CN117165813A - 一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全过渡族Co‑V‑Ti‑Mn软磁合金及其制备方法，所述全过渡族Co‑V‑Ti‑Mn软磁合金的化学式为Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100，本发明利用多组元过渡族金属元素进行合金设计以加强原子间的铁磁交互作用，在制备过程中辅以热处理工艺来控制相组成和消除初始铸锭的枝晶偏析，提供了一种新型Co‑V‑Ti‑Mn软磁合金及其制备方法，该全过渡族Co‑V‑Ti‑Mn材料兼具高饱和磁化强度和低矫顽力，且其制备方法简单易行，适合批量化的工业生产。

Description

一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法。

【背景技术】

金属软磁材料是电子工业和信息技术产业的关键基础材料，具有高的饱和磁化强度、低矫顽力、低磁损耗及高的稳定性，可广泛用于生产各类电感器、滤波器、变压器、电感线圈、发电机磁芯等。现代信息技术的高速发展对软磁材料的磁性能不断提出更高要求，为获得高性能化的软磁性能，可通过添加磁性元素及过渡族非磁性金属元素以使合金兼具高饱和磁化强度与低矫顽力。然而目前应用于传统工业的软磁材料，仍无法同时满足高饱和磁化强度和超低矫顽力的性能要求。

非晶软磁合金虽具有超低的矫顽力和较高的磁导率，但合金的非晶形成能力依赖于复杂的化学组分，同时所需的制备工艺条件苛刻。铁氧体软磁材料虽具有低矫顽力、高电阻率等优点，但材料的饱和磁化强度低，因此多应用于高频低功率场景。硅钢作为广泛应用的传统软磁材料具有成本低、饱和磁化强度高、矫顽力小等优点，然而在实际应用过程中取向硅钢具有更加优异的磁性能，但其生产工艺复杂、成材率低。

因此，研究开发制备工艺简单且兼具有高饱和磁化强度和低矫顽力的新型金属软磁合金体系是磁性领域应用发展的重要目标之一，有必要研究一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法，针对目前工业软磁材料制备工艺复杂、成材率低、综合磁性能不足的问题，利用多组元过渡族金属元素进行合金设计以加强原子间的铁磁交互作用，在制备过程中辅以热处理工艺来控制相组成和消除初始铸锭的枝晶偏析，提供了一种新型Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法，该全过渡族Co-V-Ti-Mn材料兼具高饱和磁化强度和低矫顽力，且其制备方法简单易行，适合批量化的工业生产。

一方面，本发明提供一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，所述全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的化学式为Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步地，所述全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金具有BCC结构，基体中均匀分布富Ti第二相，所述富Ti第二相的体积分数不超过5％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步地，所述全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的饱和磁化强度为70-90emu/g，矫顽力介于0.1～2.0Oe。

进一步地，所述全过渡族软磁合金中，当a＝50，b＝22，c＝13，d＝15时，Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅软磁合金的饱和磁化强度为83-89emu/g，矫顽力为0.1-0.7Oe。

进一步地，所述全过渡族软磁合金中，当a＝51，b＝19，c＝15，d＝15时，Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅软磁合金的饱和磁化强度为77-83emu/g，矫顽力为1.4-2.0Oe。

进一步地，所述全过渡族软磁合金中，当a＝56，b＝14，c＝15，d＝15时，Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅软磁合金的饱和磁化强度为76-82emu/g，矫顽力为1.4-2.0Oe。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：根据合金化学式Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)预设原材料配比，按照配比选取Co、V、Ti和Mn单质原材料并进行预处理；

步骤二：将预处理后的单质原材料进行至少四次以上的电弧熔炼，得到合金锭；

步骤三：将合金锭进行均匀化热处理，获得具有高饱和磁化强度、低矫顽力的Co-V-Ti-Mn软磁合金。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤一中：

Co、V、Ti和Mn单质原材料的纯度均大于99.9wt.％；

预处理过程具体为：用砂纸打磨去除氧化皮后，用无水乙醇超声清洗并充分干燥；

预设配比为：按照合金化学式Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)预设，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤二中电弧熔炼过程具体为：将步骤一称量的Co、V、Ti、Mn单质原料放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，其中Mn和V易飞溅单质放置在底层；将炉体抽真空至5×10^-3Pa以下后充入氩气至0.04MPa进行洗气；之后再次抽真空至3.5×10^-3Pa以下，充入氩气至0.04MPa；在氩气保护气氛下引弧熔炼，反复熔炼4次以上，得到合金锭。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤三中均匀化热处理具体为：将步骤二制备的合金锭封装入石英管中，抽真空至5×10^-4Pa以下随后充入氩气作保护气；将封装好的石英管置于1200℃箱式电阻炉中均匀化热处理24h，空冷至室温得到具有高饱和磁化强度、低矫顽力的Co-V-Ti-Mn软磁合金。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

(1)本发明通过合理设计过渡族金属元素的组分及配比以加强原子间的铁磁交互作用，公开了一种新型Co-V-Ti-Mn软磁合金，该合金在以往文献或专利中未见报道，为软磁合金开辟了新的研究方向和材料体系；

(2)本发明的Co-V-Ti-Mn合金兼具有高的饱和磁化强度(70-90emu/g)和超低的矫顽力(0.1～2.0Oe)，磁性能优越，在电感器、滤波器等电子元器件领域具有重要的应用价值；

(3)本发明公开的Co-V-Ti-Mn软磁合金的制备过程简单，仅需通过电弧熔炼和均匀化热处理即可获得优异的综合磁性能，操作过程简单，无需经过复杂的轧制工艺等，生产效率高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为实施例1所制备的Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅合金的XRD测试曲线图；

图2为实施例1所制备的Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅合金的SEM组织图；

图3为实施例1所制备的Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅合金的磁性能测试结果，(a)为磁滞回线图，(b)为该磁滞回线的局部放大图；

图4为实施例2所制备的Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅合金的XRD测试曲线图；

图5为实施例2所制备的Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅合金的SEM组织图；

图6为实施例2所制备的Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅合金的磁性能测试结果，(a)为磁滞回线图，(b)为该磁滞回线的局部放大图；

图7为实施例3所制备的Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅合金的XRD测试曲线图；

图8为实施例3所制备的Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅合金的SEM组织图；

图9为实施例3所制备的Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅合金的磁性能测试结果，(a)为磁滞回线图，(b)为该磁滞回线的局部放大图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种低矫顽力Co-V-Ti-Mn软磁合金，化学组成为Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。

本发明所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的制备过程包括以下步骤：

步骤一、称取原料

选取纯度大于99.9wt.％的Co、V、Ti、Mn单质原材料，用砂纸打磨去除氧化皮后，用无水乙醇超声清洗并充分干燥。根据合金化学式Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)采用电子天平进行精密称量，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。

步骤二、制备合金锭

将步骤一称量的Co、V、Ti、Mn单质原料放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，其中Mn和V放置在底层防止飞溅；将炉体抽真空至5×10^-3Pa以下后充入氩气至0.04MPa进行洗气；之后再次抽真空至3.5×10^-3Pa以下，充入氩气至0.04MPa；在氩气保护气氛下引弧熔炼，反复熔炼4次以上，得到合金锭。

步骤三、均匀化热处理

将步骤二制备的合金锭封装入石英管中，抽真空至5×10^-4Pa以下随后充入氩气作保护气；将封装好的石英管置于1200℃箱式电阻炉中，均匀化热处理24h，空冷至室温，得到具有高饱和磁化强度、低矫顽力的Co-V-Ti-Mn软磁合金。

通过此方法制备的Co-V-Ti-Mn软磁合金为BCC结构，基体中含少量微米尺度的富Ti第二相，其体积分数不超过5％，该第二相对磁性能影响甚微。

实施例1：

本实施例公开了一种全过渡族Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅软磁合金，具体包括以下制备步骤：

步骤一、称取原料

选取纯度大于99.9wt.％的Co、V、Ti、Mn单质原材料，用砂纸打磨去除氧化皮后，用无水乙醇超声清洗并充分干燥。根据合金化学式Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅(at.％)采用电子天平进行精密称量。

步骤二、制备合金锭

将步骤一称量好的单质原料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，为防止Mn熔化过程飞溅，将其放置在坩埚最底层，然后依次放入V、Co、Ti，关闭炉门，将炉体抽真空至5×10^-3Pa以下后充入氩气至0.04MPa进行洗气；之后再次抽真空至3.5×10^-3Pa以下，充入氩气至0.04MPa；在氩气保护气氛下引弧熔炼，调节熔炼电流为80～300A，反复熔炼4次以上，得到合金锭。

步骤三、均匀化热处理

将步骤二制备的合金锭封装入石英管中，抽真空至5×10^-4Pa以下随后充入氩气作保护气；将封装好的石英管置于1200℃箱式电阻炉中，均匀化热处理24h，得到Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅软磁合金。

图1为实施例1制备的Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅合金的XRD测试结果，从图中看出，本发明的软磁合金室温为BCC结构；对合金进行微观组织观察，图2为实施例1所制备合金的二次电子图像，观察得知，合金基体中分布少量3～6μm尺寸的富Ti第二相，其体积分数不超2％；图3为合金磁性能测试结果，所制备合金矫顽力仅为0.45Oe，饱和磁化强度高达86emu/g，是一种性能优异的软磁合金。

实施例2：

本实施例公开了一种全过渡族Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅软磁合金，具体包括以下制备步骤：

步骤一、称取原料

选取纯度大于99.9wt.％的Co、V、Ti、Mn单质原材料，用砂纸打磨去除氧化皮后，用无水乙醇超声清洗并充分干燥。根据合金化学式Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅(at.％)采用电子天平进行精密称量。

步骤二、制备合金锭

将步骤一称量好的单质原料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，为防止Mn熔化过程飞溅，将其放置在坩埚最底层，然后依次放入V、Co、Ti，关闭炉门，将炉体抽真空至5×10^-3Pa以下后充入氩气至0.04MPa进行洗气；之后再次抽真空至3.5×10^-3Pa以下，充入氩气至0.04MPa；在氩气保护气氛下引弧熔炼，调节熔炼电流为80～300A，反复熔炼4次以上，得到合金锭。

步骤三、均匀化热处理

将步骤二制备的合金锭封装入石英管中，抽真空至5×10^-4Pa以下随后充入氩气作保护气；将封装好的石英管置于1200℃箱式电阻炉中，均匀化热处理24h，得到Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅软磁合金。

图2为实施例2制备的Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅合金的XRD测试结果，从图中看出，本发明的软磁合金室温为BCC结构；图2是该合金的二次电子图像，从图中得知，合金基体上分布有少量3～6μm尺寸的富Ti第二相，其体积分数不超2％；

图3为实施例2所制备合金的磁性能测试，该合金矫顽力仅为1.7Oe，饱和磁化强度高达80emu/g，是一种综合性能优良的软磁合金。

实施例3：

本实施例公开了一种全过渡族Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅软磁合金，具体包括以下制备步骤：

步骤一、称取原料

选取纯度大于99.9wt.％的Co、V、Ti、Mn单质原材料，用砂纸打磨去除氧化皮后，用无水乙醇超声清洗并充分干燥。根据合金化学式Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅(at.％)采用电子天平进行精密称量。

步骤二、制备合金锭

将步骤一称量好的单质原料放入非自耗真空电弧熔炼炉中，为防止Mn熔化过程飞溅，将其放置在坩埚最底层，然后依次放入V、Co、Ti，关闭炉门，将炉体抽真空至5×10^-3Pa以下后充入氩气至0.04MPa进行洗气；之后再次抽真空至3.5×10^-3Pa以下，充入氩气至0.04MPa；在氩气保护气氛下引弧熔炼，调节熔炼电流为80～300A，反复熔炼4次以上，得到合金锭。

步骤三、均匀化热处理

将步骤二制备的合金锭封装入石英管中，抽真空至5×10^-4Pa以下随后充入氩气作保护气；将封装好的石英管置于1200℃箱式电阻炉中，均匀化热处理24h，得到Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅软磁合金。

图3为实施例3制备的Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅合金的XRD测试结果，从图中看出，本发明的软磁合金室温为BCC结构；图2是该合金的二次电子图像，从图中得知，合金基体上分布有少量3～6μm尺寸的富Ti第二相，其体积分数不超2％；图3为实施例2所制备Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅合金的磁性能测试，该合金矫顽力仅为1.7Oe，饱和磁化强度高达79emu/g，是一种综合性能优良的软磁合金。

上述实施例所制备合金的微观组织中含少量富Ti第二相，这是由于合金对Ti元素固溶度较小所致，对合金软磁性能影响甚微。

以上对本申请实施例所提供的一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，所述全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的化学式为Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。

2.根据权利要求1所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，所述全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金具有BCC结构，基体中均匀分布富Ti第二相，所述富Ti第二相的体积分数不超过5％。

3.根据权利要求1所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，所述全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的饱和磁化强度为70-90emu/g，矫顽力介于0.1-2.0Oe。

4.根据权利要求1所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，当a＝50，b＝22，c＝13，d＝15时，Co₅₀V₂₂Ti₁₃Mn₁₅软磁合金的饱和磁化强度为83-89emu/g，矫顽力为0.1-0.7Oe。

5.根据权利要求4所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，当a＝51，b＝19，c＝15，d＝15时，Co₅₁V₁₉Ti₁₅Mn₁₅软磁合金的饱和磁化强度为77-83emu/g，矫顽力为1.4-2.0Oe。

6.根据权利要求4所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，当a＝56，b＝14，c＝15，d＝15时，Co₅₆V₁₄Ti₁₅Mn₁₅软磁合金的饱和磁化强度为76-82emu/g，矫顽力为1.4-2.0Oe。

7.一种全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金的制备方法，用于制备上述权利要求1-6之一所述的全过渡族Co-V-Ti-Mn软磁合金，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：根据合金化学式Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)预设原材料配比，按照配比选取Co、V、Ti和Mn单质原材料并进行预处理；

步骤二：将预处理后的单质原材料进行至少四次以上的电弧熔炼，得到合金锭；

步骤三：将合金锭进行均匀化热处理，获得具有高饱和磁化强度、低矫顽力的Co-V-Ti-Mn软磁合金。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中：

Co、V、Ti和Mn单质原材料的纯度均大于99.9wt.％；

预处理过程具体为：用砂纸打磨去除氧化皮后，用无水乙醇超声清洗并充分干燥；

预设配比为：按照合金化学式Co_aV_bTi_cMn_d(at.％)预设，其中45≤a≤58，10≤b≤23，10≤c≤15，10≤d≤20，a+b+c+d＝100。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中电弧熔炼过程具体为：将步骤一称量的Co、V、Ti、Mn单质原料放入非自耗真空电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，其中Mn和V易飞溅单质放置在底层；将炉体抽真空至5×10^-3Pa以下后充入氩气至0.04MPa进行洗气；之后再次抽真空至3.5×10^-3Pa以下，充入氩气至0.04MPa；在氩气保护气氛下引弧熔炼，反复熔炼4次以上，得到合金锭。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中均匀化热处理具体为：将步骤二制备的合金锭封装入石英管中，抽真空至5×10^-4Pa以下随后充入氩气作保护气；将封装好的石英管置于1200℃箱式电阻炉中均匀化热处理24h，空冷至室温得到具有高饱和磁化强度、低矫顽力的Co-V-Ti-Mn软磁合金。