高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵基非晶軟磁復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵基非晶軟磁復(fù)合材料及其制備方法。構(gòu)成非晶軟磁復(fù)合材料的合金組成以原子比表示滿足下式：Fe100-a-b-c-dREaMbPcSd，其中，0＜a≤8、10≤b≤25、0＜c≤10、0＜d≤0.5，RE為選自Y、La、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一種或多種，M為選自C、Si、B中的一種或多種。本發(fā)明所述的一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料的制備方法，工藝步驟包括：合金熔煉、霧化制粉、絕緣包覆、壓制成型和熱處理過程。該方法制備的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料具備高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，能夠應(yīng)用在大功率、高頻率的電子器件中。
【專利說明】高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵基非晶軟磁復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軟磁復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬軟磁復(fù)合材料(又名磁粉芯)具備高磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力和低鐵損的性能特點，在電子信息、電工以及中高頻領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。當(dāng)前科技的進(jìn)步急需各種高性能的電子器件，因此對磁粉芯提出了更高的要求。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，磁粉芯的成分設(shè)計和制備工藝是關(guān)鍵。
[0003]磁粉芯包含的種類很多，常見的有鐵粉芯、鐵硅磁粉芯、鐵鎳磁粉芯、鐵鎳鑰磁粉芯、鐵娃招磁粉芯等。鐵粉芯具有壓型性好、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度聞和有效磁導(dǎo)率聞的優(yōu)勢，但其電阻率低，導(dǎo)致渦流損耗過大，磁損耗偏高，高頻性能差。鐵鎳磁粉芯和鐵鎳鑰磁粉芯具備高磁導(dǎo)率，但價格昂貴。鐵硅鋁磁粉芯具有較好的綜合磁學(xué)性能，渦流損耗較低，且價格相對便宜，但直流偏置性能很差。非晶軟磁，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，矯頑力低，電阻率高，是制備高性能低損耗磁粉芯的優(yōu)良材料。
[0004]日本M.Yagi課題組采用SWAP方法制備出成分為(Fea97Cratl3) 76(Sia5Ba5)22C2的非晶粉末，粉末尺寸小于150 um。采用玻璃粉末對非晶進(jìn)行絕緣包覆，在1000-1500 MPa的條件下壓制成磁粉芯，最后進(jìn)行退火處理。在f=100 kHz, Bm=0.1 T的條件下，磁損耗為660kff/m30
[0005]中國鋼鐵研究總院X.Wang課題組采用水霧法制備出了成分為(Fe0.76Si0.09B0.10P0.05) 98C2的非晶粉末，粉末尺寸在50-150 um之間。對非晶粉末進(jìn)行無機(jī)和有機(jī)復(fù)合絕緣處理，在2000 MPa的壓制成型，制備出的磁粉芯在520°C的條件下退火處理。(Fea76Siaci9BaitlPatl5)98C2的非晶玻璃具備較高的非晶形成能力，壓制的磁粉芯在f=50kHz, Bm=0.1 T的條件下?lián)p耗為353 kW/m3。
[0006]中國發(fā)明專利號103219119 A公開了一種高磁導(dǎo)率的鐵基非晶磁粉芯。該發(fā)明采用成分為Fe-S1-B-C的非晶薄帶將其破碎成粒度小于100目的非晶粉末，通過一定的粒度配比后進(jìn)行絕緣包覆，壓力成型和熱處理過程。采用該方法制備出的磁粉芯在f=100 kHz、Bffl=0.1 T的條件下磁導(dǎo)率達(dá)到90，但損耗為470 kW/m3。本發(fā)明通過添加稀土元素，保持了較高的磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，并進(jìn)一步降低了磁損耗。其次，本發(fā)明中允許一定范圍內(nèi)的S元素存在，降低了非晶軟磁粉末的生產(chǎn)成本。
[0007]中國專利號101226803 A公開了一種鐵基非晶軟磁磁粉芯的制備方法，成分為在Fe-S1-B-C-P非晶體系的基礎(chǔ)上添加高熔點元素Mo、Nb和大原子元素Cr。該體系的材料具有較高的非晶形成能力，制備出的磁粉芯在f=100 kHz, Hm=0.1 T的條件下?lián)p耗最小值達(dá)到260 mW/cm3。但此體系的非晶磁粉芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度不高，最大只能達(dá)到1.3 T。本發(fā)明通過稀土元素的添加，在磁損耗方面保持了較低的損耗值，同時提高了非晶磁粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料的成分設(shè)計方案及其制備方法。通過添加稀土元素，進(jìn)一步提高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，使其在大功率電力電子系統(tǒng)中應(yīng)用。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其特征在于構(gòu)成非晶軟磁復(fù)合材料的合金組成以原子比表示滿足下式：

Fei00-a-b-c-dREaMbPcSd
其中，O < a ≤ 8、10 ^ b ^ 25、0 < c ≤ 10、0 < d ≤ O. 5,RE 為選自 Y、La、Eu、Gd、Dy、
Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一種或多種，M為選自C、Si、B中的一種或多種。
[0010]在一個優(yōu)選方式實施方式中，I < a < 3 ;
在一個優(yōu)選方式實施方式中，13 ^ b ^ 18 ；
在一個優(yōu)選方式實施方式中，3 c ^ 5 ；
在一個優(yōu)選方式實施方式中，O < d ^ O. 3 ；
一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料的制備方法的步驟如下：
步驟一：將工業(yè)純鐵、多晶硅、磷鐵合金、稀土 RE和合金M按照原子比進(jìn)行配料；步驟二 ：將配好的原料在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1200°C，采用水霧法制成非晶粉末，壓強(qiáng)為20 MPa，制備的非晶粉末粒度小于200 μ m ;
步驟三：將所獲得的非晶粉末進(jìn)行-400目、-300目、-200目、-100目分級處理后進(jìn)行粒度配比，混合粉末的質(zhì)量百分比含量為：-100~+200目占20%~40%，-200~+300目占25%~50%、-300目占10%~30%，其余為-400目；
步驟四：采用磷酸鈍化工藝進(jìn)行絕緣處理，磷酸的用量為磁粉重量的O. 4%，在50°C下進(jìn)行Ih的鈍化處理；
步驟五：將鈍化處理后的非晶粉末中加入二甲苯稀釋的硅樹脂中，硅樹脂的加入量為磁粉質(zhì)量的2%，再加入磁粉質(zhì)量的O. 25%的硬脂酸鋅，在1500-2100 MPa的壓強(qiáng)下壓制成環(huán)形鐵基非晶軟磁復(fù)合材料；
步驟六：將壓制好的環(huán)形鐵基非晶軟磁復(fù)合材料在真空退火爐中400-450°C保溫O. 5-2 ho
[0011]本發(fā)明具有以下效果：
一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度相對于現(xiàn)有非晶軟磁復(fù)合材料提高，能夠應(yīng)用于大功率器件中。同時，電阻率進(jìn)一步提高，渦流損耗下降，能夠應(yīng)用在較高頻率范圍。本發(fā)明的非晶鐵基合金組成中，Si、B、P、C是非晶形成元素,元素Si和B通過與Fe作用，顯著降低合金熔點，擴(kuò)大固液相線溫度區(qū)域，提高合金的自熔性。Si元素能夠提高非晶態(tài)的熱穩(wěn)定性。P元素的作用是在降低非晶相上生成的α -Fe相的尺寸，同時能夠提高非晶形成能力。添加稀土元素，一方面可以提高玻璃相的非晶形成能力和熱穩(wěn)定性，另一方面大部分稀土原子具有磁矩，可以一定程度提高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。以Y元素為例，根據(jù)Inoune提出的非晶形成三條經(jīng)驗準(zhǔn)則，從元素的原子尺寸差角度，Y和Fe、Si、B原子半徑差分別為47%、56%、102%，Y原子的添加使得元素半徑分布均勻而合理；從混合焓的角度，Y-Fe、Y-Si、Y-B分別為-I kJ/mol、-73 kj/mol、-50 kj/mol，說明Y元素和Fe、Si、B之間存在著強(qiáng)作用力，Y元素添加能夠增加過冷液體的拓?fù)浠瘜W(xué)短程序和隨機(jī)堆積密度，從而降低原子的擴(kuò)散能力，初晶化相的析出和生成過程得到抑制，非晶穩(wěn)定性增強(qiáng)。通過單獨添加一種稀土元素，或者同時添加兩種或多種稀土元素，不僅提高磁芯的非晶形成能力，同時保持較好的軟磁性能。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明涉及一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，構(gòu)成非晶軟磁復(fù)合材料的合金組成以原子比表示滿足下式：

Fei00-a-b-c-dREaMbPcSd
其中，O < a ≤ 8、10 ≤ b ≤25、0 < c ≤ 10、0 < d ≤ O. 5,RE 為選自 Y、La、Eu、Gd、Dy、
Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一種或多種，M為選自C、Si、B中的一種或多種。
[0013]在一個優(yōu)選方式實施方式中，I≤a ≤ 3 ;
在一個優(yōu)選方式實施方式中，13 ≤ b ≤ 18 ；
在一個優(yōu)選方式實施方式中，3 ≤c ≤ 5 ；
在一個優(yōu)選方式實施方式中，O < d ≤ O. 3 ；
一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料的制備方法的步驟如下：
步驟一：將工業(yè)純鐵、多晶硅、磷鐵合金、稀土 RE和合金M按照原子比進(jìn)行配料；步驟二 ：將配好的原料在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1200°C，采用水霧法制成非晶粉末，壓強(qiáng)為20 MPa，制備的非晶粉末粒度小于200 μ m ;
步驟三：將所獲得的非晶粉末進(jìn)行-400目、-300目、-200目、-100目分級處理后進(jìn)行粒度配比，混合粉末的質(zhì)量百分比含量為：-100~+200目占20%~40%，-200~+300目占25%~50%、-300目占10%~30%，其余為-400目；
步驟四：采用磷酸鈍化工藝進(jìn)行絕緣處理，磷酸的用量為磁粉重量的O. 4%，在50°C下進(jìn)行Ih的鈍化處理；
步驟五：將鈍化處理后的非晶粉末中加入二甲苯稀釋的硅樹脂中，硅樹脂的加入量為磁粉質(zhì)量的2%，再加入磁粉質(zhì)量的O. 25%的硬脂酸鋅，在1500-2100 MPa的壓強(qiáng)下壓制成環(huán)形鐵基非晶軟磁復(fù)合材料；
步驟六：將壓制好的環(huán)形鐵基非晶軟磁復(fù)合材料在真空退火爐中400-450°C保溫O. 5-2 ho
[0014]實施例1 :
將Fe、Y、P、Si、B、C和S按照Fe75Y1P5^Si5B12C1Sa2原子比進(jìn)行配料。將配好的原料裝入真空熔煉爐的坩堝，在氬氣的環(huán)境下進(jìn)行熔煉。采用水霧法將母合金粉碎成尺寸小于200Pm的非晶粉末，水壓為20 MPa。對非晶粉末進(jìn)行粒度配比，混合粉末的質(zhì)量百分比含量為：-100~+200目占40%，-200~+300目占30%、-300目占20%，-400目占10%?；旌戏蔷Х勰┎捎昧姿徕g化，磷酸的用量為磁粉質(zhì)量的O. 4%，在50°C下進(jìn)行I h的鈍化處理。鈍化處理后的粉末中加入二甲苯稀釋的硅樹脂，硅樹脂的加入量為磁粉質(zhì)量的2%，再加入磁粉質(zhì)量O. 25%的硬脂酸鋅，在2100 MPa的壓強(qiáng)下壓制成環(huán)形，并在真空退火爐中450°C保溫
O.5 h，得到鐵基非晶軟磁復(fù)合材料。磁導(dǎo)率和損耗在f=100 kHz, B=O. I T的條件下測得。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其特征在于構(gòu)成非晶軟磁復(fù)合材料的合金組成以原子比表示滿足下式:

Fe10-a-b-c-dREaMbPcSd
其中，O < a ≤ 8、10 ≤ b≤ 25、0 < c ≤ 10、0 < d ≤ 0.5,RE 為選自 Y、La、Eu、Gd、Dy、 Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一種或多種，M為選自C、S1、B中的一種或多種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其特征在于所述的I≤ a ≤3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其特征在于所述的13≤ b ≤ 18。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其特征在于所述的3≤ c ≤ 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其特征在于所述的O< d ≤0.3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料，其中M為選自C、S1、B中的兩種或二種。
7.—種如權(quán)利要求1所述的鐵基非晶軟磁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于它的步驟如下: 步驟一:將工業(yè)純鐵、多晶硅、磷鐵合金、稀土 RE和合金M按照原子比進(jìn)行配料； 步驟二:將配好的原料在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為1200°C，采用水霧法制成非晶粉末，壓強(qiáng)為20 MPa，制備的非晶粉末粒度小于200 μ m ; 步驟三:將所獲得的非晶粉末進(jìn)行-400目、-300目、-200目、-100目分級處理后進(jìn)行粒度配比，混合粉末的質(zhì)量百分比含量為:-100~+200目占20%~40%，-200~+300目占25%~50%、-300目占10%~30%，其余為-400目； 步驟四:采用磷酸鈍化工藝進(jìn)行絕緣處理，磷酸的用量為磁粉重量的0.4%，在50°C下進(jìn)行Ih的鈍化處理； 步驟五:將鈍化處理后的非晶粉末中加入二甲苯稀釋的硅樹脂中，硅樹脂的加入量為磁粉質(zhì)量的2%，再加入磁粉質(zhì)量的0.25%的硬脂酸鋅，在1500-2100 MPa的壓強(qiáng)下壓制成環(huán)形鐵基非晶軟磁復(fù)合材料； 步驟六:將壓制好的環(huán)形鐵基非晶軟磁復(fù)合材料在真空退火爐中400-450°C保溫.0.5-2 ho
【文檔編號】H01F1/153GK104036904SQ201410229919
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】嚴(yán)密, 唐星, 吳琛, 張念偉, 王新華, 羅偉 申請人:浙江大學(xué)