[0001] 本发明属于软磁材料制备技术领域，具体涉及一种铁基非晶软磁合金及其制备方法和应用。

[0002] 非晶合金不同于传统的晶态金属，其微观结构长程无序，短程有序。作为新一代软磁材料，铁基非晶合金具有饱和磁感强度高，矫顽力低的优点，软磁非晶合金薄带已广泛应用于变压器、电感器、互感器等器件的铁芯。

[0003] 最近，研究者们把目光投向了软磁复合粉芯的领域。在Fe基非晶粉末中添加粘接剂后在一定条件下成型，制成的软磁复合粉芯可以实现器件的小型化、复杂化应用。与纯铁或硅钢相比，Fe基非晶合金矫顽力更低，电阻率更高，制备的磁粉芯损耗小，提高了效率和使用频率。与铁氧体等相比，Fe基非晶合金饱和磁感强度更高，在相同工作磁感下器件的尺寸更小。Fe基非晶粉末制成的软磁复合粉芯具有优良的综合软磁性能，在高频下具有的低损耗、高效率、高功率密度的优势更明显，使其在电子通讯、一体成型电感元器件等领域具有广阔前景。

[0004] Fe基非晶软磁合金粉末制备及用于制造磁粉芯仍处于起步阶段，饱和磁化强度较低，不能满足技术发展的更高需求。此外，非晶形成能力也是铁基非晶软磁合金软磁性能的重要指标。Fe基非晶合金粉末通常由气雾化、水雾化以及机械破碎球磨等方法制备。其中，球磨法制粉存在耗时长、易污染、表面尖角不利于高频应用等问题，不适合应用于高频电子元器件产品。水雾化与气雾化相比，冷却速度更高，但制备的粉末形状球形度不好。气雾化制备的粉末球形度好、质量高，但需要合金成分具有非常高的形成能力及成粉能力。目前合金成分体系多为水雾化或水气联合雾化制备，而且只有当粉末尺寸较小(通常小于20‑30μm)时才能获得非晶态结构，但气雾化非晶粉末的球形度和质量均优于水雾化方法。因此铁基软磁非晶合金粉末气雾化和水雾化制备仍需加大研发力度，特别是可采用气雾化制备出非晶合金粉末的合金成分常常也可以用水雾化方法制备出非晶合金粉末。故研发出可采用气雾化方法制备出非晶合金粉末的铁基非晶合金成分体系更为重要，也更具有挑战性。

[0005] 对于非晶软磁合金，除合金的非晶形成能力外，非晶合金的矫顽力是其重要的软磁性能指标，迄今研发的非晶合金中，矫顽力小于2A/m铁基非晶合金体系较少，而矫顽力小于1A/m的非晶合金则很稀少。降低非晶软磁合金的矫顽力对降低损耗十分重要。因此，开发兼具高非晶形成能力、低矫顽力、软磁性能优异的非晶合金成分及非晶合金粉末材料，研究非晶合金粉末制备和高频下低损耗的磁粉芯制备十分必要。

[0047] 提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

[0048] 实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

[0049] 实施例1

[0050] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P8C7B6Si3Mo3；

[0051] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，具有通式Fe73P8C7B6Si3Mo3，包括以下步骤：

[0052] 采用纯度大于99.5wt.％的Fe、Mo、Si和纯度大于99wt.％的FeC、FeB、FeP按照通式进行配料，得到原料混合物。使用感应熔炼炉，对腔体抽真空后充入氩气，将原料混合物反复熔炼4次，以保证成分均匀，得到母合金锭，备用。

[0053] 将上述母合金锭置于有喷嘴的石英坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融，向石英坩埚中充入0.05MPa氩气，将熔体喷射至内孔尺寸至少为Ф1mm的铜模中，得到合金棒。

[0054] 采用X射线衍射仪检测合金棒的横截面，如图1所示，图谱中可分辨的条件下没有明显的晶化峰，表明制备的合金棒具有非晶态结构，是棒状块体非晶合金材料，即该合金具有形成非晶态结构的棒状临界尺寸(简称临界尺寸)为1mm以上，本实施例制得的铁基非晶软磁合金棒的临界尺寸见表2。

[0055] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金条带的制备方法，具有通式Fe73P8C7B6Si3Mo3，包括以下步骤：

[0056] 母合金锭制备方法同上。

[0057] 将母合金锭置于有喷嘴的石英坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融，向石英坩埚中冲入0.05MPa氩气，将熔体喷射至转速为35m/s的铜辊表面，冷却得到非晶合金条带。测试非晶合金条带的软磁性能，将非晶合金条带在370℃下退火，在800kA/m的外场下测试，非晶合金条带的饱和磁化强度Ms为1.21T，在800A/m的外场下测试，磁感强度B800为1.19T，矫顽力Hc约为0.9A/m，具体结果见表2。

[0058] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，具有通式Fe73P8C7B6Si3Mo3，包括以下步骤：

[0059] 母合金锭制备方法同上。

[0060] 将母合金锭置于气雾化炉内坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融后，在高压氩气的作用下进行雾化，冷却凝固后形成细小球状粉末，即非晶合金球形粉末；其中，本领域技术人员可以根据设备、合金液的熔化情况确定雾化的压力。使用标准筛对非晶合金球形粉末进行分级，得到‑50‑+200目、‑200‑+300目、‑300‑+500目、‑500‑+800目及‑800目五种级别的粉末，用于后续步骤表征其结构、形貌、热力学参数等，非晶粉末粒径分布数据如表1所示。此外，另筛分出‑300目的粉末以备后续测试磁学性能使用。

[0061] ①采用X射线衍射仪检测未筛分的原始粉末、筛分出的五级粉末的结构是否为非晶态。图2为Fe73P8C7B6Si3Mo3气雾化制备的未筛分粉末及五种级数粉末的X射线衍射图谱，各图谱均为非晶合金典型的漫散射峰，没有与晶态结构相对应的尖锐衍射峰，表明制备的粉末具有完全非晶结构，可以用于后续磁粉芯的制备及软磁性能的表征。

[0062] ②采用扫描电子显微镜(SEM)对非晶合金粉末的形貌进行观察。图3为粒度范围在‑300‑+500目的非晶粉末的扫描电子显微镜照片，可以看出粉末呈球状，表面光滑。

[0063] ③采用差示扫描量热法(DSC)以40K/min的升温速率对Fe73P8C7B6Si3Mo3非晶粉末进行热分析，DSC曲线如图4所示，得到其玻璃转变温度(Tg)及起始晶化温度(Tx)，具体数值如表1所示。

[0064] ④采用振动样品磁强计(VSM)测量非晶粉末的饱和磁化强度(Ms)(最大外加磁场为800kA/m)，结果见表1。磁滞回线如图5所示。

[0065] 其中，铁基非晶软磁合金棒的临界尺寸见表2，铁基非晶软磁合金条带的性能测试结果见表2，铁基非晶软磁合金粉末的性能测试结果见表1。

[0066] 实施例2

[0067] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe74P7C7B7Si3Mo1Cr1；

[0068] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，具有通式Fe74P7C7B7Si3Mo1Cr1，制备方法包括以下步骤：

[0069] 采用纯度大于99.5wt.％Fe、Mo、Cr、Si和纯度大于99wt.％的FeC、FeB、FeP按照通式进行配料，得到原料混合物。使用感应熔炼炉，对腔体抽真空后充入氩气，将原料混合物反复熔炼4次，以保证成分均匀，得到母合金锭，备用。

[0070] 将上述母合金锭置于有喷嘴的石英坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融，向石英坩埚中充入0.05MPa氩气，将熔体喷射至内孔尺寸至少为Ф1mm的铜模中，得到合金棒。

[0071] 采用X射线衍射仪检测合金棒的横截面，如图1所示，图谱中可分辨的条件下没有明显的晶化峰，表明制备的合金棒具有非晶态结构，是棒状块体非晶合金材料，即该合金具有形成非晶态结构的棒状临界尺寸(简称临界尺寸)为1mm以上，本实施例制得的铁基非晶软磁合金棒的临界尺寸见表2。

[0072] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金条带的制备方法，具有通式Fe74P7C7B7Si3Mo1Cr1，包括以下步骤：

[0073] 母合金锭制备方法同上。

[0074] 将上述母合金锭置于有喷嘴的石英坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融，向石英坩埚中冲入0.05MPa氩气，将熔体喷射至转速为35m/s的铜辊表面，冷却得到非晶合金条带。测试非晶合金条带的软磁性能，将非晶合金条带在370℃下退火，在800kA/m的外场下测试，非晶合金条带的饱和磁化强度Ms为1.34T，在800A/m的外场下测试，磁感强度B800为1.31T，矫顽力Hc约为1.0A/m，具体结果见表2。

[0075] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，具有通式Fe74P7C7B7Si3Mo1Cr1，包括以下步骤：

[0076] 母合金锭制备方法同上。

[0077] 将母合金锭置于气雾化炉内坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融后，在高压氩气的作用下进行雾化，冷却凝固后形成细小球状粉末，即非晶合金球形粉末；其中，本领域技术人员可以根据设备、合金液的熔化情况确定雾化的压力。使用标准筛对非晶合金球形粉末进行分级，得到‑50‑+200目、‑200‑+300目、‑300‑+500目、‑500‑+800目及‑800目五种级别的粉末，用于后续步骤表征其结构、形貌、热力学参数等，非晶粉末粒径分布数据如表1所示。此外，另筛分出‑300目的粉末以备后续测试磁学性能使用。

[0078] ①采用X射线衍射仪检测未筛分的原始粉末、筛分出的五级粉末的结构是否为非晶态。图6为Fe74P7C7B7Si3Mo1Cr1气雾化制备的未筛分粉末及五种级数粉末的X射线衍射图谱，各图谱均为非晶合金典型的漫散射峰，没有与晶态结构相对应的尖锐衍射峰，表明制备的粉末具有完全非晶结构，可以用于后续磁粉芯的制备及软磁性能的表征。

[0079] ②采用扫描电子显微镜(SEM)对非晶合金粉末的形貌进行观察。图7为粒度范围在‑300‑+500目的非晶粉末的扫描电子显微镜照片，可以看出粉末呈球状，表面光滑。

[0080] ③采用差示扫描量热法(DSC)以40K/min的升温速率对Fe74P7C7B7Si3Mo1Cr1非晶粉末进行热分析，DSC曲线如图4所示，得到其玻璃转变温度(Tg)及起始晶化温度(Tx)，具体数值如表1所示。

[0081] ④采用振动样品磁强计(VSM)测量非晶粉末的饱和磁化强度(Ms)(最大外加磁场为800kA/m)，具体数值如表1所示，磁滞回线如图5所示。

[0082] 其中，铁基非晶软磁合金棒的临界尺寸见表2，铁基非晶软磁合金条带的性能测试结果见表2，铁基非晶软磁合金粉末的性能测试结果见表1。

[0083] 本实施例还提供了一种磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：

[0084] 将上述筛分出的‑300目铁基非晶软磁合金粉末加入到4wt.％的磷酸溶液中，在50℃温度条件下磷化30min；磷化后的粉末加入到0.5wt.％的KH‑550的醇水溶液中，在50℃水浴条件下，搅拌5min进行偶联；在硅树脂丙酮溶液中加入偶联后的非晶粉末，对其进行绝缘处理，硅树脂与铁基非晶软磁合金粉末的质量比为2:100，搅拌至丙酮完全挥发，即完成绝缘处理，真空干燥，得到绝缘处理的非晶粉末。采用扫描电子显微镜观察绝缘处理的非晶粉末的形貌，粉末表面覆盖一层包覆树脂。其中，丙酮溶液中硅树脂的质量分数不做限定。

[0085] 将包覆好的粉末在1000MPa的压强下压制成外径20mm，内径12mm的磁粉芯，将磁粉芯在保护气氛、430℃中退火60min。

[0086] 采用交流B‑H回路示踪仪测试制得的磁粉芯在工作磁感为100mT、工作频率为4 7
100kHz条件下的损耗；采用阻抗分析仪测试其在10 ‑10 Hz频率下的有效磁导率μe；采用电感‑电容‑电阻(LCR)测量计测试其在100kHz频率下的直流偏置特性。该磁粉芯最低损耗
3 6
Pcv(100kHz，100mT)＝730kW/m ，对应的10Hz下有效磁导率保持在22，100Oe下的直流偏置能力为
89％。

[0087] 实施例3

[0088] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe75P7C7B7Si3Mo0.5Cr0.5；

[0089] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，具有通式Fe75P7C7B7Si3Mo0.5Cr0.5，制备方法包括以下步骤：

[0090] 采用纯度大于99.5wt.％Fe、Mo、Cr、Si和纯度大于99wt.％的FeC、FeB、FeP按照铁基非晶软磁合金通式进行配料，得到原料混合物。使用感应熔炼炉，对腔体抽真空后充入氩气，将原料混合物反复熔炼4次，以保证成分均匀，得到母合金锭，备用。

[0091] 将上述母合金锭置于有喷嘴的石英坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融，向石英坩埚中充入0.05MPa氩气，将熔体喷射至内孔尺寸至少为Ф1mm的铜模中，得到合金棒。采用X射线衍射仪检测合金棒的横截面，如图1所示，图中没有明显的晶化峰。合金棒的临界尺寸见表2。

[0092] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金条带的制备方法，具有通式Fe75P7C7B7Si3Mo0.5Cr0.5，制备方法包括以下步骤：

[0093] 母合金锭制备方法同上。

[0094] 将上述母合金锭置于有喷嘴的石英坩埚中，加热至熔点以上，待合金完全熔融，向石英坩埚中冲入0.05MPa氩气，将熔体喷射至转速为35m/s的铜辊表面，冷却得到非晶合金条带，测试非晶合金条的软磁性能；将非晶合金条带在370℃下退火，在800kA/m的外场下测试，饱和磁化强度Ms为1.41T，在800A/m的外场下测试，磁感强度B800为1.38T，矫顽力Hc约0.7A/m，具体结果参见表2。

[0095] 实施例4

[0096] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P7C7B7Si3Mo1Cr2；

[0097] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0098] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0099] 实施例5

[0100] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P7C7B7Si3Mo1V2；

[0101] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0102] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0103] 实施例6

[0104] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe74P7C7B7Si3Mo1V1；

[0105] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0106] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0107] 实施例7

[0108] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe71P7C7B7Si3Mo5；

[0109] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0110] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0111] 实施例8

[0112] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe72P7C7B7Si3Mo4；

[0113] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0114] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0115] 实施例9

[0116] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P7C7B7Si3Mo3；

[0117] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0118] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0119] 实施例10

[0120] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe74P7C7B7Si3Mo2；

[0121] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0122] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0123] 实施例11

[0124] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe75P7C7B7Si3Mo1；

[0125] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0126] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0127] 实施例12

[0128] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe75.5P7C7B7Si3Mo0.5；

[0129] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0130] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0131] 实施例13

[0132] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe76P7C7B7Si3；

[0133] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0134] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0135] 实施例14

[0136] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe76P3C4B11Si3Mo3；

[0137] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0138] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0139] 实施例15

[0140] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P4C9B8Si3Mo3；

[0141] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0142] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0143] 实施例16

[0144] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P4C12B5Si3Mo3；

[0145] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0146] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0147] 实施例17

[0148] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P5C10B6Si3Mo3；

[0149] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0150] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0151] 实施例18

[0152] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P6C5B10Si3Mo3；

[0153] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0154] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0155] 实施例19

[0156] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P6C9B6Si3Mo3；

[0157] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0158] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0159] 实施例20

[0160] 本实施例提供了一种铁基非晶软磁合金，具有通式Fe73P6C8B7Si3Mo3；

[0161] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金棒的制备方法，制备方法同实施例3。

[0162] 本实施例还提供了一种铁基非晶软磁合金粉末的制备方法，制备方法同实施例3。

[0163] 对比例1

[0164] 本对比例提供了一种铁基非晶软磁合金粉末，具有通式Fe73.5B9Si13.5Cu1Nb3；该铁基非晶软磁合金粉末的制备方法同实施例1。图8为本对比例通过‑300‑+500目，‑500‑+800目，‑800‑+900目筛分的三种级数粉末的X射线衍射图谱。图谱中出现了尖锐的衍射峰，说明成分为Fe73.5B9Si13.5Cu1Nb3的合金形成能力低，无法制备出具有全非晶态的粉末。

[0165] 表1实施例1和实施例2制得的非晶合金粉末的性能测试结果

[0166]

[0167] 表2实施例1‑20制得的非晶合金棒和非晶合金条带的性能测试结果

[0168]

[0169]

[0170] 其中，表2中的Dc为非晶合金棒的临界尺寸；Tg、Tx、Ms、Hc、B800为非晶合金条带的性能测试结果。

[0171] 从表1‑2可以看出，本发明提供的铁基非晶软磁合金具有低矫顽力Hc，最低可为0.6±0.2A/m，饱和磁化强度Ms最高可为1.5T，B800≥1.0T。

[0172] 在铁基非晶软磁合金中加入Mo、Cr或V后，可以进一步提高临界尺寸。

[0173] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。