本申請要求于2017年01月25日提交中國專利局、申請號為201710060836.4、發明名稱為“一種鐵基非晶合金及其制備方法”的中國專利申請的優先權。

技術領域

本發明涉及非晶合金技術領域，尤其涉及一種鐵基非晶合金及其制備方法。

背景技術

非晶軟磁合金是近幾十年材料領域研究的熱點之一，尤其是作為磁性功能材料的非晶軟磁合金材料。目前已研究清楚，非晶合金的形成過程是將熔融金屬液體快速冷卻，使原子來不及移動重排而被凍結下來，保持熔融態的無序排列結構。非晶軟磁合金因其原子不規則排列、無周期性與無晶粒晶界的存在，磁疇的釘扎點或釘扎線少，無晶粒和團簇取向，磁晶各向異性很小，而顯示良好的軟磁特性，如矯頑力小、磁導率高、磁感應強度高、電阻率高、損耗小以及頻率特性好。在電力電子領域應用，非晶軟磁合金可極大的促進各種電器設備向節能化、高效化與小型化方向發展。

非晶合金的生產工藝具有流程短、工藝簡單、節約能耗的特點，被譽為冶金工藝的一次革命。非晶合金的制備工藝僅包括熔煉和快速冷卻制帶兩步，比硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等晶態軟磁材料的生產工藝短很多，生產線全流程長度僅為硅鋼的1/100，生產能耗僅為硅鋼的1/5。同時，正是由于非晶節能材料的生產工藝簡單，流程短，鋼液經過噴嘴細縫到達銅輥表面冷卻即形成最終的成品，非晶合金的生產設備和生產工藝控制精度要求高，控制難度大，產品質量容易受各工藝參數甚至環境溫度、氣氛等的交互影響。

非晶合金的成分范圍廣，由于合金快速冷卻，溶體不發生明顯的偏析和相析出，所有合金元素固溶在一起，通常在很大的成分范圍內都能形成非晶，并具有優異的軟磁性能，因此非晶合金材料的成分和體系多種多樣，這明顯區別于傳統的晶態材料。不同于晶態材料，非晶合金熔體的性質受微量元素的含量及存在形式影響很大，某些高溫難熔顆粒雜質相在凝固過程中起異質形核點的左右，很容易激發晶化而大幅降低非晶合金的形成能力，這在合金設計的過程中是難以體現的。大量專利中都有用M元素指代雜質或微量添加元素，但是其影響往往沒有得到充分評估，雜質元素的控制方法沒有解決，這幾乎就是當前數以千件專利保護的新合金成分難以實現生產和影響的原因。對于工業生產來說，高純原料的價格是無法接受的。工業原料中的微量元素是決定性的，工業原料制備的非晶合金的非晶形成能力和磁性能都與實驗室開發的合金或理論預測差距極大。此外，由于微量元素種類眾多，相互作用，我們甚至很難區分哪些是有益元素，哪些是有害的雜質。由于高純原料的高昂價格是工業生產無法接受的，因此，拋開原材料中的雜質元素和生產工藝，設計新的非晶合金材料幾乎是沒有意義的。這正是當前世界范圍內依然主要使用70年內美國開發的metglas系列FeSiB合金的原因。

在高磁感應強度非晶合金方面，當前有大批的合金成分。其合金成分的設計大都基于：1)提高鐵元素含量，降低非鐵磁性非晶形成元素含量；2)適量添加鈷元素，利用其與鐵原子間之間的強交換耦合作用提高磁感應強度；3)避免大量添加可提高非晶形成能力的大原子半徑非磁性金屬元素，因為這可明顯降低合金的磁感應強度，并大幅提高合金的原材料成本。

由于非晶軟磁合金材料的性能優點源于其非晶態結構，因此在提高磁感應強度的同時，還需要考慮合金的非晶形成能力和臨界冷卻速度。片面考慮提高磁感應強度，會導致合金的非晶形成能力過低，使其臨界冷卻速度超出現有非晶合金帶材生產線的冷卻能力，生產設備和工藝條件難以滿足。另外，研究表明，相同工藝條件下制備的非晶合金的矯頑力與其非晶形成能力有直接的關聯，非晶形成能力高的合金，其非晶度低，原子堆積密度低，釘扎磁疇的磁偶極子數量少，矯頑力低。具有較強的非晶形成能力是高磁感應強度鐵基非晶合金規模化生產和應用的前提。高非晶形成能力和高磁感應強度之間的矛盾，是當前高磁感應強度非晶軟磁合金開發的難題。由于當前高磁感應強度非晶合金的非晶形成能力接近生產工藝可達到的極限，采用高純原料進一步提高飽和磁感應強度的非晶合金往往難符合低純原料的要求。

以下是單純考慮主要元素的情況：

美國Allied-Signal公司上世紀80年代開發了牌號為Metglas2605Co的合金，磁感應強度達到1.8T。但是由于合金中含有18％的鈷元素，原材料成本過高，不適合大規模推廣應用。