一种FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法 (FeSiPC amorphous soft magnetic alloy and preparation method thereof ) 是由 张华� 倪红卫 刘涛 李杨 张国阳 邵玉林 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法。该制备方法为：首先将高磷铁矿原料和磷灰石混合均匀进行碳基还原处理,得到还原预处理后的钢液；然后进行脱硫处理,得到脱硫处理后的钢液；接着进行硅铁合金化处理,得到合金化处理后的钢液；再利用单辊旋淬技术,将所述合金化处理后的钢液快速冷却得到非晶带材；最后进行等温热处理,制备得到FeSiPC非晶软磁合金。该制备方法,以高磷铁矿和磷灰石为原料,采用直接还原或熔融还原非高炉炼铁技术制备得到还原预处理钢液。此外,设计的Fe-(80)Si-(1)P-(10)C-(9)(at.％)合金成分与还原预处理钢液成分相差不大,只需要经过微合金化即可得到目标合金,然后采用非晶带材一次成型工艺,具有流程短、成本低、能耗低的优势。(The invention provides a FeSiPC amorphous soft magnetic alloy and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: firstly, uniformly mixing a high-phosphorus iron ore raw material and apatite to perform carbon-based reduction treatment to obtain molten steel subjected to reduction pretreatment; then carrying out desulfurization treatment to obtain molten steel after desulfurization treatment; then ferrosilicon alloying treatment is carried out to obtain alloyed molten steel; rapidly cooling the alloyed molten steel by using a single-roller rotary quenching technology to obtain an amorphous strip; and finally, carrying out isothermal heat treatment to prepare the FeSiPC amorphous soft magnetic alloy. The preparation method takes high-phosphorus iron ore and apatite as raw materialsThe raw materials are prepared into reduction pretreated molten steel by adopting a direct reduction or smelting reduction non-blast furnace ironmaking technology. In addition, engineered Fe 80 Si 1 P 10 C 9 The difference between the (at.%) alloy component and the component of the reduction pretreated molten steel is not great, the target alloy can be obtained only by microalloying, and then the amorphous strip is adopted for one-step forming process, so that the method has the advantages of short flow, low cost and low energy consumption.)
技术领域
本发明涉及非晶软磁材料制备技术领域，尤其涉及一种FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法。
背景技术
软磁材料具有优异的磁性能和使用性能，广泛应用于航空、航天等高科技领域，随着科技的不断发展，对软磁材料设备的轻量化、小型化的要求日益提高，因此发展具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低铁损的优异软磁材料已成为当下以及未来磁性材料发展的重要目标之一。
与传统硅钢等晶态软磁材料相比，铁基非晶软磁合金的电阻率是硅钢的三倍左右，铁损仅为取向硅钢的四分之一，能降低70～80％的空载损耗。现有研究中，为了提高铁基非晶合金的饱和磁化强度，必须保证合金中有足够多的铁磁性元素，但是过高的铁含量通常会导致合金的非晶形成能力较弱；而提高合金的非晶形成能力通常又需要添加较多非磁性的类金属或金属组元。这两个相互掣肘的矛盾之处使得铁基非晶合金很难在非晶形成能力和饱和磁化强度上得到较大的突破和进一步发展，也给研究人员在合金成分设计时带来了诸多的困难。目前，较为普遍的合金成分设计思路为添加有利于非晶形成的Si、P、C、B元素，同时，还需要考虑其他微量元素的掺杂，用以保证该铁基合金在具备较高的非晶形成能力的同时，还具有尽可能高的含铁量。目前工业化制备铁基非晶软磁合金带材过程中，原材料中的杂质元素，特别是工业铁磷和铁碳合金中的杂质元素会导致带材表面晶化，严重恶化软磁性能。为了进一步拓展铁基非晶软磁合金的应用范围，有必要开发新的适用于工业化生产铁基非晶软磁合金的新方法。
公开号为CN111001767A的发明专利公开了一种高饱和磁感应强度铁基非晶软磁合金及其制备方法。该制备方法为：1)制备初炼钢液：利用铁矿石经高炉炼铁、转炉吹炼或利用废钢经电炉熔炼得到；2)将初炼钢液进行炉外精炼进一步脱氧、脱硫、去除夹杂物，控制残余元素的含量，并进行合金成分微调，得到所需的精炼钢液；3)利用单辊旋淬技术将精炼钢液快速冷却得到非晶带材；4)将非晶带材进行热处理即得。虽然该制备方法采用传统的钢铁冶炼工艺，能够精确控制杂质含量和合金成分，但是该制备方法存在高炉炼铁成本高、能耗高、排放高的不足，不适用于制备少量非晶软磁合金。
有鉴于此，有必要设计一种改进的FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种FeSiPC非晶软磁合金的制备方法，包括如下步骤：
S1，预处理：将高磷铁矿和磷灰石置于还原反应装置中，在900～1700℃下，进行碳基还原处理，得到还原预处理后的还原合金；
S2，精炼：将步骤S1得到的还原预处理后的还原合金进行脱硫处理，得到脱硫处理后的合金；
S3，合金化：将步骤S2得到的所述脱硫处理后的合金进行硅铁合金化处理，得到合金化处理后的母合金；所述合金化处理后的母合金中，主组元及其质量百分比含量为：Fe91P6.2C2.2Si0.6(wt.％)；
S4，带材：利用单辊旋淬技术，设置铜辊线速度为20～60m/s，将步骤S3得到的所述合金化处理后的母合金快速冷却得到厚度为15～50μm的非晶带材；或者棒材：利用铜模铸造技术，得到直径1mm完全非晶的棒材；
S5，成品：将步骤S4制备的所述非晶带材或者棒材进行保温温度为240～420℃，保温时间为10～300min的等温热处理，制备得到FeSiPC非晶软磁合金。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述碳基还原采用直接还原工艺，具体过程为：将所述高磷铁矿和磷灰石破碎后与还原剂煤灰混匀，造团、干燥后放置于高温气氛控制炉中，控制还原反应气氛为惰性气氛，还原温度为1000～1350℃，反应时间为10～60min，将得到的反应产物再破碎、磁选，得到还原铁粉，然后在高温1500～1650℃条件下融分，得到还原合金。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述碳基还原采用熔融还原工艺，具体过程为：将所述高磷铁矿和磷灰石破碎后与还原剂煤灰混匀，造团、干燥后放置于高温气氛控制炉中，控制还原反应气氛为惰性气氛，还原反应温度为1500～1650℃，反应时间为10～60min；待反应完成后分离渣和合金，得到还原合金。
作为本发明的进一步改进，步骤S3直接进行硅铁合金化处理，具体过程为：将还原且脱硫处理后的合金和硅铁合金按比例置于感应熔炼炉中，控制气氛为还原气氛，熔化合金混合物进行合金化，并添加精炼渣进行感应熔炼，得到母合金。
作为本发明的进一步改进，所述高磷铁矿和磷灰石的投加比例为7.75：1；所述还原且脱硫处理后的合金与所述硅铁合金添加比例为1：0.026。
作为本发明的进一步改进，所述精炼渣为60SiO2-20CaO-10Al2O3-10B2O3，精炼渣配比为3wt.％。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤S4中，所述铜辊线速度为30～40m/s，所述带材厚度为25～35μm；
在步骤S5中，所述保温温度为320～360℃，所述保温时间为30～60min。为实现上述发明目的，本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的FeSiPC非晶软磁合金。所述FeSiPC非晶软磁合金的化学式为：Fe80Si1P10C9(at.％)。
其中，所述FeSiPC非晶软磁合金的组成成分的质量百分含量为：Fe91P6.2C2.2Si0.6(wt.％)。
作为本发明的进一步改进，所述FeSiPC非晶软磁合金的饱和磁感应强度≥1.45T，矫顽力≤3.2A/m，1KHz下有效磁导率≥6000。
本发明的有益效果是：
本发明提供的FeSiPC非晶软磁合金的制备方法，以高磷铁矿和磷灰石为原料，采用直接还原或熔融还原非高炉炼铁技术制备得到还原预处理钢液。此外，设计的Fe80Si1P10C9(at.％)合金成分与还原预处理钢液成分相差不大，只需要经过微合金化即可得到目标合金，然后采用非晶带材一次成型工艺，具有流程短、成本低、能耗低的优势。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的FeSiPC非晶软磁合金的形貌和XRD图。
图2为本发明实施例1制备的FeSiPC非晶软磁合金的磁滞回线。
图3为本发明实施例1制备的FeSiPC非晶软磁合金的有效磁导率随频率变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种FeSiPC非晶软磁合金的制备方法，包括如下步骤：
S1，预处理：将高磷铁矿和磷灰石置于还原反应装置中，在900～1700℃下，进行碳基还原处理，得到还原预处理后的还原合金；
S2，精炼：将步骤S1得到的还原预处理后的还原合金进行脱硫处理，得到脱硫处理后的合金；
S3，合金化：将步骤S2得到的所述脱硫处理后的合金进行硅铁合金化处理，得到合金化处理后的母合金；所述合金化处理后的母合金中，主组元及其质量百分比含量为：Fe91P6.2C2.2Si0.6(wt.％)；
S4，带材：利用单辊旋淬技术，设置铜辊线速度为20～60m/s，将步骤S3得到的所述合金化处理后的母合金快速冷却得到厚度为15～50μm的非晶带材；或者棒材：利用铜模铸造技术，得到直径1mm完全非晶的棒材；
S5，成品：将步骤S4制备的所述非晶带材或者棒材进行保温温度为240～420℃，保温时间为10～300min的等温热处理，制备得到FeSiPC非晶软磁合金。
优选的，在步骤S1中，所述碳基还原采用直接还原工艺，具体过程为：将所述高磷铁矿和磷灰石破碎后与还原剂煤灰混匀，造团、干燥后放置于高温气氛控制炉中，控制还原反应气氛为惰性气氛，还原温度为1000～1350℃，反应时间为10～60min，将得到的反应产物再破碎、磁选，得到还原铁粉，然后在高温1500～1650℃条件下融分，得到还原合金。
优选的，在步骤S1中，所述碳基还原采用熔融还原工艺，具体过程为：将所述高磷铁矿和磷灰石破碎后与还原剂煤灰混匀，造团、干燥后放置于高温气氛控制炉中，控制还原反应气氛为惰性气氛，还原反应温度为1500～1650℃，反应时间为10～60min；待反应完成后分离渣和合金，得到还原合金。
优选的，步骤S3直接进行硅铁合金化处理，具体过程为：将还原且脱硫处理后的合金和硅铁合金按比例置于感应熔炼炉中，控制气氛为还原气氛，熔化合金混合物进行合金化，并添加精炼渣进行感应熔炼，得到母合金。
优选的，所述高磷铁矿和磷灰石的投加比例为7.75：1；所述还原且脱硫处理后的合金与所述硅铁合金添加比例为1：0.026。
优选的，所述精炼渣为60SiO2-20CaO-10Al2O3-10B2O3，精炼渣配比为3wt.％。
优选的，在所述步骤S4中，所述铜辊线速度为30～40m/s，所述带材厚度为25～35μm；
在步骤S5中，所述保温温度为320～360℃，所述保温时间为30～60min。下面就具体实施例对本发明提供的FeSiPC非晶软磁合金的制备方法做进一步的详细阐述。
实施例1
本发明实施例1采用的高磷铁矿原料为来自鄂西的高磷矿块，其软化开始温度为1157℃，软化结束温度为1213℃，软化区间为56℃，熔滴温度为1479℃。该高磷铁矿的化学组成成分如表1所示。磷灰石成分如下表2所示。
表1为高磷铁矿的化学成分
表2为磷灰石的化学成分
采用上述原料，实施例1提供了一种FeSiPC非晶软磁合金的制备方法，包括如下步骤：
S1，预处理：将高磷铁矿和磷灰石置于还原反应装置中，在1200℃下，进行碳基还原处理，得到还原预处理后的还原合金钢液；所述碳基还原采用直接还原工艺，具体过程为：将所述高磷铁矿和磷灰石按投加比例为7.75：1混合并破碎后与还原剂煤灰混匀，造团、干燥后放置于高温气氛控制炉中，控制还原反应气氛为惰性气氛，还原温度为1200℃，反应时间为30min，将得到的反应产物再破碎、磁选，得到还原铁粉，然后在高温1600℃条件下融分，得到还原合金。
S2，精炼：将步骤S1得到的还原预处理后的钢液进行脱硫处理，得到脱硫处理后的合金；
S3，合金化：将步骤S2得到的所述脱硫处理后的合金，加入磷铁，进行合金成分微调和硅铁合金化处理，得到合金化处理后的母合金钢液；所述合金化处理后的母合金中，主组元及其质量百分比含量为：Fe91P6.2C2.2Si0.6(wt.％)；其具体过程为：将还原且脱硫处理后的合金和硅铁合金按1：0.026的比例置于感应熔炼炉中，控制气氛为还原气氛，熔化合金混合物进行合金化，并添加精炼渣进行感应熔炼，得到母合金钢液。
其中，所述精炼渣为60SiO2-20CaO-10Al2O3-10B2O3，精炼渣配比为3wt.％。
S4，带材：利用单辊旋淬技术，设置铜辊线速度为35m/s，将步骤S3得到的所述合金化处理后的母合金快速冷却得到厚度为30μm的非晶带材；
或者棒材：利用铜模铸造技术，得到直径1mm完全非晶的棒材；
S5，成品：将步骤S4制备的所述非晶带材和/或棒材进行保温温度为340℃，保温时间为45min的等温热处理，制备得到FeSiPC非晶软磁合金。
请参阅图1至图3所示，本发明实施例1提供的FeSiPC非晶软磁合金非晶形成能力达到1mm，磁性能为：饱和磁感应强度1.46T，矫顽力3.1A/m，1KHz下有效磁导率6200。
实施例2
本发明实施例2采用的高磷铁矿原料为上述高磷矿块和磷灰石。
采用上述原料，实施例2提供了一种FeSiPC非晶软磁合金的制备方法，包括如下步骤：
S1，预处理：将高磷铁矿和磷灰石置于还原反应装置中，在1200℃下，进行碳基还原处理，得到还原预处理后的还原合金；所述碳基还原采用熔融还原工艺，具体过程为：将所述高磷铁矿和磷灰石按投加比例为7.75：1混合并破碎后与还原剂煤灰混匀，造团、干燥后放置于高温气氛控制炉中，控制还原反应气氛为惰性气氛，还原反应温度为1600℃，反应时间为60min；待反应完成后分离渣和合金，得到还原合金。
S2，精炼：将步骤S1得到的还原预处理后的钢液进行脱硫处理，得到脱硫处理后的合金。
S3，合金化：将步骤S2得到的所述脱硫处理后的合金，加入磷铁，进行合金成分微调和硅铁合金化处理，得到合金化处理后的母合金；所述合金化处理后的母合金中，主组元及其质量百分比含量为：Fe91P6.2C2.2Si0.6(wt.％)；其具体过程为：将还原且脱硫处理后的合金和硅铁合金按1：0.026的比例置于感应熔炼炉中，控制气氛为还原气氛，熔化合金混合物进行合金化，并添加精炼渣进行感应熔炼，得到母合金。
S4，带材：利用单辊旋淬技术，设置铜辊线速度为35m/s，将步骤S3得到的所述合金化处理后的母合金快速冷却得到厚度为30μm的非晶带材；或者棒材：利用铜模铸造技术，得到直径1mm完全非晶的棒材；
S5，成品：将步骤S4制备的所述非晶带材和/或棒材进行保温温度为340℃，保温时间为45min的等温热处理，制备得到FeSiPC非晶软磁合金。
本发明实施例2提供的FeSiPC非晶软磁合金的性能为：饱和磁感应强度1.47T，矫顽力3.1A/m，1KHz下有效磁导率6300。
综上所述，本发明提供了一种FeSiPC非晶软磁合金及其制备方法。该制备方法为：首先将高磷铁矿原料进行碳基还原处理，得到还原预处理后的钢液；然后进行脱硫处理，得到脱硫处理后的钢液；接着进行硅铁合金化处理，得到合金化处理后的钢液；再利用单辊旋淬技术，将所述合金化处理后的钢液快速冷却得到非晶带材；最后进行等温热处理，制备得到FeSiPC非晶软磁合金。本发明提供的FeSiPC非晶软磁合金的制备方法，以高磷铁矿和磷灰石为原料，采用直接还原或熔融还原非高炉炼铁技术制备得到还原预处理钢液。此外，设计的Fe80Si1P10C9(at.％)合金成分与还原预处理钢液成分相差不大，只需要经过微合金化即可得到目标合金，然后采用非晶带材一次成型工艺，具有流程短、成本低、能耗低的优势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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精神和范围。
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