磨时间10～30h。过高的转速、球料比、球磨时间，会导致非晶的晶化；过低的转速、球料比、球磨时间，难以使非晶带破碎成细小的非晶粉末。在非晶粉末过冷区范围内，非晶粉末具有超塑性，可以进行超塑性成形制备各种不同尺寸和形状的样品。在常压烧结过程中，由于压坯中存在较大的微孔，这些较大的微孔需要更高的烧结温度或更长的烧结时间才能实现微孔的闭合，导致小的烧结致密化速率。高的烧结温度或更长的烧结时间会导致非晶粉末的晶化，晶粒长大趋势明显，难以获得大块非晶纳米晶双相复合材料。高的烧结压力能有效的消除大尺寸的气孔，从而明显提高烧结致密化速率。高的烧结压力还能大幅度降低粉末表面活化能，促进颗粒界面原子的扩散过程，使烧结时间大大减少。对于非晶粉末来说，除了上述作用效果外，高的烧结压力能导致非晶晶化过程中形核势垒的降低，提高晶化形核速率，明显增加合金化元素如Nb、Zr等在Fe基体中的扩散激活能。结果导致非晶粉末烧结过程中的形核速率明显提高，抑制晶粒的长大速率，形成纳米晶粒，与常压烧结条件相比，更容易获得非晶纳米晶双相复合的微观组织。由于在球磨和压力烧结过程中会引入应力，导致磁性能的下降，需要对烧结好的块体合金进行热处理以消除残余应力和调整微观组织结构。
本发明的新型大块Fe-Zr-Nb系非晶纳米晶双相复合软磁合金突破了原有纳米晶软磁合金在尺寸和形状上的限制，具有高的饱和磁感应强度，可用于国防和民用产品如：电机磁芯、配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯等等。本发明的制备工艺具有简单、成本低、易于实现工业化等特点，具有广阔的研究和市场应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1：大块非晶纳米晶双相复合Fe_85.4Zr_3.3Nb_3.3B₃Si₃Al₁Cu₁软磁合金及其制备。大块合金的制备工艺如前所述。真空冶炼时，真空度为6×10^-3Pa，非晶带制备中，保护气体为Ar，铜辊线速度为50m/s，得到的非晶薄带厚为14微米，宽20毫米。用行星式低温球磨机将非晶带破碎成粒径约15微米的非晶粉末，球磨温度为-30℃，转速为400r/min，球料比为10，球磨时间15h。高压烧结温度为450℃，烧结压力5.5GPa，烧结时间3min。获得的块体非晶纳米晶双相复合合金的尺寸为Φ25×10mm、相对密度为98.3％、平均纳米晶粒尺寸为16.3nm，饱和磁化强度Ms为1.45T。
实施例2：大块非晶纳米晶双相复合Fe₈₆Zr₅Nb₆B₃软磁合金及其制备。大块合金的制备工艺如前所述。真空冶炼时，真空度为6×10^-3Pa，非晶带制备中，保护气体为Ar，铜辊线速度为70m/s，得到的非晶薄带厚为11微米，宽10毫米。用行星式低温球磨机将非晶带破碎成粒径约12微米的非晶粉末，球磨温度为-100℃，转速为500r/min，球料比为15，球磨时间20h。高压烧结温度为350℃，烧结压力3.5GPa，烧结时间5min。获得的块体非晶纳米晶双相复合合金的尺寸为Φ25×10mm、相对密度为98.7％、平均纳米晶粒尺寸为12.5nm，饱和磁化强度Ms为1.50T。
实施例3：大块非晶纳米晶双相复合Fe₈₆Zr_5.5Nb_5.5B₃软磁合金及其制备。大块合金的制备工艺如前所述。真空冶炼时，真空度为6×10^-3Pa，非晶带制备中，保护气体为Ar，铜辊线速度为60m/s，得到的非晶薄带厚为10微米，宽10毫米。用行星式低温球磨机将非晶带破碎成粒径约10微米的非晶粉末，球磨温度为-5℃，转速为450r/min，球料比为20，球磨时间10h。高压烧结温度为480℃，烧结压力5.5GPa，烧结时间3min。获得的块体非晶纳米晶双相复合合金的尺寸为Φ25×10mm、相对密度为99.1％、平均纳米晶粒尺寸为17.5nm，饱和磁化强度Ms为1.15T。