[發明專利]一種提高非晶態鐵硅硼合金薄帶中鐵含量的工藝方法

有效

• 申請號: 201710374523.6
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107326158B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 王巖國
• 申請（專利權）人: 南京騰元軟磁有限公司;中兆培基南京新材料技術研究院有限公司;江蘇非晶電氣有限公司
• 主分類號: C21D6/00
• 分類號: C21D6/00;C21D11/00;C22C33/00;C22C45/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 吳樹山

本發明涉及一種提高非晶態鐵硅硼合金薄帶中鐵含量的工藝方法,其特征在于，包括：步驟1，計算鐵硅硼合金熔體中非金屬原子團簇分解的溫度；步驟2，計算鐵硅硼合金熔體中鐵原子與非金屬元素之間形成以第一近鄰關系為主的溫度；步驟3，設定鐵硅硼合金熔體的加熱處理溫度并將鐵硅硼合金加熱至鐵原子與硅原子和硼原子形成強第一近鄰關系的溫度：步驟4，將加熱處理的合金熔體迅速降溫至設定的澆注溫度并快速凝固得到非晶態固體合金薄帶。本發明能夠通過調控非晶態鐵硅硼合金的微結構來達到提高非晶態鐵硅硼合金薄帶中鐵含量的目的，以提高非晶態鐵硅硼合金薄帶的飽和磁感應強度。

技術領域

本發明屬于金屬功能材料制備技術領域，特別是涉及一種提高非晶態鐵硅硼合金薄帶中鐵含量的工藝方法。

背景技術

鐵基非晶合金具有電阻率、磁導率高和低損耗的特征，是一種性能優異的軟磁合金材料，被廣泛應用于輸配電、電子信息、新型電機等領域。與傳統的硅鋼變壓器相比，鐵基非晶合金制造的變壓器可降低60～80％的空載損耗，是節能減排的重要基礎材料之一。鐵基非晶合金的制備需要加入一定數量的硅、硼等非金屬元素來控制合金熔體凝固過程中形成非晶態結構，加入的非金屬元素數量越多，鐵基合金熔體的非晶形成能力就越強。鐵基非晶合金中非金屬元素的含量使得典型的鐵基非晶合金(Fe-Si-B)中鐵的原子百分比含量均小于80％，已知鐵含量最高的Fe-Si-B非晶合金的成份是Fe₇₉Si₁₃B₈，鐵含量遠低于硅鋼中的鐵含量(原子百分比可達95％以上)。由于非金屬元素只是對固體合金形成非晶態結構起關鍵作用，對合金的磁性能沒有貢獻，所以鐵基非晶合金的飽和磁感應強度只與鐵的含量成正比，鐵基非晶合金的非金屬元素含量越高，鐵的含量就越低，鐵基非晶合金的飽和磁感應強度也就越低，因此非晶態鐵硅硼合金的飽和磁感應強度明顯低于硅鋼，使得利用非晶態鐵硅硼合金制備的器件性能受到一定程度的限制。目前提高非晶態鐵硅硼合金的鐵含量已成為亟待解決的關鍵問題。

依據溫度的不同，鐵硅硼合金熔體中鐵原子、硅原子和硼原子可形成大量不同成份和不同結構類型的游動原子集團，以及各種原子呈紊亂分布的無序結構，這些原子集團中可包含鐵-硅原子團簇、鐵-硼原子團簇、硅-硼原子團簇和鐵-硅-硼原子團簇，以及少量的、分別僅由鐵原子、硅原子和硼原子形成的團簇。實際上，合金熔體的微觀結構是不均勻的，原子團簇的具體特征不僅與金屬的種類和合金成分有關，而且也與熔體的溫度密切有關。雖然合金熔體中原子團簇種類和結構依賴于溫度，但是原子團簇結構的變化速度總是滯后于溫度的變化速度，并且原子團簇結構不同，相對于溫度變化的滯后情況也不相同。原子團簇結構變化相對于溫度變化的滯后性使得熔體在溫度上升的一定溫區內還保留了初始合金熔體中金屬元素團簇和非金屬元素團簇的結構特征，很顯然金屬元素團簇的存在不利用形成非晶合金，而非金屬元素團簇的存在則既降低了非晶形成能力，也降低了非晶態固體合金中的金屬含量。隨著合金熔體溫度的升高，原子的熱振動能越大，最外面的原子會離開初始合金熔體的原子團簇，形成游離的原子，導致原子團簇尺寸的減小，因此初始熔體的微觀結構特征會隨著溫度的升高而逐漸減少。只有熔體溫度升高到特定溫度時，才能完全消除初始熔體的微觀結構特征。當初始熔體的微觀結構特征完全消失時，達到真正的熔體微觀結構狀態。當從初始熔體的原子團簇中游離出來的金屬和非金屬原子越來越多時，由金屬和非金屬元素形成原子團簇的幾率就越大，因而非金屬元素對合金熔體形成非晶態固體合金的作用就越強。如果非金屬元素在形成非晶態合金結構的過程中起的作用越大，形成非晶合金所需的非金屬元素數量就越少，非晶態固體合金中的金屬含量就可以更高。第一性原理分子動力學計算表明，在1600℃的鐵硅硼合金熔體中硅原子與硅原子、硼原子與硼原子，以及硅原子與硼原子形成第一近鄰關系的能力遠低于和鐵原子形成第一近鄰關系的能力。鐵原子和硅原子的半徑相近，可以形成多種類型的團簇結構。模擬計算還表明，與鐵原子類似，硅原子以配位數12或13的方式與鐵原子組成團簇結構的幾率最大，由于原子尺寸的不同，B原子則以配位數為9或10的方式與鐵原子構成團簇結構的幾率最大，并且鐵原子與硅原子的成鍵強度大于鐵原子與硼原子之間的成鍵強度，另外硅原子與硼原子之間有一定的相互排斥傾向，不易形成第一近鄰關系。如果硅原子不與硅原子或者硼原子形成第一近鄰關系，只與鐵原子形成近鄰關系，按照配位數12或13的方式形成以硅原子為中心與鐵原子形成多面體結構，則會提高硅元素在形成非晶態固體鐵硅硼合金中的作用。同樣，降低硼原子之間形成第一近鄰關系的數量，并按照配位數10的方式以硼原子為中心與鐵原子形成多面體團簇，也增加了硼元素在形成非晶態固體鐵硅硼合金中的作用。當鐵原子與硅原子和硼原子以這樣的方式形成非晶態鐵硅硼合金時，非晶態固體鐵硅硼合金中鐵原子的百分比含量可達到90％以上。即使團簇結構中仍有少量的第一近鄰硅原子和第一近鄰的硼原子，以及硅原子和硼原子之間形成的第一近鄰關系，非晶態固體鐵硅硼合金中鐵的百分比含量亦可遠高于目前的79％。