低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法

摘要

本发明提供了一种低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法，所述低温助剂合金粉末的合金表达式为NiaFebSicBd，所述合金表达式中，满足：83≤a≤93，2≤b≤8，2≤c≤8，1≤d≤5，a+b+c+d＝100。本发明的低温助剂合金粉末，具有优异的综合软磁性能、良好的润湿性，能够明显降低烧结温度，使得生产成本及能耗大幅度降低，生产效率大幅度提高，有利于工业化生产。

权利要求

1.一种用于制备软磁合金的低温助剂合金粉末，其特征在于，所述低温助剂合金粉末的合金表达式为NiaFebSicBd，所述合金表达式中，满足：83≤a≤93，2≤b≤8，2≤c≤8，1≤d≤5，a+b+c+d＝100。

2.根据权利要求1所述的用于制备软磁合金的低温助剂合金粉末，其特征在于，所述合金表达式为Ni88Fe5Si4B3。

3.一种如权利要求1或2所述的低温助剂合金粉末的制备方法，其特征在于，所述低温助剂合金粉末的制备方法包括以下步骤：配料：按所述合金表达式的配比分别称取包含Ni、Fe、Si和B元素的各种原料以进行配料；

熔炼母合金：将所述配料进行真空电弧熔炼后得到母合金铸锭；

带材制备：采用感应加热的方法熔化所述母合金铸锭，熔化后在单辊旋淬系统中快速凝固制得所述低温助剂合金的薄带；

粉末制备：采用高能球磨法、行星球磨法和机械破碎法中至少一种方法将所述薄带粉碎制备所述低温助剂合金粉末。

4.根据权利要求3所述低温助剂合金粉末的制备方法，其特征在于，所述真空电弧熔炼‑1

的条件包括：真空度≥6.0×10 Pa，保护气氛为99.999％纯度的氩气。

5.根据权利要求3所述低温助剂合金粉末的制备方法，其特征在于，所述单辊旋淬的过程中，铜辊表面线速度为20m/s～50m/s，喷射压强为0.4～1.00MPa，制得的所述薄带厚度为10～350μm。

6.如权利要求3所述低温助剂合金粉末的制备方法，其特征在于，所述熔炼母合金步骤中，包括：在熔炼炉中先炼熔钛合金锭，再熔炼所述配料，反复熔炼多次，得到所述母合金铸锭。

7.如权利要求3所述低温助剂合金粉末的制备方法，其特征在于，所述配料步骤之前包括：对包含各元素的原料进行氧化膜和杂质去除处理，具体为：将所述原料表面的氧化膜打磨去除后，置于无水乙醇中利用超声波清洗后干燥。

8.一种软磁合金的制备方法，其特征在于，所述软磁合金的制备方法包括：将Fe50Co50合金粉末与3wt.％的低温助剂合金粉末充分混合，并通过造粒、模压成型后在900℃～1200℃条件下进行等温烧结2h；所述的低温助剂合金粉末采用如权利要求3‑7所述的制备方法制得。

9.如权利要求8所述的软磁合金的制备方法，其特征在于，所述等温烧结的温度为950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃中的一种。

10.一种软磁合金，其特征在于，所述软磁合金由权利要求8或9所述软磁合金的制备方法制得。

说明书

低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及烧结助剂技术领域，具体涉及一种低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法。
【背景技术】

[0002] 能源存储和电网之间的双向电力流动需要更加高效的功率转换。功率转换是指机械能和电能之间的转换，而电能在很大程度上是由电机(包括电机和发电机)完成的。软磁
材料及其相关器件在能量转换中起着关键作用。

[0003] FeCo合金具有高的饱和磁感应强度、磁致伸缩系数及居里温度，电阻率小，磁各向同性，磁稳定性高，可以用于制作在较高温度下工作的零件，但不宜在高频下使用。用于制
作电磁铁，可产生大的吸合力；用于制作磁致伸缩换能器，输出能量高，也可用于制作微电
机、脉冲变压器的铁芯及其它磁体。该合金价格较贵，塑性较差，难以进行成型加工。

[0004] 粉末冶金工艺具有可成形最终形状的优势，而且，在很大程度上，可省掉后续作业，诸如冲压、磨抛加工、钻孔等。低温烧结可以有效降低烧结成本，是国内外关注的焦点之
一。

[0005] 因此，有必要提供一种低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法，以对FeCo合金的溶蚀增加，且与FeCo合金粉末具有良好的润湿性，降低FeCo合金粉末的烧结温度。
【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于提供一种低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法，所述低温助剂合金粉末的合金表达式包括NiaFebSicBd，具有优异的综合软磁性能、良好的润湿性，
能够明显降低烧结温度。

[0007] 本发明的技术方案如下：一种低温助剂合金粉末，所述低温助剂合金粉末的合金表达式为NiaFebSicBd，所述合金表达式中，满足：83≤a≤93，2≤b≤8，2≤c≤8，1≤d≤5，a+
b+c+d＝100。

[0008] 优选的，所述合金表达式为Ni88Fe5Si4B3。

[0009] 本发明还提供了一种如以上所述的低温助剂合金粉末的制备方法，所述低温助剂合金粉末的制备方法包括以下步骤：

[0010] 配料：按所述合金表达式的配比分别称取包含Ni、Fe、Si和B元素的各种原料以进行配料；

[0011] 熔炼母合金：将所述配料进行真空电弧熔炼后得到母合金铸锭；

[0012] 带材制备：采用感应加热的方法熔化所述母合金铸锭，熔化后在单辊旋淬系统中快速凝固制得所述低温助剂合金的薄带；

[0013] 粉末制备：采用高能球磨法、行星球磨法和机械破碎法中至少一种方法将所述薄带粉碎制得制备所述低温助剂合金粉末。

[0014] 优选的，所述真空电弧熔炼的条件包括：真空度≥6.0×10‑1Pa，保护气氛为99.999％纯度的氩气。

[0015] 优选的，所述单辊旋淬的过程中，铜辊表面线速度为20m/s～50m/s，喷射压强为0.4～1.00MPa，制得的所述薄带厚度为10～350μm。

[0016] 优选的，所述熔炼母合金步骤中，包括：在熔炼炉中先熔炼钛合金锭，再熔炼所述配料，反复熔炼多次，得到所述母合金铸锭。

[0017] 优选的，所述配料步骤之前包括：对包含各元素的原料进行氧化膜和杂质去除处理，具体为：

[0018] 将所述原料表面的氧化膜打磨去除后，置于无水乙醇中利用超声波清洗后干燥。

[0019] 本发明还提供了一种软磁合金的制备方法，所述软磁合金的制备方法包括：将Fe50Co50合金粉末与3wt.％的如以上所述的低温助剂合金粉末充分混合，并通过造粒、模压
成型后在900℃～1200℃条件下进行等温烧结2h。

[0020] 优选的，所述等温烧结的温度为950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃中的一种。

[0021] 本发明还提供了一种软磁合金，所述软磁合金由以上所述软磁合金的制备方法制得。

[0022] 本发明的有益效果在于：本发明提供了一种低温助剂合金粉末、软磁合金及其制备方法，所述低温助剂合金粉末的合金表达式为NiaFebSicBd，所述合金表达式中，满足：83
≤a≤93，2≤b≤8，2≤c≤8，1≤d≤5，a+b+c+d＝100。本发明的低温助剂合金粉末，具有优
异的综合软磁性能、良好的润湿性，在烧结过程中，能够明显降低烧结温度，使得生产成本
及能耗大幅度降低，生产效率大幅度提高，有利于工业化生产。
【附图说明】

[0023] 图1为本发明实施例的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末，在不同烧结温度下添加前后Fe50Co50软磁合金粉末的烧结密度曲线；

[0024] 图2为本发明实施例的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末，在1150℃下添加前后的Fe50Co50软磁合金粉末烧结体外加不同磁场下的振动样品磁强计(VSM)中的曲线；

[0025] 图3为本发明的实施例的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末，在1150℃下添加前后的Fe50Co50软磁合金粉末烧结体外加不同磁场下的扫描电子显微镜(SEM)图。
【具体实施方式】

[0026] 下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

[0027] 本发明提供了一种低温助剂合金粉末，所述低温助剂合金粉末的合金表达式为NiaFebSicBd，所述合金表达式中，满足：83≤a≤93，2≤b≤8，2≤c≤8，1≤d≤5，a+b+c+d＝
100。优选的，所述合金表达式中，满足：a＝88，b＝5，c＝4，d＝3，则低温助剂合金粉末的合
金表达式为Ni88Fe5Si4B3。

[0028] 基于以上低温助剂合金粉末，本发明还提供了一种低温助剂合金粉末的制备方法，所述低温助剂合金粉末的制备方法包括以下步骤：

[0029] 在步骤S1中，配料：按前文低温助剂合金合金表达式NiaFebSicBd中Ni、Fe、Si和B各元素的原子比例对分别包含Ni、Fe、Si和B元素的各原料进行配料。其中，所述合金表达式
中，满足：83≤a≤93，2≤b≤8，2≤c≤8，1≤d≤5，a+b+c+d＝100。

[0030] 具体的，选取高纯度包含Ni、Fe、Si以及B各元素的原料，按照低温助剂合金合金表达式对以上包含各元素的原料进行配料。优选的，在步骤S1之前，对步骤S1中的各原料进行
去氧化膜和杂质处理。具体的，将包含Ni、Fe、Si以及B各元素的原料表面的氧化膜打磨去除
后放入盛有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗250s，之后将其完全干燥。

[0031] 在步骤S2中，熔炼母合金：将所述配料进行真空电弧熔炼后铸锭得到母合金铸锭。

[0032] 具体的，将配制好的母合金成分放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚里，密‑1
度大且熔点高的合金元素放在上面，首先利用机械泵将炉腔的真空度抽至4×10 Pa，关闭
‑3
机械泵阀门，使用扩散泵将炉腔的真空度抽至4×10 Pa以下，然后将扩散泵阀门关闭，充入
0.05MPa的纯度为99.999％的氩气，作为保护气体；最后，打开电源系统的开关，利用钨电极
与铜电机来接触引弧，并开始熔炼。可选的，熔炼时，每熔炼一次，待合金完全凝固后，利用
手动悬臂的翻转勺将其翻转过来，并反复熔炼6次保证母合金铸锭的成分均匀。可选的，在
熔炼母合金原料之前，需要先熔炼钛合金锭，这是因为在熔炼时的高温条件下，钛合金可以
吸附炉腔内残留的空气，进一步提高熔炼炉腔体内的真空度。

[0033] 在步骤S3中，带材制备：采用感应加热的方法熔化所述母合金铸锭，熔化后在单辊旋淬系统中快速凝固制得所述低温助剂合金的薄带。

[0034] 具体的，将熔炼好的母合金破碎后，放入底部开有圆孔且孔的直径为0.6mm的石英管中，然后放置在快淬设备真空腔里的感应线圈中并石英管底部固定在距离铜辊上方
‑3
0.8mm高度处，采用机械泵和扩散泵抽真空至5.0×10 Pa后充入0.05MPa的纯度为99.999％
的氩气，然后开启通有冷却循环水的铜辊、感应加热线圈电源，在高纯氩气的保护下并采用
高频感应加热的方式使石英管中的母合金熔化均匀，然后在石英管内外压差为0.05MPa下
把熔融均匀的母合金喷射到高速旋转的铜辊上，制备出低温助剂合金NiaFebSicBd薄带。

[0035] 在步骤S4中，粉末制备：采用高能球磨法、行星球磨法和机械破碎法中至少一种方法将所述薄带粉碎制得所述低温助剂合金粉末。

[0036] 具体的，将低温助剂合金NiaFebSicBd薄带放入高能球磨中，球料比为5：1，加入10wt.％无水乙醇，转速为2000r/min，球磨1h，取出真空干燥获得本发明的低温助剂合金粉
末。

[0037] 本发明还提供了一种软磁合金的制备方法，所述软磁合金包括FeCo合金和前文记载的低温助剂合金粉末。具体的，将粒径d50约为7μm的Fe50Co50合金粉末与前文制得的
3wt.％的NiaFebSicBd低温助剂合金粉末充分混合，并通过造粒、模压成型后在900℃‑1200
℃的条件下进行等温烧结2h制得Fe50Co50软磁合金体系烧结体。优选的，等温烧结过程中的
温度可以为950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃中的一种。

[0038] 本发明的低温助剂合金粉末，成分范围广且可连续调整，含有多个对提高软磁合金综合性能有利的元素Fe、Ni、Si、B等。合金成分中的B类金属元素，在本发明的比例范围
内，与Ni元素形成共晶使得Ni基低温助剂合金的熔点明显下降，同时提高合金的高温强度；
合金成分中的Si类金属元素，在本发明的比例范围内，与Ni元素形成间隙固溶体使得Ni基
低温助剂合金的熔点明显下降，提高低温助剂合金粉末与FeCo基软磁合金粉末的润湿性；
本发明的低温助剂合金粉末在烧结过程中形成的Ni‑Ni3B液相与FeCo基软磁合金粉末润湿
性良好，且不与FeCo基软磁合金发生反应，有利于促进FeCo基软磁合金的完全致密化；在通
常的FeCo基软磁合金的低温烧结温度较(1200℃以上)的基础上添加本发明的低温助剂合
金粉末后，烧结温度能降低200℃，可以大幅度降低FeCo基软磁合金生产成本及能耗，以大
幅度提高生产效率。

[0039] 因此，本发明的低温助剂合金粉末具有优异的综合软磁性能、良好的润湿性、能够明显降低FeCo基软磁合金粉末的烧结温度，使得其生产成本及能耗大幅度降低，生产效率
大幅度提高，有利于工业化生产。

[0040] 实施例

[0041] 在步骤S1中，配料：选取纯度为99.9wt.％的Ni、纯度为99.99wt.％的Fe、纯度为99.999wt.％的Si、纯度为99.5wt.％的FeB，按照低温辅助剂合金合金表达式Ni88Fe5Si4B3进
行配料；在称取原材料之前，把原材料上面的氧化膜打磨去除，后将Ni、Fe、Si和FeB等原材
料放入盛有无水乙醇的烧杯中，进行超声波清洗250s，之后将其完全干燥。

[0042] 在步骤S2中，熔炼母合金：将配制好的母合金成分放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚里，密度大且熔点高的合金元素放在上面，首先利用机械泵将炉腔的真空度抽
‑1 ‑3
至4×10 Pa，关闭机械泵阀门，使用扩散泵将炉腔的真空度抽至4×10 Pa以下，然后将扩
散泵阀门关闭，充入0.05MPa的纯度为99.999％的氩气，作为保护气体；最后，打开电源系统
的开关，利用钨电极与铜电机来接触引弧，并开始熔炼。在熔炼母合金原料之前，需要先熔
炼钛合金锭，这是因为在熔炼时的高温条件下，钛合金可以吸附炉腔内残留的空气，进一步
提高熔炼炉腔体内的真空度。熔炼时，每熔炼一次，待合金完全凝固后，利用手动悬臂的翻
转勺将其翻转过来，并反复熔炼6次保证母合金铸锭的成分均匀。

[0043] 在步骤S3中，带材制备：将熔炼好的母合金破碎后，放入底部开有圆孔且孔的直径为0.6mm的石英管中，然后放置在快淬设备真空腔里的感应线圈中并石英管底部固定在距
‑3
离铜辊上方0.8mm高度处，采用机械泵和扩散泵抽真空至5.0×10 Pa后充入0.05MPa的纯度
为99.999％的氩气，然后开启通有冷却循环水的铜辊、感应加热线圈电源，在高纯氩气的保
护下并采用高频感应加热的方式使石英管中的母合金熔化均匀，然后在石英管内外压差为
0.05MPa下把熔融均匀的母合金喷射到高速旋转的铜辊上，制备出低温助剂合金
NiaFebSicBd的薄带。

[0044] 在步骤S4中，粉体制备：将低温助剂合金Ni88Fe5Si4B3的薄带放入高能球磨中，球料比为5：1，加入无水乙醇10wt.％，转速为2000r/min，球磨1h，取出真空干燥，即可制备出低
温助剂合金粉末，即Ni88Fe5Si4B3粉末。

[0045] Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末性能检测结果

[0046] 将粒径d50约为7μm的Fe50Co50合金粉末与实施例中制得的3wt.％的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末充分混合，并通过造粒、模压成型后分别在950℃、1000℃、1050℃、1100℃、
1150℃进行等温烧结2h以烧结Fe50Co50软磁合金。

[0047] 图1为不同烧结温度(950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃)下添加3wt.％的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末前后的Fe50Co50合金粉末烧结密度曲线，由图1可见，
Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末可以在较低的温度下使Fe50Co50合金粉末烧结致密，明显降
低了烧结温度。

[0048] 图2为1150℃下添加3wt.％的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末前后的Fe50Co50合金粉末烧结体在不同外加磁场下的振动样品磁强计(VSM)中的曲线，由图2可见，Ni88Fe5Si4B3
低温助剂合金粉末添加前后的Fe50Co50合金粉末烧结体都呈现典型的软磁特征，其中添加
3wt.％的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末后的Fe50Co50合金粉末烧结体的Bs为2.32T，具有较
为优异的软磁性能。

[0049] 图3为1150℃下添加3wt.％的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末前(图3中的(b))后(图3中的(a))的Fe50Co50合金粉末烧结体在不同外加磁场下的扫描电子显微镜(SEM)下的
图片，由图3可见，添加3wt.％的Ni88Fe5Si4B3低温助剂合金粉末后(图3中的(a))的Fe50Co50
合金粉末烧结体晶粒尺寸更大，有利于增强磁软度，进一步降低合金的矫顽力。

[0050] 以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范
围。