一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯与流程

1.本发明涉及铁基纳米晶软磁合金材料技术领域，具体地，涉及一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯。

背景技术：

2.随着电力系统和电子通讯器件向高频化、轻量化方向的发展，对其中所用的软磁材料的软磁性能指标要求越来越高。而铁基纳米晶合金恰恰具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低铁损和低矫顽力等优异软磁性能，且成本低和节能效果好等优点，被广泛应用于高频开关电源变压器、高中频大功率变压器、脉冲变压器、电子变压器、逆变式电焊机变压器及配电变压器等电力电子器件中，有利于促进产品节能环保、小型化、轻量化发展。
3.铁基纳米晶合金是由非晶合金经过热处理得到的非晶基体和纳米晶粒两相组成。自1988年，日本日立金属公司的yoshizawa等人发现了fe-si-b-nb-cu纳米晶体系，由于其高磁导率、低矫顽力等优点而得到广泛的应用。同时在国内外也掀起了铁基纳米晶软磁合金的研究热潮。经过几十年的研究探索，目前的纳米晶软磁合金主要包括四个体系：fesibmcu(m＝nb,ta,w,mo等)系finemet合金，femb(cu)系(m＝zr,hf,nb等)nanoperm合金，(fe,co)mbcu系(m＝zr,hf,nb等)系hitperm合金以及fesibpcu系nanomet合金。其中，finemet合金虽具有优异的软磁性能，但因fe元素含量较低，其典型成分fe
73.6
nb3si
13.5
b9cu1的饱和磁感应强度仅为1.24，一定程度上限制了在向小型化发展的电力电子器件上的应用；nanoperm系与hitperm系合金虽具有较高的饱和磁感应强度且磁致伸缩系数趋近于零，但大量的易氧化贵金属zr，hf等元素存在，以及hitperm系合金中含有大量的co元素，导致合金生产成本提高，同时使得制备工艺复杂，因此难以得到推广应用。而高铁含量fe-si-b-p-cu合金体系具有极高的饱和磁感应强度可达1.9t，具有广阔的应用前景。但是，苛刻的带材制备工艺要求以及复杂的快速升温热处理工艺条件限制了该合金体系的广泛应用。
4.此外，铁基纳米晶软磁合金最终是以带材绕制成环并经过热处理制备出铁芯的形式应用于电力电子器件中的。因此，在实际生产过程中，大批量的纳米晶铁芯热处理过程中会出现受热不均匀、纳米晶粒析出量少且不均匀的问题，导致饱和磁感应强度低和软磁性能差，生产出的纳米晶铁芯质量稳定性差，严重制约着铁基纳米晶软磁合金的推广应用，尤其是高铁含量的软磁合金的生产发展。所以，研究和开发一种具有优异的综合软磁性能、较高的热稳定性、较宽的最佳热处理温度、时间区间的铁基纳米晶软磁合金成为了市场和实际生产的研究重点和热点。
5.中国发明专利cn101796207a(日立金属株式会社)公开了一种非晶态合金薄带、纳米晶态软磁性合金和磁芯，属于fesibmcu纳米晶合金体系，该纳米晶合金具有高的磁导率和低的矫顽力。然而，该合金标准成分的饱和磁感应强度仅为1.6-1.65t，有待进一步提高。且该发明的技术方案虽然通过成分的调整及热处理工艺的优化一定程度上改善了纳米晶合金的软磁性能，但是仍然存在着饱和磁感应强度低、高应用场下的磁导率较低和高温热稳定性差等缺点。中国发明专利cn112267057a公开了一种软磁高熵合金，采用全金属体系
制备具有软磁性能的全金属合金，但是其含铁量为10～30％，需要添加大比例的ni、co和cu，从经济成本上考虑，极难大规模的推广应用。
6.综上所述，开发一种兼具高饱和磁感应强度、高温热稳定性、高场应用下的高磁导率的铁基纳米晶软磁合金材料对于促进新型绿节能电力电子器件的开发和铁基纳米晶软磁合金的推广应用具有重要意义。

技术实现要素：

7.针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种全金属铁基纳米晶软磁合金及其制备方法和磁芯，全金属铁基纳米晶软磁合金中不添加非金属元素，且具有高热稳定性高功率大容量型高频高磁感应强度，且兼具高饱和磁感应强度、高温热稳定性、高场应用下的高磁导率。
8.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案，一种全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的材料采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有fe-co-m-n-cu纳米合金体系，其中，m＝zr、hf、nb；n＝li、be；其中fe含量为85～90％。
9.一般认为，fe作为磁性元素，是保证高饱和磁感应强度的关键，但较高的fe含量会导致非晶形成能力的降低，因此现有技术中通常选用的fe含量不高于85％。而本发明提供全金属铁基纳米晶软磁合金在保证非晶形成能力的基础上尽可能高的提高fe含量，最高可达90％，远远高于现有技术的合金中的铁含量。同时，zr和be元素是提高合金非晶形成能力不可或缺的元素，而cu元素为纳米晶形核提供异质形核点，是提高纳米晶析出量的重要元素。be元素的加入可以显著提高合金带材的弯折韧性，这为后续合金带材的卷绕成型具有很重要的意义。对于软磁性能方面，be元素的加入可以显著降低合金带材的磁致伸缩系数，优化合金的软磁性能。作为更优的技术方案，在上述合金体系中引入co，co作为铁族过渡元素，既可以提高合金元素之间的混合焓和原子错配比提高非晶形成能力，也可以抑制纳米晶粒的长大，同时feco元素之间的磁交互耦合作用可以起到提高合金的饱和磁感应强度改善软磁性能。因此，必须寻到一个平衡区间使构成的合金元素能够同时起到增加非晶形成能力和优化软磁性能以及热处理区间和提高高频特性的效果。基于上述理论的分析，本发明对全金属高铁含量的纳米晶软磁合金成分进行了进一步的优选。
10.作为优选地实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的分子式为：feazrbbeccodcue；其中，a、b、c、d和e分别表示所述铁基纳米晶软磁合金中各合金元素的原子百分含量，且，满足以下条件：85≤a≤90；7b≤9；0c≤2；0d≤5；0.7≤e≤2；a+b+c+d+e＝100；更优选地，0.7≤e≤1。
11.作为优选的实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的原料的纯度≥99.9％。
12.作为优选的实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的结构为体心立方结构的а-fe(co)纳米晶，并镶嵌在非晶基底上。更优选地，所述а-fe(co)纳米晶的平均晶粒尺寸为10～12nm。
13.作为优选的实施方式，所述全金属铁基纳米晶软磁合在580～620℃热处理30～60分钟后矫顽力保持在10a/m。
14.作为优选的实施方式，经过晶化热处理后的所述纳米晶软磁合金的饱和磁感应强
度1.7～1.8t；1khz下80a/m的应用场下的最大磁导率≥25000；10khz下的磁导率≥25000。
15.为实现另一个目的，本发明还提供了上述全金属铁基纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤：
16.(1)称取各合金原料进行配料；
17.(2)制备母合金锭：将所述合金原料置于电弧熔炼装置内，在惰性气氛保护下进行熔炼，熔炼温度为1300～1800℃；反复熔炼4-5次，得到所述母合金锭；
18.(3)制备快淬带材：将步骤(2)制得的所述母合金锭破碎，破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷甩带工艺处理，制备得到非晶合金的快淬带材；
19.(4)晶化热处理：将步骤(3)制得的非晶合金装入热处理炉中以匀速升温至480～640℃，保温10～60min后取出，并淬火冷却至室温，即可得到所述全金属铁基纳米晶软磁合金。
20.作为优选的实施方式，步骤(3)中，所述非晶合金的快淬带材为条带状，宽度为1～2mm，厚度为20～25μm。更优选地，所述快淬带材的宽度为1.5～2mm，厚度为23～25μm。
21.作为优选的实施方式，步骤(3)中，所述单辊急冷甩带工艺包括在氩气氛围中以30～40m/s的速度甩带。
22.作为优选的实施方式，步骤(4)中，所述匀速升温的速率为1～10℃/s。
23.针对先有技术存在的技术问题，本发明提供了一种无类金属(si、b、p、c)、高fe含量的全金属铁基纳米晶软磁合金其结构式为fe-co-m-n-cu(m＝zr、hf、nb等。n＝li、be等)系纳米晶合金。该合金体系不含(si、b、p、c)元素，同时fe的含量较传统合金明显增多。一般地，高铁合金在高温条件下极易恶化，非晶形成能力的降低，导致其不具备优良的软磁性能，本发明通过一方面通过优化全金属铁基合金的元素配比，利用feco元素之间的磁交互耦合作用提高合金的饱和磁感应强度改善软磁性能的同时，辅以cu、be提高纳米晶析出量并降低合金带材的磁致伸缩系数，从而优化合金的软磁性能，最终获得能够在高温条件下依旧保持优异软磁性能的全金属铁基纳米晶软磁合金。
24.因此，合金的饱和磁化强度得到了有效提高，同时其优异的高应用场下的高磁导率高频率稳定性，从而极大地推动了对节能环保、小型化、轻量化加速器用大功率密度超高频高精度电源控制器、高频变压器等技术领域的铁基纳米晶结构合金的开发和研究。
25.将上述方案提供的全金属铁基纳米晶软磁合金用于各种变压器、各种电抗器和扼流线圈、噪声控制部件、激光电源和加速器等使用的脉冲功率磁性部件、通讯用脉冲变压器、各种电机磁芯、各种发电机、各种磁传感器、天线磁芯、各种电流传感器、磁屏蔽等。
26.本发明技术方案的技术效果：
27.1.通过采用本发明的技术方案，提供的全金属铁基纳米晶软磁合金材料，为全金属高铁含量的fe-co-m-n-cu系纳米晶合金材料，其结构包括非晶基体和纳米晶晶粒，该纳米晶粒相位体心立方的α-fe(co)，其平均晶粒尺寸小于12nm；其中铁含量最高可达90％的同时还能够兼具高热稳定性和磁感应性能。
28.2.采用本发明的技术方案，在晶化热处理后，得到的铁基纳米晶软磁合金材料具有优异的软磁性能，同时，还兼具高热稳定性高功率大容量型高频高磁感应强度等特点，其饱和磁感应强度为1.70～1.80t，矫顽力～10a/m；同时，1khz下80a/m的应用场下的最大磁导率超过25000以上，10khz下的磁导率超过25000以上，具有极高的频率稳定性。
29.3.本发明的高热稳定性高功率大容量型高频高磁感应强度新型全金属铁基纳米晶软磁合金材料具有优异综合软磁性能、高场应用下的高磁导率和高热稳定性等优点，具有良好的应用前景，如应用于加速器用大功率高精度电源控制器、高频变压器等技术领域。
30.4.采用本发明技术方案，提高具有高铁的含量的软磁合金，在具有高温稳定性和优异的软磁性能的同时，降低了原料成本，制备工艺简单，具有广泛的市场应用和推广前景。
附图说明
31.图1本发明实施例1的全金属铁基纳米晶合金的制备流程图。
32.图2为本发明实施例1-2和对比例1的淬态非晶合金带材的x射线衍射图谱。
33.图3为本发明实施例1-2和对比例1的淬态非晶合金带材的dsc曲线。
34.图4为本发明实施例1-2和对比例1的淬态非晶合金在480-640℃热处理30min后的矫顽力曲线。
35.图5为本发明实施例1-2和对比例1的淬态非晶合金在600℃热处理不同时间的矫顽力。
36.图6a本发明实施例1-2和对比例1在晶化热处理后得到的纳米晶合金的磁滞回线和饱和磁感应强度。
37.图6b为图6a的放大图。
38.图7为本发明对比例1在最佳条件520℃热处理30min后在不同场强下磁导率随频率变化的曲线。
39.图8为本发明实施例1在600℃热处理30min后在不同场强下磁导率随频率变化的曲线。
40.图9为本发明实施例2在600℃热处理30min后在不同场强下磁导率随频率变化的曲线。
41.图10为本发明实施例1-2和对比例1的非晶合金在600℃热处理30min后的x射线衍射图谱。
42.图11a为本发明实施例1在600℃热处理30min后纳米晶合金的tem明场像图。
43.图11b为本发明实施例1在600℃热处理30min后纳米晶合金的粒径分布图。
44.图12a为本发明实施例2在600℃热处理30min后纳米晶合金的tem明场像图。
45.图12b为本发明实施例2在600℃热处理30min后纳米晶合金的粒径分布图。
具体实施方式
46.使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
47.本发明提供了一种全金属铁基纳米晶软磁合金，该纳米晶软磁合金的成分采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有fe-co-m-n-cu合金体系，其中，m＝zr、hf、nb；n＝li、be；铁含量为85～90％。
48.在优选地实施方式中，提供的上述纳米晶软磁合金的分子式为：feazrbbeccodcue；其中，a、b、c、d和e分别表示所述铁基纳米晶软磁合金中各合金元素的原子百分含量，且，满足以下条件：85≤a≤90；7b≤9；0c≤2；0d≤5；0.7≤e≤2；a+b+c+d+e＝100；更优选地，0.7≤e≤1。
49.在优选的实施方式中，上述全金属铁基纳米晶软磁合金的原料的纯度≥99.9％。
50.在优选的实施方式中，全金属铁基纳米晶软磁合金的结构为体心立方结构的а-fe(co)纳米晶，并镶嵌在非晶基底上。更优选地，а-fe(co)纳米晶的平均晶粒尺寸为10～12nm。
51.本发明提供了上述全金属铁基纳米晶软磁合金的制备方法，具体步骤包括：
52.(1)称取各合金原料进行配料；具体地，根据分子式为：feazrbbeccodcue称取各元素进行配料，下标a、b、c、d和e分别表示各对应合金元素的原子百分含量，并且满足以下条件：85≤a≤90；7b≤9；0c≤2；0d≤5；0.7≤e≤2。
53.(2)制备母合金锭：将步骤(1)的合金原料置于电弧熔炼装置内，在惰性气氛保护下进行熔炼，熔炼温度为1300～1800℃；反复熔炼4～5次，得到母合金锭；
54.(3)制备快淬带材：将步骤(2)制得的母合金锭破碎，破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷甩带工艺处理，制备非晶合金的快淬带材；
55.(4)晶化热处理：将步骤(3)制得的非晶合金装入热处理炉中以以1～10℃/s的升温速率匀速升温至480～640℃，保温10～60min后取出，并淬火冷却至室温，即可得到全金属铁基纳米晶软磁合金。
56.采用上述方案制备的全金属铁基纳米晶软磁合金具有
57.在580～620℃热处理30～60分钟后矫顽力保持在10a/m；经过晶化热处理后得到的纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度≥1.71t；1khz下80a/m的应用场下的最大磁导率≥25000；10khz下的磁导率≥25000。
58.下面通过具体的实施例来进一步详细说明本发明的技术方案。
59.实施例1
60.本实施例提供的全金属铁基纳米晶软磁合金的分子式为fe
90
zr7be2cu1。
61.参阅图1，其具体制备方法如下：
62.步骤1：将纯度大于99.9％的原料fe、zr、be和cu按组成关系式fe
90
zr7be2cu1进行配料。
63.步骤2：将配比好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至低于2.0
×
10-2
pa，然后充入氩气至气压为-0.05～0.01mpa进行正反面4-5次熔炼得到成分均匀的合金锭。
64.步骤3：将步骤2得到的合金锭破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在氩气氛围中以30～40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带。
65.步骤4：将步骤3得到的非晶合金条带置于石英管中，抽真空至5.0
×
10-3
pa，将石英管置于热处理炉中，以大约2℃/s的升温速率升至600℃，保温30分钟，然后迅速将石英管取出并置于水中淬火至室温，得到纳米晶合金材料。
66.采用d8 advance型多晶x射线衍射仪测试步骤3制得的淬态合金条带及经步骤4热处理后的合金条带的微观结构进行了表征，结果如图2和图10所示。
67.参阅图2中的实施例1的谱图中显示步骤3所制备的合金条带具有一个宽化的弥散
衍射峰，说明该合金条带为非晶态结构。
68.参阅图10中的实施例1的谱图中，在600℃保温30min后合金条带出现了晶化峰，经分析该晶化相为体心立方结构fe，即α-fe，通过scherrer公式估算其晶粒尺寸在12nm左右。
69.进一步地，图11a和图11b所示分别为经过步骤4热处理后的合金条带在最佳条件下的tem明场像和粒径分布图；其中，采用tecnai f20型透射电子显微镜对样品的微观结构进行测量。可以看出，晶化热处理后的合金条带结构由非晶相及分布在非晶基体中的纳米晶粒组成，该晶粒的尺寸在10～12nm左右，与x射线衍射分析结果吻合。细化晶粒的均匀分布是实施例1制备的合金具有优异软磁性能的内在因素。
70.图3所示为步骤3所制备的合金条带的dsc曲线。其中，dsc曲线采用netzsch dsc 404c差示扫描量热仪测量，测量的升温速率为0.67℃/s。可以看出，合金带材具有明显的放热焓变，表明了所制备的合金具有非晶合金的特性。
71.图4和图5所示为经过步骤4热处理后合金条带随温度和时间变化的矫顽力。其中，矫顽力采用直流b-h仪(exph-100)测量。可以看出，保温30min时，在600～620℃范围内矫顽力可保持在10a/m左右，在600℃热处理20min～40min范围内矫顽力保持相对较小的值，以上说明此合金具有高的高温热稳定性。
72.图6a和图6b所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下的磁滞回线，其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(vsm，lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度，可以看出，合金的饱和磁感应强度为1.71t，饱和磁感应强度显著提高有利于实现产品节能环保、小型化、轻量化等。
73.图8所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下不同场强下的磁导率，采用阻抗分析仪(agilent 4294a)测试。从图中可以看出磁导率随着外加应用场的增加呈现出先增后降的趋势，在50a/m的应用场下1khz下的最佳磁导率可达到33000，80a/m的应用场下1khz下的磁导率也可达到26000以上，同时在10khz下的磁导率在相应的应用场下没有发生衰减现象，说明此合金具有较高的频率稳定性和超高的磁导率。这种在高的应用外场下的高磁导率以及高的频率稳定性可以用于加速器用大功率密度超高频高精度电源控制器、高频变压器等技术领域。
74.实施例2
75.本实施例中，新型全金属铁基纳米晶软磁合金材料的分子式fe
85
zr7be2co5cu1。
76.该铁基纳米晶合金的具体制备方法如下：
77.步骤1：将纯度大于99.9％的原料fe、zr、be、co和cu按组成关系式fe
85
zr7be2co5cu1进行配料。
78.步骤2：将配比好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至低于2.0
×
10-2
pa，然后充入氩气至气压为-0.05～0.01mpa进行正反面4-5次熔炼得到成分均匀的合金锭。
79.步骤3：将步骤2得到的合金锭破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在氩气氛围中以30～40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带.
80.步骤4：将步骤3得到的非晶合金条带置于石英管中，抽真空至5.0
×
10-3
pa，将石英管置于热处理炉中，以大约2℃/s的升温速率升至520～640℃，保温10～60分钟，然后迅速将石英管取出并置于水中淬火至室温，得到纳米晶合金材料。
81.采用d8 advance型多晶x射线衍射仪测试步骤3制得的淬态合金条带及经步骤4热
处理后的合金条带的微观结构进行了表征，结果如图2和图10所示。图中显示步骤3所制备的合金条带具有一个宽化的弥散衍射峰，说明该合金条带为非晶态结构。在600℃保温30min后合金条带出现了晶化峰，经分析该晶化相为体心立方结构，即α-fe(co)，通过scherrer公式估算其晶粒尺寸在11.5nm左右。
82.图12a所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下的tem明场像；图12b所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下的粒径分布图；其中，采用tecnai f20型透射电子显微镜对样品的微观结构进行测量。可以看出,晶化热处理后的合金条带结构由非晶相及分布在非晶基体中的纳米晶粒组成，该晶粒的尺寸在10～12nm左右，与x射线衍射分析结果吻合。co元素的加入致使晶粒进一步细化是此合金具有优异软磁性能的内在因素。
83.图3所示为步骤3所制备的合金条带的dsc曲线。其中，dsc曲线采用netzsch dsc 404c差示扫描量热仪测量，测量的升温速率为0.67℃/s。可以看出，合金带材具有明显的放热焓变，表明了所制备的合金具有非晶合金的特性。
84.图4和图5所示为经过步骤4热处理后合金条带随温度和时间变化的矫顽力。其中，矫顽力采用直流b-h仪(exph-100)测量。可以看出，保温30min时，在580～620℃范围内矫顽力可保持在10a/m左右，在600℃热处理20min～40min范围内矫顽力保持相对较小的值，以上说明此合金具有高的高温热稳定性。
85.图6所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下的磁滞回线，其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(vsm，lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度，可以看出，合金的饱和磁感应强度为1.78t，这种fe,co元素的交互耦合作用致使饱和磁感应强度显著提高更加有利于实现产品节能环保、小型化、轻量化等。
86.图9所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下不同场强下的磁导率，采用阻抗分析仪(agilent 4294a)测试。从图中可以看出磁导率随着外加应用场的增加呈现出先增后降的趋势，在80a/m的应用场下1khz下的最佳磁导率可达到27000，100a/m的应用场下1khz下的磁导率也可达到25000以上，同时在10khz下的磁导率在相应的应用场下没有发生衰减现象，说明此合金具有较高的频率稳定性和超高的磁导率。这种在高的应用外场下的高磁导率以及高的频率稳定性可以用于加速器用高功率大容量型超高频高精度电源控制器、高频变压器等技术领域。
87.对比例1
88.本对比例以nanoperm合金作为对比，nanoperm纳米晶软磁合金材料的分子式为fe
90
zr7b2cu1。
89.本对比例的铁基纳米晶合金的具体制备方法如下步骤：
90.步骤1：将纯度大于99％的原料fe、zr、b和cu按组成关系式fe
90
zr7b2cu1进行配料。
91.步骤2：将配比好的原料放入电弧熔炼炉中，抽真空至低于2.0
×
10-2
pa，然后充入氩气至气压为-0.05～0.01mpa进行正反面4-5次熔炼得到成分均匀的合金锭。
92.步骤3：将步骤2得到的合金锭破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，采用单辊急冷甩带工艺，在氩气氛围中以30～40m/s的速度甩带，制得非晶合金条带。
93.步骤4：将步骤3得到的非晶合金条带置于石英管中，抽真空至5.0
×
10-3
pa，将石英管置于热处理炉中，以2℃/s的升温速率升至600℃，保温10～60分钟，然后迅速将石英管取出并置于水中淬火至室温，得到纳米晶合金材料。
94.性能表征：
95.采用d8 advance型多晶x射线衍射仪分别测试步骤3制得的淬态的非晶合金条带和步骤4热处理后的纳米晶合金材料的xrd图谱，结果如图2和图10所示。
96.参阅图2和图10，显示步骤3所制备的合金条带具有一个宽化的弥散衍射峰，说明该合金条带为非晶态结构。在600℃保温30min后合金条带出现了α-fe和fe3zr晶化峰，说明该合金具有较差的高温热稳定性。
97.通过scherrer公式估算其晶粒尺寸在18nm左右。
98.图3所示为步骤3所制备的合金条带的dsc曲线。其中，dsc曲线采用netzsch dsc 404c差示扫描量热仪测量，测量的升温速率为0.67℃/s。可以看出，合金带材具有明显的放热焓变，表明了所制备的合金具有非晶合金的特性。
99.图4和图5所示为经过步骤4热处理后合金条带随温度和时间变化的矫顽力。其中，矫顽力采用直流b-h仪(exph-100)测量。可以看出，保温30min时，在520～540℃范围内矫顽力可保持在10a/m左右，当温度超过540℃矫顽力迅速恶化。在600℃热处理10min～60min范围内矫顽力仅在10min时约为10a/m，以上说明此合金与实施例1和/或2相比，实施例1和/或2具有更佳的高温热稳定性。
100.图6a和图6b所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下的磁滞回线和放大图，其中，磁滞回线采用振动样品磁强计(vsm，lakeshore7410)测量，用于测试合金的饱和磁感应强度，可以看出，合金的饱和磁感应强度为1.61t。
101.图7所示为经过步骤4热处理后合金条带在最佳条件下不同场强下的磁导率，采用阻抗分析仪(agilent 4294a)测试。从图中可以看出磁导率随着外加应用场的增加呈现出先增后降的趋势，在50a/m的应用场下1khz下最佳磁导率仅为23000，10khz下的最佳磁导率为22000，说明此合金具有相对较高的频率稳定性。但是，在高的应用外场下的磁导率还是比较低很难用于加速器用大功率密度超高频高精度电源控制器、高频变压器等技术领域。
102.通过上述实施例和对比例的技术方案和性能检测结果可见，采用实施例提供的全金属、高铁含量的铁基纳米晶软磁合金，其在不添加si、b、p、c等类非金属的条件下，将铁含量控制在85～90％，且能够提高该软磁合金的饱和磁化强度，同时兼具优异的高应用场下的高磁导率高频率稳定性，从而拓展了全金属、高铁含量的软磁合金在小型化、轻量化加速器用大功率密度超高频高精度电源控制器、高频变压器等技术领域的应用。
103.以上仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的材料采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有fe-co-m-n-cu纳米合金体系，其中，m＝zr、hf、nb；n＝li、be；所述fe-co-m-n-cu体系中，fe含量为85～90％。2.根据权利要求1所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的分子式为：fe
a
zr
b
be
c
co
d
cu
e
；其中，a、b、c、d和e分别表示所述铁基纳米晶软磁合金中各合金元素的原子百分含量，且，满足以下条件：85≤a≤90；7b≤9；0c≤2；0d≤5；0.7≤e≤2；a+b+c+d+e＝100。3.如权利要求2所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的结构为体心立方结构的а-fe(co)纳米晶，并镶嵌在非晶基底上。4.如权利要求3所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述а-fe(co)纳米晶的平均晶粒尺寸为10～12nm。5.如权利要求1-4任一项所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金依次经过熔炼-单辊急冷甩带工艺-晶化热处理工艺制备得到。6.如权利要求5所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合在580～620℃热处理30～60分钟后矫顽力保持在10a/m；经过晶化热处理后的所述纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.7～1.8t；1khz下80a/m的应用场下的最大磁导率≥25000；10khz下的磁导率≥25000。7.如权利要求1-4任一项所述的全金属铁基纳米晶软磁合金，其特征在于，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的原料的纯度≥99.9％。8.一种如权利要求1-7任一项所述的全金属铁基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称取各合金原料进行配料；(2)制备母合金锭：将所述合金原料置于电弧熔炼装置内，在惰性气氛保护下进行熔炼，熔炼温度为1300～1800℃；反复熔炼4-5次，得到所述母合金锭；(3)制备快淬带材：将步骤(2)制得的所述母合金锭破碎，破碎后装入底部留有喷嘴的石英管中，通过单辊急冷甩带工艺处理，制备非晶合金的快淬带材；(4)晶化热处理：将步骤(3)制得的非晶合金装入热处理炉中以匀速升温至480～640℃，保温10～60min后取出，并淬火冷却至室温，即可得到所述全金属铁基纳米晶软磁合金。9.如权利要求8所述的全金属铁基纳米晶软磁合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述快淬带材呈条带状，宽度为1～2mm，厚度为20～25μm；所述单辊急冷甩带工艺包括在氩气氛围中以30～40m/s的速度甩带；和/或，步骤(4)中，所述匀速升温的速率为1～10℃/s。10.一种磁芯，包括如权利要求2-7任一项所述的金属铁基纳米晶软磁合金。

技术总结

本发明提供了一种全金属铁基纳米晶软磁合金，所述全金属铁基纳米晶软磁合金的材料采用全金属原料加工而成，不添加非金属元素；具有Fe-Co-M-N-Cu纳米合金体系，其中，M＝Zr、Hf、Nb；N＝Li、Be；所述Fe-M-N-Cu体系中，Fe含量为85～90％。通过采用本发明的技术方案，提供的全金属铁基纳米晶软磁合金材料，为全金属高铁含量的Fe-Co-M-N-Cu系纳米晶合金材料，其结构包括非晶基体和纳米晶晶粒，该纳米晶粒相位体心立方的α-Fe(Co)，其平均晶粒尺寸小于12nm；其中铁含量最高可达90％的同时还能够兼具高热稳定性和磁感应性能。热稳定性和磁感应性能。热稳定性和磁感应性能。