一种低成本、高软磁性能的铁基纳米晶软磁合金 【技术领域】
本发明属于功能材料中软磁合金的制备领域。特别适合于制备低成本、高饱和磁感应强度、低损耗等综合性能优异的新型铁基纳米晶软磁合金材料。
背景技术
目前软磁材料中硅钢片具有最高的饱和磁感应强度，可达2.0T，因此广泛应用于电力变压器、互感器等领域。但是，硅钢片的矫顽力和损耗相对较大，因此从节能减排和保护环境的角度，应该开发新一代低损耗高磁性能的软磁材料。铁基非晶、纳米晶软磁合金由于具有较低的损耗被认为是取代硅钢片用于电力变压器的理想材料。自上世纪八十和九十年代以来，先后出现了Fe-Si-B、Fe-Cu-M-Si-B(M＝Nb，Cr，V，Mo，Zr，W)、Fe-M-B(M＝Nb，Hf，Zr)、(Fe，Co)-M-B-Cu(M＝Nb，Hf，Zr)等一系列铁基非晶、纳米晶软磁合金。但是这些铁基非晶、纳米晶软磁材料中含有较多贵重元素如B、Nb、Hf、Zr等使得材料的成本大大提高，而且这些元素含量的升高会使得Fe元素的含量相对降低，这就导致了合金的饱和磁感应强度相对较低，所以用它们制作成的电力变压器体积较大。因此，开发出低成本、高饱和磁感应强度(高于传统铁基非晶、纳米晶软磁合金)、低损耗(低于硅钢片)等综合性能优异的新型铁基纳米晶软磁合金，具有重要的实际应用价值。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种铁基纳米晶软磁合金，该合金具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗，同时价格低廉等优点。
根据本发明的目的，我们所设计的铁基纳米晶软磁合金材料的具体化学成分用原子％表示为：Si：6～9％；B：4～7％；P：3～6％；Cu：0.5～1.5％；Nb：0.05～0.15％；剩余为Fe。
本发明纳米晶合金材料的制备方法与现有纳米晶合金的制备技术相似。首先按照本发明合金成分进行配料并熔炼成均匀的母合金，然后将母合金加热到高温熔融状态通过喷嘴，喷射到高速旋转的铜辊上进行快速冷却，制备成厚度为20～30μm的非晶薄带，最后将所得非晶薄带进行退火得到综合磁性能优异的纳米晶软磁合金：饱和磁感应强度Bs＝1.82～1.94T，矫顽力Hc＜8A/m，损耗P15/50(B＝1.5Tf＝50Hz)＜0.25W/kg，饱和磁感应强度与传统铁基非晶、纳米晶软磁合金相比提高了20％～50％，接近于取向硅钢片的饱和磁感应强度，而损耗只有取向硅钢片的1/3左右。
传统的铁基非晶、纳米晶软磁合金含有较多贵重元素，如典型的非晶软磁合金Metglas中含有13％(原子％)左右的贵重元素B，典型的纳米晶软磁合金Finemet中含有9％(原子％)左右的贵重元素B和3％(原子％)左右的贵重元素Nb，因此这些合金的成本较高，同时这些贵重元素含量的升高将直接导致Fe元素的含量降低，从而降低了合金的软磁性能。鉴于此，本发明铁基纳米晶软磁合金大大降低了贵重元素Nb的用量，同时用廉价的P元素部分取代贵重的B元素来降低合金的成本，而且利用P与Cu的共同作用使得淬态合金退火后得到细小的弥散分布的纳米晶，从而得到了具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗等优异磁性能的铁基纳米晶软磁合金材料。
采用本发明铁基纳米晶软磁合金材料与现有技术的软磁合金相比较，具有成分设计简单、经济、材料综合性能好的优点，可取代硅钢片和现有的铁基非晶、纳米晶软磁合金广泛应用于电力变压器、互感器等领域。
说明书附图
附图1为本发明具体实施方式中序号2实施例(Fe83.45Si6B6.5P3Cu1Nb0.05)与序号6对比例(现有典型铁基非晶软磁合金Metglas)、序号7对比例(现有典型铁基纳米晶软磁合金Finemet)、序号8对比例(取向硅钢片)三者磁滞回线的比较。
附图2为本发明具体实施方式中序号3实施例(Fe82.1Si7B7P3Cu0.8Nb0.1)与序号6对比例(现有典型铁基非晶软磁合金Metglas)、序号8对比例(取向硅钢片)三者在f＝50Hz时的铁芯损耗随磁感应强度变化曲线，三者均为环形铁芯。注：序号7对比例(典型铁基纳米晶软磁合金Finemet)由于Bs较小，因此在所讨论的工作磁感应强度范围内(1.0T-1.8T)不具有可比性。
【具体实施方式】
下面通过几组实施例和对比例来对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅仅限于这些实施例。
根据本发明铁基纳米晶软磁合金的成分范围，我们制备了5组本发明实施例，同时我们也例举了3组现有的典型软磁合金作为对比例，具体成分对比的结果列入表1中。表中，序号1～5为本发明成分的铁基纳米晶软磁合金实施例，序号6为典型的铁基非晶软磁合金(Metglas)，序号7为典型的铁基纳米软磁合金(Finemet)，序号8为取向硅钢片。
实施例的制备与现有地铁基纳米晶软磁软磁合金的制备技术相似即采用单辊熔体旋淬法。首先按照本发明合金成分进行配料并用真空感应熔炼炉熔炼成均匀的母合金，然后将母合金加热到高温熔融状态通过喷嘴，喷射到辊面线速度为40m/s的铜辊上进行快速冷却，得到厚度为20μm宽度为5cm的非晶薄带，最后将非晶态合金薄带卷绕成外径20mm内径15mm的环形样品，经过450℃～500℃，10min～30min的真空退火得到本发明铁基纳米晶软磁合金。采用振动样品磁强计VSM测量饱和磁感应强度Bs，采用直流B-H回线仪测量Hc，采用交流B-H分析仪测量损耗P15/50，本发明实施例和对比例的磁性能对比列于表2中。
从表1可以观察到：本发明铁基纳米晶软磁合金与传统铁基非晶(Metglas)、纳米晶软磁合金(Finemet)相比，贵重元素B和Nb的含量大大降低，因此本发明合金成分有着相对低廉的成本优势。
从表2可以观察到：本发明铁基纳米晶软磁合金与传统铁基非晶(Metglas)、纳米晶软磁合金(Finemet)相比，饱和磁感应强度提高了20％～50％，接近于取向硅钢片的饱和磁感应强度，而损耗只有取向硅钢片的1/3左右，因此有着优异的综合软磁性能。
由此可见，本发明铁基纳米晶软磁合金具有低成本、高饱和磁感应强度(高于传统铁基非晶、纳米晶软磁合金，接近硅钢片)、低损耗(低于硅钢片)等优点，具有重要的实际应用价值。
表1本发明实施例与现有典型软磁合金的成分比较(原子％)
表2本发明实施例与现有典型软磁合金的磁性能比较