一種低矯頑力低損耗鈷基非晶軟磁合金材料及其製備方法與流程
2023-07-07 01:20:08 2
本發明涉及一種主要應用於磁性器件的非晶軟磁合金材料，尤其涉及一種具有低矯頑力、低損耗的鈷基非晶軟磁合金材料及其製備方法。
背景技術：
上個世紀六七十年代以來，短短幾十年時間非晶合金產業得到了飛速地發展，逐漸替代了矽鋼以及部分鐵氧體在電力電子設備中的地位。迄今為止，國內外非晶合金開發最多的是作為軟磁材料的一類。從化學成分上，磁性非晶合金可以劃分成以下幾大類：鐵基非晶合金：主要元素是Fe、Si、B、C、P等；鐵鎳基非晶合金：主要由Fe、Ni、Si、B、P等組成；鈷基非晶合金：主要有Co、Si、B等組成，有時為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素。鐵基非晶合金磁性強(飽和磁感應強度可達1.4-l.7T)、軟磁性能優於矽鋼片，價格便宜，最適合替代矽鋼片，作用於中低頻變壓器的鐵芯(一般在10kHz以下)。鐵鎳基非晶合金磁導率比較高，強度高，可以代替矽鋼片或者坡莫合金，用作高要求的中低頻變壓器鐵芯，但其飽和磁感應強度較低，同時合金成本高。
鈷基非晶合金磁性較弱(飽和磁感應強度一般在1T以下)，但磁導率極高，磁致伸縮係數接近於零，而且由於合金的硬度高，耐磨性好，使用壽命長，同時其製備工藝簡單，高效節能，因而具有很大的研究開發價值和廣闊的市場前景，有望被廣泛應用於各種電力電子、儀器儀表等設備領域，促進產品向高效、節能、環保方向發展。
中國專利申請CN103310937A公開了一種高飽和磁感應強度鐵鈷基納米晶軟磁粉芯的製備方法。其組成滿足如下分子式：FeaCobSicBdCueMf，式中M為C、P、Cr或Mn，所製得的磁粉芯具有較高的飽和磁感應強度以及較高的居裡溫度，綜合軟磁性能優異，然而磁粉芯製備工藝較複雜，且該合金損耗值較大，所製得的樣品在50Hz，磁感應強度0.1T條件下，損耗大於400kW/m3。
中國專利申請101519759A公開了一種鈷基塊體非晶合金，其特徵在於該合金分子簡式為CoaFebNbcB22.4Si5.6，該系列合金具有優異的軟磁性能、良好的機械性能和非晶形成能力。但該合金B元素含量較高，高達22.4個原子百分比，增加了原材料成本，同時該合金需要進行後續去應力退火才能表現出優異的磁性能，製備過程較為複雜。
因此，為了滿足現代電力電子、航空航天、軍事民用等磁性器件向高效、節能、環保方向發展需求，研究兼具低矯頑力、低損耗等優異磁性能，同時製備工藝簡單的鈷基非晶軟磁合金材料具有重要意義。
技術實現要素：
技術問題：本發明提供了一種鈷基非晶軟磁合金材料及其製備方法。該材料具有低矯頑力、低損耗，以及高最大磁導率等優異磁性能，同時製備工藝簡單，適合推廣應用。
技術方案：為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
本發明的一種低矯頑力低損耗鈷基非晶軟磁合金材料組成滿足關係式：CoaFebSicBdMe，式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標a、b、c、d、e分別表示對應合金元素的原子百分含量，並且滿足以下條件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100。
其中：
Si的原子百分含量優選為9≤c≤14。
B的原子百分含量優選為9≤d≤14。
該合金具有低矯頑力1.0≤Hc≤1.7A/m，高磁導率130000≤μm≤160000，以及高的飽和磁感應強度。
該合金在50Hz頻率條件下，當磁感Bm≤0.5T時，損耗P≤0.1W/kg，在20kHz頻率條件下，當磁感Bm≤0.6T時，損耗P≤200W/kg。
本發明的低矯頑力低損耗鈷基非晶軟磁合金材料的製備方法包括以下步驟：
(1)將合金組分中的Co、Fe、Si、B和M元素按合金組成式CoaFebSicBdMe進行配料，式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標a、b、c、d、e分別表示對應合金元素的原子百分含量，並且滿足以下條件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100，各原料純度均大於99％；
(2)將上述合金原料放入電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內，抽真空至低於5.0×10-3Pa，然後充入惰性氣體至氣壓為0.03-0.07MPa，熔化後再持續熔煉1-2分鐘，隨爐冷卻至凝固，然後將其翻轉，反覆熔煉3-5次，得到成分均勻的合金錠；
(3)將得到的合金錠進行破碎，將破碎後的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，在惰性氣體保護氛圍下通過單輥快淬法製備連續的非晶軟磁合金材料。
其中：
步驟(3)中所述的非晶軟磁合金材料為條帶狀，優選的條帶寬度為1-3mm，厚度為20-35μm。
所製備的非晶軟磁合金材料不需經過熱處理，即淬態條件下即具有上述優異的磁性能。
有益效果：與現有技術比，本發明的優點和積極效果為：
(1)本發明提供了一種鈷基非晶軟磁合金材料，該合金具有低矯頑力1.0≤Hc≤1.7A/m，高最大磁導率130000≤μm≤160000，同時具有較高的飽和磁感應強度。
(2)本發明合金在50Hz頻率條件下，當磁感Bm≤0.5T時，損耗P≤0.1W/kg，在20kHz頻率條件下，當磁感Bm≤0.6T時，損耗P≤200W/kg。大大降低了能耗，具有優異的節能減排效果。
(3)本發明合金不需進行熱處理，即淬態條件下即具有上述優異的磁性能。
附圖說明
圖1是本發明實施例1中淬態Co71Fe2Si9B14Mn4合金的X射線衍射圖譜；
圖2是本發明實施例1中Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金的室溫磁滯回線；
圖3是本發明實施例1中Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金在50Hz頻率條件下損耗隨磁感應強度的變化曲線；
圖4是本發明實施例1中Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金在20kHz頻率條件下損耗隨磁感應強度的變化曲線；
圖5是本發明實施例2中Co71Fe2Si10B13Mn4非晶合金在50Hz頻率條件下損耗隨磁感應強度的變化曲線。
具體實施方式
本發明的低矯頑力低損耗鈷基非晶軟磁合金材料，其原子組成滿足以下關係式：
CoaFebSicBdMe
式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標a、b、c、d、e分別表示對應合金元素的原子百分含量，並且滿足以下條件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100。
本發明的鈷基非晶合金軟磁材料的製備方法步驟如下：
(1)配比母合金原料：將純度不低於99％的Co、Fe、Si、B、M等元素按合金組成式CoaFebSicBdMe進行配料，式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標a、b、c、d、e分別表示對應合金元素的原子百分含量，並且滿足以下條件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100；
(2)母合金熔煉：將所述合金原料放入電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內，抽真空至低於5.0×10-3Pa，然後充入惰性氣體至氣壓為0.03-0.07MPa，熔化後持續熔煉1-2分鐘，隨爐冷卻至凝固，然後將其翻轉，反覆熔煉3-5次，得到成分均勻的合金錠；
(3)將步驟(2)得到的合金錠破碎，將破碎的合金錠取適量放入底部留有噴嘴的石英管中，在惰性氣體保護下採用單輥快淬法製得連續的非晶合金。
作為優選步驟(3)製得的非晶合金為條帶狀，條帶寬度優選為1-3mm，厚度優選為20-35μm。
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
實施例1：
本實施例中，首先將純度大於99％的鐵、鈷、矽、硼、錳原料按照合金組成關係式Co71Fe2Si9B14Mn4進行配料；然後將原料裝入電弧熔煉爐中，反覆熔煉5遍得到成分均勻的合金錠；
將合金錠破碎後取適量裝於石英管中，採用單輥快淬甩帶技術，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，製得連續的合金條帶，條帶寬1.4mm，厚26μm；
將非晶合金條帶繞成內徑8.27mm，外徑10.3mm的磁芯。
採用D8Advance型多晶X射線衍射儀測試淬態合金條帶的微觀結構。如圖1所示為淬態Co71Fe2Si9B14Mn4合金的X射線衍射圖譜，結果顯示，條帶衍射峰為典型的非晶漫散射峰，表明所得淬態合金條帶為非晶態結構。
採用振動樣品磁強計(VSM，Lakeshore 7407)測量合金條帶的磁滯回線，採用直流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer，EXPH-100)測量合金條帶的矯頑力。測試結果如圖2所示，測得該合金的飽和磁感應強度為0.93T，矯頑力為1.5A/m。
圖3所示為50Hz頻率條件下磁芯損耗隨磁感應強度的變化曲線。損耗採用交流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)測量，用於測試合金在不同磁感應強度及不同頻率下的損耗。可以看出合金在頻率50Hz，磁感0.5T時，損耗為0.05W/kg。
圖4所示為20kHz頻率條件下磁芯損耗隨磁感應強度的變化曲線。損耗採用交流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)測量，用於測試合金在不同磁感應強度及不同頻率下的損耗。可以看出合金在頻率20kHz，磁感0.6T時，損耗為150W/kg。
實施例2：
本實施例中，首先將純度大於99％的鐵、鈷、矽、硼、錳原料按照合金組成關係式Co71Fe2Si10B13Mn4進行配料；然後將原料裝入電弧熔煉爐中，反覆熔煉5遍得到成分均勻的合金錠；
將合金錠破碎後取適量裝於石英管中，採用單輥快淬甩帶技術，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，製得連續的非晶合金條帶，條帶寬1.6mm，厚30μm；
將非晶條帶繞成內徑8.3mm外徑，9.9mm的磁芯。
採用D8Advance型多晶X射線衍射儀測試淬態合金條帶的微觀結構，測試結果表明所製得的淬態合金條帶為非晶態結構。
採用振動樣品磁強計(VSM，Lakeshore 7407)測量合金條帶的磁滯回線，採用直流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer，EXPH-100)測量合金條帶的矯頑力。測得該合金的飽和磁感應強度為0.93T，矯頑力為1.2A/m。
圖5所示為50Hz頻率條件下磁芯損耗隨磁感應強度的變化曲線。損耗採用交流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)測量，用於測試合金在不同磁感應強度及不同頻率下的損耗。可以看出合金在頻率50Hz，磁感0.5T時，損耗為0.09W/kg。利用該交流磁化特性分析儀測量合金在頻率20kHz，磁感0.6T時，損耗為165W/kg。