一种纳米晶合金磁芯及其制备方法与流程

1.本发明涉及磁性材料技术领域，尤其涉及一种纳米晶合金磁芯及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着国内外能源危机日益紧张、环境污染问题日益严重，对用电设备节能降耗的要求越来越高，这就要求作为电设备主要配件之一的磁芯具有高饱和磁感应强度、低的高频损耗、高的磁导率和良好的高频频率特性等优异高频综合性能。
3.目前，常见的磁芯材料有硅钢、铁氧体、非晶态合金、纳米晶态合金等。硅钢虽然材料廉价，磁通密度高，但对于高频的用途，它们存在表现出高频损耗的问题。铁氧体材料具有饱和磁通密度低和温度特性差的问题，因此它们不适于高功率的用途。非晶态合金或多或少存在相对价格高，饱和感应低，尺寸大的缺陷。纳米晶合金具有与钴族非晶合金相同的良好的软磁特性和与铁族非晶合金相同的高饱和磁通密度，是磁芯材料的首选。然而，现有的纳米晶合金磁芯还或多或少存在有效磁导率低，矫顽力较大，净高比小、易造成空间浪费，损耗大的缺陷。
4.为了解决上述问题，中国发明专利cn109754974b公开了一种纳米晶合金磁芯及其制备方法。该申请提供的纳米晶合金磁芯，将淬态合金材料经多场耦合热处理得到所述纳米晶合金磁芯；所述淬态合金材料包括具有feasibbdnbecuf(m)g化学式的化合物中的至少一种。该纳米晶合金磁芯具有高的弛豫频率和低的高频损耗。并且该申请提供一种利用热场、磁场和应力场多场耦合和实时调控纳米晶磁芯的高频特性，从而提高纳米晶合金磁芯弛豫频率和降低高频损耗。然而，该纳米晶合金磁芯磁导率有待进一步提高，矫顽力有待进一步降低。
5.可见，本领域仍然需要一种磁导率高，矫顽力较低，损耗小的纳米晶合金磁芯及其制备方法。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于解决市面上的纳米晶合金磁芯或多或少存在有效磁导率低，矫顽力较大，损耗大的技术问题。
7.为达到以上目的，本发明提供一种纳米晶合金磁芯，其特征在于，包括如下按重量百分比计的各成分制成：cu 0.6-1.0%、si 8.0-10.0%、b 5.5-8.0%、sr 0.1-0.3%、ir 0.05-0.15%、bi 0.03-0.10%、ni 0.8-1.5%、te 0.1-0.3%、稀土元素0.01-0.04%、余量为fe。
8.优选的，所述稀土元素为gd、ce按质量比(2-3):1混合形成。
9.本发明的另一个目的，在于提供一种所述纳米晶合金磁芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、按照重量百分比将各成分混合，置于中频熔炼炉内进行熔炼得到熔液后，精炼，接着将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上快速冷却甩带制得非晶合金薄带，再卷绕制成非晶合金磁芯；
步骤s2、将经过步骤s1制成的非晶合金磁芯在真空环境下进行晶化退火处理，接着继续进行热处理，制成纳米晶合金磁芯。
10.优选的，步骤s1中所述熔炼具体为：起始熔炼功率为30-40kw，以1-3kw/min的速率升至135-145kw，至各成分完全熔化。
11.优选的，步骤s1中所述精炼具体包括：加入精炼剂进行精炼3-5min，并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣。
12.优选的，所述精炼剂、熔液的质量比为(0.2-0.6):100。
13.优选的，所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.1-0.3份、六氟硅酸钾1-3份、二氧化硅1-2份、氯化钠3-5份。
14.优选的，步骤s1中所述快速冷却的冷却速率为100-110℃/s。
15.优选的，步骤s2中所述晶化退火处理具体为：在470-500℃下保温2-4小时，再以0.5-1℃/min的升温速率升温至550-560℃，保温1-3小时。
16.优选的，步骤s2中所述热处理具体为：以4-6℃/min的升温速率升温至460-500℃，保温0.5-1小时；再以1-3℃/min的升温速率升温至570-600℃，保温1-2小时；接着以2-4℃/min的降温速率降温至380-420℃，保温0.8-1.5小时；后在复合磁场下进行磁场热处理。
17.优选的，所述复合磁场包括横向磁场和纵向磁场；所述的横向磁场的强度为8-12mt，纵向磁场的强度为1-3mt。
18.优选的，所述磁场热处理温度为580-620℃，时间为1-2.5h。
19.优选的，所述磁场热处理是在氧浓度为0-5ppm的气氛中进行的。
20.由于上述技术方案的运用，本发明具有以下有益效果：（1）本发明公开的纳米晶合金磁芯的制备方法，对设备依赖性小，工艺简单，操作方便，耗能低，净高比可控，制备效率和成品合格率高，适合连续规模化生产。
21.（2）本发明公开的纳米晶合金磁芯，通过各成分重量和含量配比的合理选取，使得各成分能更好地发挥协效作用，各成分之间相互配合共同作用，使得制成的纳米晶合金磁芯磁导率高，矫顽力较低，损耗小。
22.（3）本发明公开的纳米晶合金磁芯，在熔炼过程中添加了精炼剂，所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.1-0.3份、六氟硅酸钾1-3份、二氧化硅1-2份、氯化钠3-5份；能较好地降低有害杂质成分硫、磷对产品性能的影响，有效提高合金质量。
23.（4）本发明公开的纳米晶合金磁芯，制备步骤s2中通过晶化退火处理和热处理工艺条件的合理选取，使得制成的纳米晶合金磁芯产品具有较高的磁导率，较低的矫顽力和损耗。
具体实施方式
24.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
25.实施例1一种纳米晶合金磁芯，包括如下按重量百分比计的各成分制成：cu 0.6%、si 8.0%、b 5.5%、sr 0.1%、ir 0.05%、bi 0.03%、ni 0.8%、te 0.1%、稀土元素0.01%、余量为fe；所述稀土元素为gd、ce按质量比2:1混合形成。
26.一种所述纳米晶合金磁芯的制备方法，包括如下步骤：步骤s1、按照重量百分比将各成分混合，置于中频熔炼炉内进行熔炼得到熔液后，精炼，接着将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上快速冷却甩带制得非晶合金薄带，再卷绕制成非晶合金磁芯；步骤s2、将经过步骤s1制成的非晶合金磁芯在真空环境下进行晶化退火处理，接着继续进行热处理，制成纳米晶合金磁芯。
27.步骤s1中所述熔炼具体为：起始熔炼功率为30kw，以1kw/min的速率升至135kw，至各成分完全熔化；骤s1中所述精炼具体包括：加入精炼剂进行精炼3min，并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；所述精炼剂、熔液的质量比为0.2:100；所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.1份、六氟硅酸钾1份、二氧化硅1份、氯化钠3份。
28.步骤s1中所述快速冷却的冷却速率为100℃/s；步骤s2中所述晶化退火处理具体为：在470℃下保温2小时，再以0.5℃/min的升温速率升温至550℃，保温1小时。
29.步骤s2中所述热处理具体为：以4℃/min的升温速率升温至460℃，保温0.5小时；再以1℃/min的升温速率升温至570℃，保温1小时；接着以2℃/min的降温速率降温至380℃，保温0.8小时；后在复合磁场下进行磁场热处理。
30.所述复合磁场包括横向磁场和纵向磁场；所述的横向磁场的强度为8mt，纵向磁场的强度为1mt；所述磁场热处理温度为580℃，时间为1h；所述磁场热处理是在氧浓度为0ppm的气氛中进行的。
31.实施例2一种纳米晶合金磁芯，包括如下按重量百分比计的各成分制成：cu 0.7%、si 8.5%、b 6%、sr 0.15%、ir 0.08%、bi 0.05%、ni 1%、te 0.15%、稀土元素0.02%、余量为fe；所述稀土元素为gd、ce按质量比2.2:1混合形成。
32.一种所述纳米晶合金磁芯的制备方法，包括如下步骤：步骤s1、按照重量百分比将各成分混合，置于中频熔炼炉内进行熔炼得到熔液后，精炼，接着将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上快速冷却甩带制得非晶合金薄带，再卷绕制成非晶合金磁芯；步骤s2、将经过步骤s1制成的非晶合金磁芯在真空环境下进行晶化退火处理，接着继续进行热处理，制成纳米晶合金磁芯。
33.步骤s1中所述熔炼具体为：起始熔炼功率为32kw，以1.5kw/min的速率升至137kw，至各成分完全熔化；步骤s1中所述精炼具体包括：加入精炼剂进行精炼3.5min，并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；所述精炼剂、熔液的质量比为0.3:100；所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.15份、六氟硅酸钾1.5份、二氧化硅1.2份、氯化钠3.5份；步骤s1中所述快速冷却的冷却速率为103℃/s。
34.步骤s2中所述晶化退火处理具体为：在480℃下保温2.5小时，再以0.7℃/min的升温速率升温至553℃，保温1.5小时。
35.步骤s2中所述热处理具体为：以4.5℃/min的升温速率升温至470℃，保温0.7小时；再以1.5℃/min的升温速率升温至580℃，保温1.2小时；接着以2.5℃/min的降温速率降温至390℃，保温0.9小时；后在复合磁场下进行磁场热处理；所述复合磁场包括横向磁场和纵向磁场；所述的横向磁场的强度为9mt，纵向磁场的强度为1.5mt；所述磁场热处理温度为
590℃，时间为1.5h；所述磁场热处理是在氧浓度为1.5ppm的气氛中进行的。
36.实施例3一种纳米晶合金磁芯，包括如下按重量百分比计的各成分制成：cu 0.8%、si 9%、b 6.5%、sr 0.2%、ir 0.1%、bi 0.06%、ni 1.2%、te 0.2%、稀土元素0.025%、余量为fe；所述稀土元素为gd、ce按质量比2.5:1混合形成。
37.一种所述纳米晶合金磁芯的制备方法，包括如下步骤：步骤s1、按照重量百分比将各成分混合，置于中频熔炼炉内进行熔炼得到熔液后，精炼，接着将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上快速冷却甩带制得非晶合金薄带，再卷绕制成非晶合金磁芯；步骤s2、将经过步骤s1制成的非晶合金磁芯在真空环境下进行晶化退火处理，接着继续进行热处理，制成纳米晶合金磁芯。
38.步骤s1中所述熔炼具体为：起始熔炼功率为35kw，以2kw/min的速率升至140kw，至各成分完全熔化；步骤s1中所述精炼具体包括：加入精炼剂进行精炼4min，并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；所述精炼剂、熔液的质量比为0.45:100；所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.2份、六氟硅酸钾2份、二氧化硅1.5份、氯化钠4份；步骤s1中所述快速冷却的冷却速率为105℃/s。
39.步骤s2中所述晶化退火处理具体为：在485℃下保温3小时，再以0.8℃/min的升温速率升温至555℃，保温2小时；步骤s2中所述热处理具体为：以5℃/min的升温速率升温至480℃，保温0.8小时；再以2℃/min的升温速率升温至585℃，保温1.5小时；接着以3℃/min的降温速率降温至400℃，保温1.2小时；后在复合磁场下进行磁场热处理；所述复合磁场包括横向磁场和纵向磁场；所述的横向磁场的强度为10mt，纵向磁场的强度为2mt；所述磁场热处理温度为600℃，时间为1.8h；所述磁场热处理是在氧浓度为3ppm的气氛中进行的。
40.实施例4一种纳米晶合金磁芯，包括如下按重量百分比计的各成分制成：cu 0.9%、si 9.5%、b 7.5%、sr 0.25%、ir 0.13%、bi 0.08%、ni 1.3%、te 0.25%、稀土元素0.035%、余量为fe；所述稀土元素为gd、ce按质量比2.8:1混合形成。
41.一种所述纳米晶合金磁芯的制备方法，包括如下步骤：步骤s1、按照重量百分比将各成分混合，置于中频熔炼炉内进行熔炼得到熔液后，精炼，接着将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上快速冷却甩带制得非晶合金薄带，再卷绕制成非晶合金磁芯；步骤s2、将经过步骤s1制成的非晶合金磁芯在真空环境下进行晶化退火处理，接着继续进行热处理，制成纳米晶合金磁芯。
42.步骤s1中所述熔炼具体为：起始熔炼功率为38kw，以2.5kw/min的速率升至142kw，至各成分完全熔化；步骤s1中所述精炼具体包括：加入精炼剂进行精炼4.5min，并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；所述精炼剂、熔液的质量比为0.55:100；所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.25份、六氟硅酸钾2.5份、二氧化硅1.8份、氯化钠4.5份；步骤s1中所述快速冷却的冷却速率为108℃/s。
43.步骤s2中所述晶化退火处理具体为：在495℃下保温3.5小时，再以0.9℃/min的升温速率升温至558℃，保温2.5小时；步骤s2中所述热处理具体为：以5.5℃/min的升温速率
升温至493℃，保温0.9小时；再以2.5℃/min的升温速率升温至595℃，保温1.8小时；接着以3.5℃/min的降温速率降温至410℃，保温1.3小时；后在复合磁场下进行磁场热处理；所述复合磁场包括横向磁场和纵向磁场；所述的横向磁场的强度为11mt，纵向磁场的强度为2.5mt；所述磁场热处理温度为610℃，时间为2.2h；所述磁场热处理是在氧浓度为4ppm的气氛中进行的。
44.实施例5一种纳米晶合金磁芯，包括如下按重量百分比计的各成分制成：cu 1.0%、si 10.0%、b 8.0%、sr 0.3%、ir 0.15%、bi 0.10%、ni 1.5%、te 0.3%、稀土元素0.04%、余量为fe；所述稀土元素为gd、ce按质量比3:1混合形成。
45.一种所述纳米晶合金磁芯的制备方法，包括如下步骤：步骤s1、按照重量百分比将各成分混合，置于中频熔炼炉内进行熔炼得到熔液后，精炼，接着将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上快速冷却甩带制得非晶合金薄带，再卷绕制成非晶合金磁芯；步骤s2、将经过步骤s1制成的非晶合金磁芯在真空环境下进行晶化退火处理，接着继续进行热处理，制成纳米晶合金磁芯。
46.步骤s1中所述熔炼具体为：起始熔炼功率为40kw，以3kw/min的速率升至145kw，至各成分完全熔化；步骤s1中所述精炼具体包括：加入精炼剂进行精炼5min，并采用通氮气旋转法进行除气，最后扒渣；所述精炼剂、熔液的质量比为0.6:100；所述精炼剂包括如下按重量份计的各组分制成：氧化锶0.3份、六氟硅酸钾3份、二氧化硅2份、氯化钠5份；步骤s1中所述快速冷却的冷却速率为110℃/s。
47.步骤s2中所述晶化退火处理具体为：在500℃下保温4小时，再以1℃/min的升温速率升温至560℃，保温3小时；步骤s2中所述热处理具体为：以6℃/min的升温速率升温至500℃，保温1小时；再以3℃/min的升温速率升温至600℃，保温2小时；接着以4℃/min的降温速率降温至420℃，保温1.5小时；后在复合磁场下进行磁场热处理；所述复合磁场包括横向磁场和纵向磁场；所述的横向磁场的强度为12mt，纵向磁场的强度为3mt；所述磁场热处理温度为620℃，时间为2.5h；所述磁场热处理是在氧浓度为5ppm的气氛中进行的。
48.对比例1一种纳米晶合金磁芯，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加ir和te。
49.对比例2一种纳米晶合金磁芯，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加sr和bi。
50.对各例制成的纳米晶合金磁芯进行相关性能测试，测试结果见表1，测试方法如下：磁芯的饱和磁感应强度bs采用振动样品磁强仪(vsm)进行测定，损耗测量采用mats-2010sa测量装置在0.88t，50hz时检测p0.87/50，初始磁导率μ0(h＝0.08a/m时)采用伏安法测量并计算。
51.从表1中数据可知，本发明各实施例的纳米晶合金磁芯具有优异的软磁性能，较高的磁导率，较低的矫顽力和磁滞损耗；ir、te、sr和bi的加入对改善上述性能均有益。
52.表1 各实施例和对比例纳米晶合金磁芯检测结果
项目bsp
0.88/50
μ0hc单位tw/kggs/oea/m实施例11.6730.03215.1万1.4实施例21.6810.02715.4万1.3实施例31.6950.02515.5万1.1实施例41.7030.02215.7万0.9实施例51.7220.02015.9万0.8对比例11.6200.03914.8万1.7对比例21.6460.04114.4万1.9以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。