权利要求
1.一种Fe基纳米晶合金材料，其特征在于，所述Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为FexGdyBz，其中，x为Fe元素对应的原子含量，82≤x≤87;y为Gd元素对应的原子含量，0.5≤y≤3;z为B元素对应的原子含量，12≤z≤16;且x+y+z=100。
2.如权利要求1所述的Fe基纳米晶合金材料，其特征在于，所述Fe基纳米晶合金材料中，85.5≤x≤86.3。
3.如权利要求1所述的Fe基纳米晶合金材料，其特征在于，所述Fe基纳米晶合金材料中，0.72≤y≤1.52。
4.如权利要求1所述的Fe基纳米晶合金材料，其特征在于，所述Fe基纳米晶合金材料中，12.5≤z≤13.5。
5.如权利要求1所述的Fe基纳米晶合金材料，其特征在于，所述Fe基纳米晶合金材料中，x=87.02-y。
6.权利要求1～5任一项所述Fe基纳米晶合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按所述Fe基纳米晶合金材料中化学计量比将各元素单质原料按照熔点低在下熔点高在上的顺序放置，抽真空后通入惰性气体，进行电弧熔炼，形成合金铸锭;
S2：将步骤S1的合金铸锭置于高真空单辊旋淬系统的石英管中，抽真空后通入惰性气体，将步骤S1的合金铸锭熔化为合金液滴，并滴于
铜辊上，冷却成型，得到所述Fe基纳米晶合金材料。
7.如权利要求6所述Fe基纳米晶合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S1或S2中，所述惰性气体选自氩气、氮气和氦气中的至少一种。
8.如权利要求6所述Fe基纳米晶合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S1或S2中，抽真空至压强为3.5×10-3～5×10-3Pa。
9.如权利要求6所述Fe基纳米晶合金材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，重复电弧熔炼5～10次。
10.权利要求1～5任一项所述Fe基纳米晶合金材料在制备磁性材料中的应用。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及纳米晶合金材料技术领域，尤其涉及一种Fe基纳米晶合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]Fe基纳米晶合金是一类
软磁材料，具有优异的软磁性能，包括高饱和磁通密度(Bs)、磁导率(μ)、电阻率(ρ)、低高频磁芯损耗(W)、近零磁致伸缩和低矫顽力(Hc)，其综合性能远远优于硅钢、铁氧体和坡莫合金等。因此，Fe基纳米晶合金再高频变压器、开关模式电源和电机定子/转子的有吸引力的芯材料中得到了广泛的应用。
[0003]在上世纪90年代，日本Yoshizawa等人开发了首个Fe基纳米晶合金，将其命名为Finemt合金，主要成分为Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3，其综合磁性能相比原始的非晶态有了明显改善。但典型的Finemet型纳米晶合金的饱和磁感应强度(Bs)远低于硅钢，不利于电力电子设器件和设备的小型化。日本研究人员Suzuki等人成功研制了Nanoperm合金，其成分为Fe-M-B(M=Zr、Nb、Hf)，Nanoperm合金进一步提高了Bs，且降低了合金作为磁芯时的噪声。但是Nanoperm合金中含有Zr、Hf等易氧化性元素，在制备过程中对真空度要求很高，同时其原料成本较高，所以不利于大批量使用。Willard在Nanoperm合金的基础上，通过Co部分置换Fe，制备出了Hitperm型纳米晶合金，其成分为(Fe，Co)-(Nb，Zr，Hf)-B-Cu，从而使合金Bs得到提高，居里温度明显增加。但是Co元素原料成本较高，且Hitperm合金中也含有易氧化且价格高的Zr、Hf等元素，不利于商业化使用和竞争。
[0004]目前制备Fe基纳米晶合金的方法主要有两种：(1)通过快淬、气相沉积等方法获得非晶前驱体合金，再进行退火晶化处理，在非晶基体上析出晶粒尺寸细小，且弥散分布的纳米颗粒;(2)通过金属熔体快淬直接得到纳米晶粒，这种方法对熔体的洁净程度和冷却速率要求严苛，必须保证熔体中不存在产生异质成核的杂质，它可以节省纳米晶的制备工序，节省了时间及成本，因此受到学术界的青睐。组元多样性是改善Fe基纳米晶合金软磁性能的重要方式之一，通过改善Fe基纳米晶合金成分，有望在获得优异软磁性材料的同时，简化制备工艺，推动Fe基纳米晶合金的发展和应用。因此需要进一步对Fe基纳米晶合金成分进行改良，以进一步提高其软磁性能。
发明内容
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种Fe基纳米晶合金材料及其制备方法和应用。
[0006]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种Fe基纳米晶合金材料，所述Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为FexGdyBz，其中，x为Fe元素对应的原子含量，82≤x≤87;y为Gd元素对应的原子含量，0.5≤y≤3;z为B元素对应的原子含量，12≤z≤16;且x+y+z=100。
[0007]本发明将Gd元素添加在Fe-B合金体系中，得到具备优异软磁性能的高铁含量的Fe基纳米晶合金材料。
[0008]进一步地，所述Fe基纳米晶合金材料中，85.5≤x≤86.3。
[0009]进一步地，所述Fe基纳米晶合金材料中，0.72≤y≤1.52。
[0010]进一步地，所述Fe基纳米晶合金材料中，12.5≤z≤13.5。
[0011]更进一步地，所述Fe基纳米晶合金材料中，x=87.02-y。此时，z=12.98。
[0012]优选地，所述Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe86.30Gd0.72B12.98，其矫顽力为30.29A/m，饱和磁化强度为1.64T。
[0013]优选地，所述Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe85.90Gd1.12B12.98，其矫顽力为21.25A/m，饱和磁化强度为1.58T。
[0014]优选地，所述Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe85.50Gd1.52B12.98，其矫顽力为18.68A/m，饱和磁化强度为1.55T。
[0015]进一步地，所述Fe基纳米晶合金材料的厚度为18～22μm。
[0016]更进一步地，所述Fe基纳米晶合金材料的厚度为20μm。
[0017]第二方面，本发明提供了所述Fe基纳米晶合金材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按所述Fe基纳米晶合金材料中化学计量比将各元素单质原料按照熔点低在下熔点高在上的顺序放置，按照熔点低在下熔点高在上的顺序放置，抽真空后通入惰性气体，进行电弧熔炼，形成合金铸锭;
S2：将步骤S1的合金铸锭置于高真空单辊旋淬系统的石英管中，抽真空后通入惰性气体，将步骤S1的合金铸锭熔化为合金液滴，并滴于铜辊上，冷却成型，得到所述Fe基纳米晶合金材料。
[0018]进一步地，步骤S1或S2中，所述惰性气体选自氩气、氮气和氦气中的至少一种。
[0019]更进一步地，步骤S1或S2中，所述惰性气体选自氩气。
[0020]进一步地，步骤S1或S2中，通入惰性气体纯度为99.95～99.99wt%。
[0021]更进一步地，步骤S1或S2中，通入惰性气体纯度为99.99wt%。
[0022]进一步地，步骤S1或S2中，抽真空至压强为3.5×10-3～5×10-3Pa。
[0023]更进一步地，步骤S1或S2中，抽真空至压强为3.5×10-3Pa。
[0024]进一步地，步骤S1中，通入惰性气体至压强为-0.08～0.03Mpa。
[0025]更进一步地，步骤S1中，通入惰性气体至压强为-0.08Mpa。
[0026]进一步地，步骤S1中，将各元素单质原料在使用前依次经石油醚和无水乙醇中超声清洗。
[0027]进一步地，步骤S1中，熔炼电流为200～500A。
[0028]更进一步地，步骤S1中，熔炼电流为450A。
[0029]进一步地，步骤S1中，熔炼至各元素单质原料全部融化形成合金锭，冷却，将合金锭翻转，再次熔炼并进行磁搅拌。
[0030]进一步地，步骤S1中，重复电弧熔炼5～10次。
[0031]更进一步地，步骤S1中，重复电弧熔炼6次。
[0032]进一步地，步骤S2中，铜辊的转速为3200～3400r/min。
[0033]更进一步地，步骤S2中，铜辊的转速为3300r/min。
[0034]进一步地，步骤S2中，通入惰性气体至压强为350～400mbar。
[0035]更进一步地，步骤S2中，通入惰性气体至压强为400mbar。
[0036]进一步地，步骤S2中，先将合金铸锭先在200～300A电流条件下熔化，再在400～500A电流条件下完全熔化。
[0037]更进一步地，步骤S2中，先将合金铸锭先在300A电流条件下熔化，再在450A电流条件下完全熔化。
[0038]第三方面，本发明提供了所述Fe基纳米晶合金材料在制备磁性材料中的应用，如变压器、
传感器等。
[0039]与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明将其他元素加入Fe-B纳米晶合金体系中，制备Fe基纳米晶合金材料，并发现加入Gd元素后，能进一步降低Fe基纳米晶合金材料的矫顽力，提高其饱和磁化强度，得到具备优异软磁性能的高铁含量的Fe基纳米晶合金材料。
[0040]2、本发明发现所制备的Fe基纳米晶合金材料中，Fe、Gd和B元素的含量存在一定关系，各元素含量过大或过小都不能得到具备优异软磁性能的高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，只有在特定含量下，能提高Fe基纳米晶合金材料的软磁性能。
附图说明
[0041]图1为为本发明实施例1～3(Fe86.30Gd0.72B12.98、Fe85.90Gd1.12B12.98、Fe85.50Gd1.52B12.98)和对比例2(Fe85.10Gd1.92B12.98)制备的Fe基纳米晶合金材料的X射线衍射图像;
图2为本发明实施例1～3(Fe86.30Gd0.72B12.98、Fe85.90Gd1.12B12.98、Fe85.50Gd1.52B12.98)和对比例2(Fe85.10Gd1.92B12.98)制备的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度曲线;
图3为本发明对比例1～4(Fe87B13、Fe85.10Gd1.92B12.98、Fe83Gd2B15、Fe83Dy2B15)制备的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度曲线。
具体实施方式
[0042]为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例所用的其他材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0043]实施例1
1、一种具备优异软磁性能的高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe、Gd和B元素，原子百分比表达式为Fe86.30Gd0.72B12.98，厚度为20μm。
[0044]2、原子百分比表达式为Fe86.30Gd0.72B12.98的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0045]步骤(1)：以纯度不低于99.9%的Fe、Gd、B元素单质为原料，按照原子百分比表达式为Fe86.30Gd0.72B12.98的元素比例(原子比)，称取Fe、Gd和B元素单质，其中Fe95 g，Gd2.23g，B 2.77g，将各元素单质原料依次在石油醚和无水乙醇中超声清洗，得到清洗后的各元素单质原料。
[0046]步骤(2)：将步骤(1)清洗后的各元素单质原料按照熔点低在下熔点高在上的顺序放置在铜坩埚中，抽真空至炉腔内压强达到3.5×10-3Pa，再通入纯度为99.99wt%的高纯氩气作为保护气体，直至炉腔内压强达到-0.08Mpa，再进行电弧熔炼，熔炼电流为450A，待全部熔化形成合金锭，冷却，将合金锭翻转，再次熔炼并进行磁搅拌，以上方法重复熔炼6次，得到合金铸锭。
[0047]步骤(3)：将步骤(2)制备的合金铸锭置于高真空单辊旋淬系统的石英管中，抽真空后通入纯度为99.99wt%的高纯氩气至气压为400mbar，将合金铸锭先在300A电流条件熔化，再在450A电流条件下完全熔化后，得到合金液滴，将合金液滴滴于3300r/min快速旋转的铜辊上，冷却成型，得到原子百分比表达式为Fe86.30Gd0.72B12.98的Fe基纳米晶合金材料。
[0048]3、X射线衍射分析
如图1所示，显示了Fe86.30Gd0.72B12.98的Fe基纳米晶结构。
[0049]实施例2
1、一种具备优异软磁性能的高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe、Gd和B元素，原子百分比表达式为Fe85.90Gd1.12B12.98，厚度为20μm。
[0050]2、原子百分比表达式为Fe85.90Gd1.12B12.98的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0051]制备方法与实施例1不同的地方在于，Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe85.90Gd1.12B12.98，其中Fe93.81 g，Gd 3.44g，B 2.74g，其他相同。
[0052]3、X射线衍射分析
如图1所示，显示了Fe85.90Gd1.12B12.98的Fe基纳米晶结构。
[0053]实施例3
1、一种具备优异软磁性能的高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe、Gd和B元素，原子百分比表达式为Fe85.50Gd1.52B12.98，厚度为20μm。
[0054]2、原子百分比表达式为Fe85.50Gd1.52B12.98的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0055]制备方法与实施例1不同的地方在于，Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe85.50Gd1.52B12.98，其中Fe92.64 g，Gd 4.64g，B 2.72g，其他相同。
[0056]3、X射线衍射分析
如图1所示，显示了Fe85.50Gd1.52B12.98的Fe基纳米晶结构。
[0057]对比例1
1、一种高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe和B元素，原子百分比表达式为Fe87B13，厚度为20μm。
[0058]2、原子百分比表达式为Fe87B13的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0059]制备方法与实施例1不同的地方在于，Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe87B13，其中Fe97.19 g，B 2.81g，其他相同。
[0060]对比例2
1、一种高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe、Gd和B元素，原子百分比表达式为Fe85.10Gd1.92B12.98，厚度为20μm。
[0061]2、原子百分比表达式为Fe85.10Gd1.92B12.98的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0062]制备方法与实施例1不同的地方在于，Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe85.10Gd1.92B12.98，其中Fe91.49 g，Gd 5.81g，B 2.7g，其他相同。
[0063]3、X射线衍射分析
如图1所示，显示了Fe85.10Gd1.92B12.98的Fe基纳米晶结构。
[0064]对比例3
1、一种高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe、Gd和B元素，原子百分比表达式为Fe83Gd2B15，厚度为20μm。
[0065]2、原子百分比表达式为Fe83Gd2B15的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0066]制备方法与实施例1不同的地方在于，Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe83Gd2B15，其中Fe90.68 g，Gd 6.15g，B 3.17g，其他相同。
[0067]对比例4
1、一种高铁含量的Fe基纳米晶合金材料，其含有Fe、Dy和B元素，原子百分比表达式为Fe83Dy2B15，厚度为20μm。
[0068]2、原子百分比表达式为Fe83Dy2B15的Fe基纳米晶合金材料的制备方法。
[0069]制备方法与实施例1不同的地方在于，Fe基纳米晶合金材料的原子百分比表达式为Fe83Dy2B15，其中Fe90.49 g，Dy 6.34g，B 3.17g，其他相同。
[0070]性能检测试验
以实施例1～3和对比例1～4制备得到的Fe基纳米晶合金材料为待测样品，采用振动样品磁强计(VSM)测试，通过线圈中样品的振动，在探测线圈中感应出一个交变信号，该交变电压正比于样品的磁矩，测得的磁滞回线并进行分析计算，以得到待测样品的矫顽力和饱和磁化强度结果。
[0071]其中，实施例1原子百分比表达式为Fe86.30Gd0.72B12.98的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.64T，矫顽力(Hc)为30.29A/m。
[0072]实施例2原子百分比表达式为Fe85.90Gd1.12B12.98的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.58T，矫顽力(Hc)为21.25A/m。
[0073]实施例3原子百分比表达式为Fe85.50Gd1.52B12.98的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.55T，矫顽力(Hc)为18.68A/m。
[0074]对比例1原子百分比表达式为Fe87B13的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.55T，矫顽力(Hc)为32.17A/m。
[0075]对比例2原子百分比表达式为Fe85.10Gd1.92B12.98的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.50T，矫顽力(Hc)为14.06A/m。
[0076]对比例3原子百分比表达式为Fe83Gd2B15的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.51T，矫顽力(Hc)为28.37A/m。
[0077]对比例4原子百分比表达式为Fe83Dy2B15的Fe基纳米晶合金材料的饱和磁化强度(Ms)为1.53T，矫顽力(Hc)为24.81A/m。
[0078]由上述结果可知，比较本发明实施例1～3和对比例1，Gd元素加入到Fe-B合金中，使Fe基纳米晶合金材料的软磁性能有了明显改变，饱和磁化强度明显升高，矫顽力明显降低，使得合金样品的软磁性能得到提升，说明实施例1～3相比于对比例1其软磁性能性能较为优越。
[0079]对比例2进一步提升了Gd元素含量，降低Fe含量后，矫顽力降低，同时饱和磁化强度也降低。
[0080]对比例3相比于对比例2和实施例1～3进一步提升了Gd元素含量，降低Fe含量后，矫顽力相比对比例2提高，饱和磁化强度依旧偏低。
[0081]对比例4用Dy元素替换Gd元素后，相比于对比例3矫顽力稍降低，饱和磁化强度依旧不高。
[0082]如图2所示，结合上述分析，实施例1～3的Fe基纳米晶合金材料的磁化强度在低磁场下随磁场的增加急剧上升而后逐渐达到饱和，呈现出典型的软磁性能，且比对比例2更佳。
[0083]如图3所示，结合上述分析，对比例1～4制备得到的Fe基纳米晶合金材料都不能达到较好的软磁性能。
[0084]最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
说明书附图(3)
声明：
“Fe基纳米晶合金材料及其制备方法和应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：广东电网有限责任公司电力科学研究院
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