[發明專利]一種提高Fe基納米晶軟磁合金高頻磁導率的方法

有效

• 申請號: 202110587250.X
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113337692B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 張偉;李艷輝;郭瑞;陳衛紅;張繼超
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;佛山市中研非晶科技股份有限公司
• 主分類號: C21D6/00
• 分類號: C21D6/00;C21D9/52;C22C38/00;C22C38/02;C22C38/16;C22C45/02;H01F1/153
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 王思宇;李洪福

本發明提供一種提高Fe基納米晶軟磁合金高頻磁導率的方法，包括合金成分和熱處理工藝兩方面，成分方面，提高合金中前過渡金屬元素(TM)含量，并加入C；熱處理工藝方面，先將急冷帶材以5～20℃/min的升溫速率升至645～665℃，保溫1～5min，再以5～20℃/min的降溫速率降至565～585℃，保溫20～30min后爐冷或空冷至室溫，獲得納米晶合金帶材。采用該方法制備的納米晶帶材在10和100kHz頻率下的磁導率較Finemet合金分別可提升17.4％和41.7％，且合金不含化學性質活潑元素、無需高升/降溫速率熱處理，易實現工業化生產。

技術領域

本發明涉及新材料技術領域，具體而言，尤其涉及一種提高Fe基納米晶軟磁合金高頻磁導率的方法。

背景技術

現代電力、電子設備和器件朝著小型化、節能化和高頻化方向發展，對其中使用的電磁轉換用鐵/磁芯材料的軟磁性能要求越來越高。特別是隨著無線充電技術的普及，急需在100kHz及以上頻率仍具有高磁導率的材料。納米晶軟磁合金憑借其高頻磁導率高、損耗低等特點，在高頻領域具有突出優勢，目前已在高頻電機、電感等器件中得到了應用。但現有納米晶軟磁合金在100kHz及以上頻率下的磁導率仍需進一步提高。

納米晶軟磁合金優異的軟磁性能，源于其特有的細微、均勻的α-Fe納米晶粒分布于非晶基體的復合組織結構。這種復合結構通常由非晶晶化法，即對急冷非晶帶材進行適當條件下的熱處理而獲得。合金成分和熱處理工藝共同決定納米晶合金的組織結構、進而決定其軟磁性能。而熱處理工藝又取決于合金成分。對納米晶軟磁合金而言，除軟磁性能指標外，熱處理要求的高低也是影響其能否獲得工業化應用的關鍵因素。目前獲得廣泛應用的納米晶軟磁合金是日立金屬公司的Yoshizawa等人于1988年首次研制的Fe-Si-B-Nb-Cu系合金(中國發明專利CN101796207B)，商業品牌為Finemet，典型成分為Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb₃。該系納米晶軟磁合金不但具有矯頑力低、磁導率高、損耗低等優異軟磁性能，并且制備工藝相對簡單，熱處理工藝要求低，容易在工況條件下實現。但該系納米晶合金的應用頻率范圍局限于40kHz以下，更高頻率下磁導率急劇下降，損耗也大幅增加。除Finemet系合金外，納米晶軟磁合金還包括Fe-M-B(Cu)系(M＝Zr,Hf,Nb等)Nanoperm合金，(Fe,Co)-M-B-Cu系(M＝Zr,Hf,Nb等)Hitperm合金以及Fe-Si-B-P-Cu系Nanomet合金等。盡管這些合金具有高的居里溫度或高的飽和磁感應強度，但其在高頻下的磁導率較Finemet合金相比未展現出突出優勢，且因原料成本或制造成本過高(如Nanomet系納米晶合金需要升溫速率高達400℃/min的熱處理工藝制備)而未能實現大規模工業化應用。

為了獲得在高頻下具有更高磁導率的納米晶軟磁合金，研究人員以Finemet合金為基礎，在合金成分和熱處理工藝方面進行了一系列嘗試。中國發明專利CN110670000A公開了向Fe-Si-B-Cu-Nb中添加抗氧化性元素Mn、Cr中的至少一種元素用以抑制帶材的表面晶化，并采用低溫-中溫-高溫多段不同升溫速率退火的熱處理方式獲得了高頻磁特性優異的納米晶合金的技術方案。但在中、高溫度熱處理階段高達250～500℃/min的升溫速率對熱處理設備要求極高，在實際工況條件下難以實現。中國發明專利CN110387500A公開了一種Fe-Si-B-Cu-Nb-Mo-V-P鐵基納米晶軟磁合金，分別采用P、(Mo和V)替代Finemet合金中的部分B、Nb。該系合金在10kHz下的有效磁導率達到28000以上，但在100kHz下的有效磁導率不超過20000，并且因合金中含易揮發元素P，提高了合金熔煉的難度，也不利于帶材性能保持長期穩定。此外，人們還嘗試通過降低帶材厚度的方式降低高頻損耗，提高磁導率。但受目前制帶水平的制約，工業生產中很難將帶材厚度減至14μm以下，單從降低帶材厚度角度無法滿足高頻下高磁導率的要求。