本發(fā)明涉及一種主要應(yīng)用于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制備方法。

背景技術(shù)：

上個(gè)世紀(jì)六七十年代以來(lái)，短短幾十年時(shí)間非晶合金產(chǎn)業(yè)得到了飛速地發(fā)展，逐漸替代了硅鋼以及部分鐵氧體在電力電子設(shè)備中的地位。迄今為止，國(guó)內(nèi)外非晶合金開發(fā)最多的是作為軟磁材料的一類。從化學(xué)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(shí)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(qiáng)(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.4-l.7T)、軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，價(jià)格便宜，最適合替代硅鋼片，作用于中低頻變壓器的鐵芯(一般在10kHz以下)。鐵鎳基非晶合金磁導(dǎo)率比較高，強(qiáng)度高，可以代替硅鋼片或者坡莫合金，用作高要求的中低頻變壓器鐵芯，但其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，同時(shí)合金成本高。

鈷基非晶合金磁性較弱(飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T以下)，但磁導(dǎo)率極高，磁致伸縮系數(shù)接近于零，而且由于合金的硬度高，耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)其制備工藝簡(jiǎn)單，高效節(jié)能，因而具有很大的研究開發(fā)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景，有望被廣泛應(yīng)用于各種電力電子、儀器儀表等設(shè)備領(lǐng)域，促進(jìn)產(chǎn)品向高效、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。

中國(guó)專利申請(qǐng)CN103310937A公開了一種高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵鈷基納米晶軟磁粉芯的制備方法。其組成滿足如下分子式：Fe_aCo_bSi_cB_dCu_eM_f，式中M為C、P、Cr或Mn，所制得的磁粉芯具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度以及較高的居里溫度，綜合軟磁性能優(yōu)異，然而磁粉芯制備工藝較復(fù)雜，且該合金損耗值較大，所制得的樣品在50Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度0.1T條件下，損耗大于400kW/m³。

中國(guó)專利申請(qǐng)101519759A公開了一種鈷基塊體非晶合金，其特征在于該合金分子簡(jiǎn)式為Co_aFe_bNb_cB_22.4Si_5.6，該系列合金具有優(yōu)異的軟磁性能、良好的機(jī)械性能和非晶形成能力。但該合金B(yǎng)元素含量較高，高達(dá)22.4個(gè)原子百分比，增加了原材料成本，同時(shí)該合金需要進(jìn)行后續(xù)去應(yīng)力退火才能表現(xiàn)出優(yōu)異的磁性能，制備過(guò)程較為復(fù)雜。

因此，為了滿足現(xiàn)代電力電子、航空航天、軍事民用等磁性器件向高效、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展需求，研究兼具低矯頑力、低損耗等優(yōu)異磁性能，同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單的鈷基非晶軟磁合金材料具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明提供了一種鈷基非晶軟磁合金材料及其制備方法。該材料具有低矯頑力、低損耗，以及高最大磁導(dǎo)率等優(yōu)異磁性能，同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單，適合推廣應(yīng)用。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)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(guān)系式：Co_aFe_bSi_cB_dM_e，式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標(biāo)a、b、c、d、e分別表示對(duì)應(yīng)合金元素的原子百分含量，并且滿足以下條件：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?jī)?yōu)選為9≤c≤14。

B的原子百分含量?jī)?yōu)選為9≤d≤14。

該合金具有低矯頑力1.0≤H_c≤1.7A/m，高磁導(dǎo)率130000≤μ_m≤160000，以及高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

該合金在50Hz頻率條件下，當(dāng)磁感B_m≤0.5T時(shí)，損耗P≤0.1W/kg，在20kHz頻率條件下，當(dāng)磁感B_m≤0.6T時(shí)，損耗P≤200W/kg。

本發(fā)明的低矯頑力低損耗鈷基非晶軟磁合金材料的制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Co_aFe_bSi_cB_dM_e進(jìn)行配料，式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標(biāo)a、b、c、d、e分別表示對(duì)應(yīng)合金元素的原子百分含量，并且滿足以下條件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100，各原料純度均大于99％；

(2)將上述合金原料放入電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內(nèi)，抽真空至低于5.0×10^-3Pa，然后充入惰性氣體至氣壓為0.03-0.07MPa，熔化后再持續(xù)熔煉1-2分鐘，隨爐冷卻至凝固，然后將其翻轉(zhuǎn)，反復(fù)熔煉3-5次，得到成分均勻的合金錠；

(3)將得到的合金錠進(jìn)行破碎，將破碎后的合金錠裝入底部留有噴嘴的石英管中，在惰性氣體保護(hù)氛圍下通過(guò)單輥快淬法制備連續(xù)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(yōu)選的條帶寬度為1-3mm，厚度為20-35μm。

所制備的非晶軟磁合金材料不需經(jīng)過(guò)熱處理，即淬態(tài)條件下即具有上述優(yōu)異的磁性能。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為：

(1)本發(fā)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≤H_c≤1.7A/m，高最大磁導(dǎo)率130000≤μ_m≤160000，同時(shí)具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

(2)本發(fā)明合金在50Hz頻率條件下，當(dāng)磁感B_m≤0.5T時(shí)，損耗P≤0.1W/kg，在20kHz頻率條件下，當(dāng)磁感B_m≤0.6T時(shí)，損耗P≤200W/kg。大大降低了能耗，具有優(yōu)異的節(jié)能減排效果。

(3)本發(fā)明合金不需進(jìn)行熱處理，即淬態(tài)條件下即具有上述優(yōu)異的磁性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中淬態(tài)Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄合金的X射線衍射圖譜；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄非晶合金的室溫磁滯回線；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄非晶合金在50Hz頻率條件下?lián)p耗隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄非晶合金在20kHz頻率條件下?lián)p耗隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中Co₇₁Fe₂Si₁₀B₁₃Mn₄非晶合金在50Hz頻率條件下?lián)p耗隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)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(guān)系式：

Co_aFe_bSi_cB_dM_e

式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標(biāo)a、b、c、d、e分別表示對(duì)應(yīng)合金元素的原子百分含量，并且滿足以下條件：60≤a≤73，0≤b≤6，5≤c≤15，5≤d≤15，0≤e≤6；a+b+c+d+e＝100。

本發(fā)明的鈷基非晶合金軟磁材料的制備方法步驟如下：

(1)配比母合金原料：將純度不低于99％的Co、Fe、Si、B、M等元素按合金組成式Co_aFe_bSi_cB_dM_e進(jìn)行配料，式中M為選自Mn、Mo、Cr和Nb中的一種或多種，下標(biāo)a、b、c、d、e分別表示對(duì)應(yīng)合金元素的原子百分含量，并且滿足以下條件：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(nèi)，抽真空至低于5.0×10^-3Pa，然后充入惰性氣體至氣壓為0.03-0.07MPa，熔化后持續(xù)熔煉1-2分鐘，隨爐冷卻至凝固，然后將其翻轉(zhuǎn)，反復(fù)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(hù)下采用單輥快淬法制得連續(xù)的非晶合金。

作為優(yōu)選步驟(3)制得的非晶合金為條帶狀，條帶寬度優(yōu)選為1-3mm，厚度優(yōu)選為20-35μm。

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中，首先將純度大于99％的鐵、鈷、硅、硼、錳原料按照合金組成關(guān)系式Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄進(jìn)行配料；然后將原料裝入電弧熔煉爐中，反復(fù)熔煉5遍得到成分均勻的合金錠；

將合金錠破碎后取適量裝于石英管中，采用單輥快淬甩帶技術(shù)，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，制得連續(xù)的合金條帶，條帶寬1.4mm，厚26μm；

將非晶合金條帶繞成內(nèi)徑8.27mm，外徑10.3mm的磁芯。

采用D8Advance型多晶X射線衍射儀測(cè)試淬態(tài)合金條帶的微觀結(jié)構(gòu)。如圖1所示為淬態(tài)Co₇₁Fe₂Si₉B₁₄Mn₄合金的X射線衍射圖譜，結(jié)果顯示，條帶衍射峰為典型的非晶漫散射峰，表明所得淬態(tài)合金條帶為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM，Lakeshore 7407)測(cè)量合金條帶的磁滯回線，采用直流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer，EXPH-100)測(cè)量合金條帶的矯頑力。測(cè)試結(jié)果如圖2所示，測(cè)得該合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的變化曲線。損耗采用交流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)測(cè)量，用于測(cè)試合金在不同磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，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(yīng)強(qiáng)度的變化曲線。損耗采用交流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)測(cè)量，用于測(cè)試合金在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度及不同頻率下的損耗?？梢钥闯龊辖鹪陬l率20kHz，磁感0.6T時(shí)，損耗為150W/kg。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中，首先將純度大于99％的鐵、鈷、硅、硼、錳原料按照合金組成關(guān)系式Co₇₁Fe₂Si₁₀B₁₃Mn₄進(jìn)行配料；然后將原料裝入電弧熔煉爐中，反復(fù)熔煉5遍得到成分均勻的合金錠；

將合金錠破碎后取適量裝于石英管中，采用單輥快淬甩帶技術(shù)，在Ar氣氛中以40m/s的速度甩帶，制得連續(xù)的非晶合金條帶，條帶寬1.6mm，厚30μm；

將非晶條帶繞成內(nèi)徑8.3mm外徑，9.9mm的磁芯。

采用D8Advance型多晶X射線衍射儀測(cè)試淬態(tài)合金條帶的微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果表明所制得的淬態(tài)合金條帶為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM，Lakeshore 7407)測(cè)量合金條帶的磁滯回線，采用直流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer，EXPH-100)測(cè)量合金條帶的矯頑力。測(cè)得該合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的變化曲線。損耗采用交流磁化特性分析儀(B-H Curve Tracer,AC BH-100k)測(cè)量，用于測(cè)試合金在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度及不同頻率下的損耗?？梢钥闯龊辖鹪陬l率50Hz，磁感0.5T時(shí)，損耗為0.09W/kg。利用該交流磁化特性分析儀測(cè)量合金在頻率20kHz，磁感0.6T時(shí)，損耗為165W/kg。