一种具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心及制备方法，步骤包括：(1)将原料按配比混合均匀，冶炼浇铸成钢锭；原料由以下原子百分比物质组成：铁75％～80％、铜0.8％～1.2％、铌2.3％～2.8％、硅10％～15％、硼6％～8％；(2)将钢锭喷制成厚度为0.025～0.02mm的薄带，并卷成铁心；(3)将铁心进行热处理。所得到的纳米晶软磁合金铁心，具有高初始磁导率和低剩磁，抗干扰频带宽，能承受脉动干扰电流的影响，性能优良。本方法不需要将铁心进行横向热磁场处理，降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及软磁材料技术领域，尤其是一种具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心及其制备方法。

背景技术

金属及合金在从液体凝固成固体时，原子一般从液体的混乱排列转变为整齐的排列，即成为晶体。如果凝固速度非常快(如每秒钟一百万度的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固)，原子来不及排列整齐就被冻结住，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶态合金。非晶态合金具有一些独特性质，但在晶态温度以上退火就会成为晶体，而且晶粒组织粗大，这时候非晶态合金原有的软磁性会丧失。因此一般情况下非晶态合金要求在非晶状态下使用。

而八十年代末日本吉泽克仁等发现，含有铁和铌的铁基非晶态合金在晶化温度以上退火时会形成非常细小的晶粒组织，粒径仅为10～20纳米。此时材料的软磁性能不仅没有消失，反而更优良。非晶态合金经过特殊晶化退火处理而形成的晶态合金就是常称的纳米晶合金。

铁基纳米晶合金包括铁、硅、硼，还含有少量铜、铌或钼等元素。先制成非晶态带材，然后适当退火。这种软磁性能极好，几乎可以媲 美钴基非晶态合金，但材料价格便宜。

纳米晶合金软磁铁心是铁基纳米晶合金的一种深加工产品，在弱磁场中具有较高的磁导率和低矫顽力。这类产品目前广泛应用于无线电电子工业、精密仪器仪表、遥控及自动控制、能量转换和信息处理系统中。

目前，电子电力行业广泛采用变频技术。变频的结果，造成对公用电网的严重干扰，这就导致了抗电磁干扰的铁心线圈出现。由于干扰强度大，干扰频率高，所以抑制这类干扰的抗电磁干扰的铁心线圈需要在较宽的频率范围内具有较高的弹性磁导率，且直流脉动磁场强度对其影响较小。

现用于抗电磁干扰的铁心线圈材料，如日本日立金属公司的FINMET，原料采用铁73.53％、铜1％、铌1％、硅13.5％、硼9％(均为原子百分比)。将这种成分的纳米晶软磁合金薄带，卷成铁心按常规工艺处理，其剩磁B_r在0.6T以上，弹性磁导率下降3db点，在10KHz左右。将这种材料用于变频电机、电梯升降装置和逆变电源的抗电磁干扰的铁心线圈，电感插入损耗指标都达不到电磁装置的要求，因此，制成的铁心需经过横向磁场热处理才能达到要求。但是这样的热处理设备如果从国外进口，每台价格达50万美元，必将增加成本和能源的消耗。

发明内容

本发明旨在提供一种具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合 金铁心。

本发明还提供了上述纳米晶软磁合金铁心的制备方法。

一种具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心，其制备方法包括以下步骤：

(1)将原料按配比混合均匀，冶炼浇铸成钢锭；原料由以下原子百分比物质组成：

铁75％～80％、铜0.8％～1.2％、铌2.3％～2.8％、硅10％～15％、硼6％～8％；

(2)将步骤(1)得到的钢锭喷制成厚度为0.025～0.02mm的薄带，并卷成铁心；

(3)将铁心进行热处理，热处理工艺为：将铁心加热到465～475℃，保温0.5～1hr时；再加热到515～525℃，保温0.5～1hr；然后加热到555～560℃，保温0.5～1hr；停止加热，在20min～1hr内将温度降至180～220℃。

步骤(1)中，原料的配比优选为：铁77％～78％、铜0.8％～1.2％、铌2.4％～2.7％、硅11％～14％、硼6.8％～7.2％，均为原子百分比。

步骤(1)中的冶炼工艺为，将原料混匀后，在0.001atm～常压、1380～1400℃下冶炼0.5～1hr。

步骤(3)中的热处理，升温速率为1～3℃/min。热处理在0.001atm～0.1atm下进行。

用上述方法得到的纳米晶软磁合金铁心，具有高初始磁导率和低 剩磁，抗干扰频带宽，能承受脉动干扰电流的影响，性能优良。

这种制备方法，所得到的铁心不必再进行横向热磁场处理，降低了成本，并缩短制造周期。

具体实施方式

实施例1

(1)取原子百分比为铁77.54％、铜1％、铌2.46％、硅12％和硼7％等对应的原材料共100kg混匀，1380～1400℃、0.005atm下冶炼1hr，并浇铸成钢锭；

(2)按常规工艺将铁锭喷制成厚度为0.025mm的薄带，并卷绕成铁心；

(3)将铁心进行热处理，工艺为，在0.1atm下，以2℃/min的升温速率，先将铁心加热到470℃并保温0.5hr；然后加热到520℃并保温1hr；再加热到555℃并保温0.5hr；然后吹风冷却，20min内将温度冷却到200℃。即得到具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心。

实施例2

(1)取原子百分比铁76.86％、铜1％、铌2.64％、硅12.4％和硼7.1％等对应的原材料共100kg混匀，1380～1400℃、常压下冶炼1.5hr，并浇铸成钢锭；

(2)按常规工艺将钢锭喷制成厚度为0.023mm的薄带，并卷绕 成铁心；

(3)将铁心进行热处理，工艺为，在0.01atm下，以3℃/min的升温速率，先将铁心加热到470℃并保温1hr；然后加热到520℃并保温0.5hr；再加热到560℃并保温0.5hr；然后吹风冷却，40min内将温度冷却到180℃。即得到具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心。

实施例3

(1)取原子百分比铁77.76％、铜1％、铌2.54％、硅11.8％和硼6.9％等对应的原材料共100kg混匀，1380～1400℃、常压下冶炼0.5hr，并浇铸成钢锭；

(2)按常规工艺将铁锭喷制成厚度为0.02mm的薄带，并卷绕成铁心；

(3)将铁心进行热处理，工艺为，在0.1atm下，以1℃/min的升温速率，先将铁心加热到470℃并保温1hr；然后加热到520℃并保温0.5hr；再加热到560℃并保温1hr；然后用吹风冷却，30min内将温度冷却到220℃。即得到具有高初始磁导率和低剩磁的纳米晶软磁合金铁心。

所得到的产品，经过SEM电镜扫描和XRD检测，为纳米晶，且晶粒的粒径为10～20纳米。铁心的其他性能如表1。

表1

   实施例1～3>  FINMET>  初始磁导率μ_i(10⁴)>  6～10>  8～15>  居里温度T_C(℃)>  570>  570>  饱和磁感应强度Bs(mT)>  1.30～1.33>  1.20>  剩磁B_r  300～500>  ＞600>  矫顽力Hc(A/m)>  0.8～1.5>  0.3～0.8>  比铁损P_5/20K(w/kg)>  ～20>  ～20>  最大磁导率μ_m  10万～25万>  ＞35万>