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CN111590083B - 一种球形纳米晶合金粉末制备方法 - Google Patents

一种球形纳米晶合金粉末制备方法 Download PDF

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CN111590083B CN202010463291.3A CN202010463291A CN111590083B CN 111590083 B CN111590083 B CN 111590083B CN 202010463291 A CN202010463291 A CN 202010463291A CN 111590083 B CN111590083 B CN 111590083B
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Abstract

本发明公开了一种球形纳米晶合金粉末制备方法，包括如下步骤：S1：将原料熔化，得到合金熔液；S2：在真空或惰性气氛下，采用惰性雾化气体对合金熔液进行雾化处理，得到合金粉末中间体；S3：合金粉末中间体进入冷却区进行冷却，得到球形非晶合金粉末；S4：将球形非晶合金粉末退火，得到球形纳米晶合金粉末。通过如上制备方法制备得到超细、球形、低氧的纳米晶粉末。

Description

一种球形纳米晶合金粉末制备方法
技术领域
本发明属于雾化制粉技术领域，特别涉及一种采用气雾化水冷工艺制备球形纳米晶合金粉末的方法。
背景技术
雾化制粉是以快速运动的雾化介质(通常是高压的水或气)打击破碎将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的粉末制备方法。由于制取粉末的方法不同，所得到粉末的形状也大不相同。
随着5G通信快速布局、智能制造、新能源汽车重点支持计划，纳米晶雾化粉末成为模压电感最具有竞争力的软磁材料。雾化法制备的纳米晶磁粉具有更好的球形度，有利于粉末颗粒的包覆，以及更优异的高频应用特性。纳米晶磁粉具有高饱和磁通密度，可以减小器件的体积，为电路设计提供更大的空间。
纳米晶粉末通常是在制备出非晶粉的基础上，然后通过对粉末进行热处理而获得。目前，市场上工业化的纳米晶粉末制备方法是预先将材料制备成非晶带材，然后通过机械破碎或气流破碎，然后进行热处理获得纳米晶粉末。破碎粉的形貌呈片状、块状，有尖角突起，不利于绝缘包覆，且粒度较粗。
随着电子器件高频化和小型化的发展，市场对高频率下高磁导率、低损耗软磁粉末的要求也日趋苛刻。有些厂家对纳米晶粉末粒径和球形度等要求越来越高，要求粉末的D50：3～5μm，这是破碎法很难达到的。因此，雾化法制备球形、低氧的纳米晶粉末成为解决问题的关键。
目前制备纳米晶软磁粉体的方式主要有两种：(1)带材破碎法；(2)雾化法。先将材料制备成非晶粉末，然后通过适当的热处理工艺对非晶粉末进行处理，从而得到纳米晶粉末。采用非晶带材破碎法制备的纳米晶粉末由于粉末棱角多，容易刺破粉末表面包覆的绝缘层，因而限制了其市场的拓展。带材破碎法制备的纳米晶粉照片参见图1。
发明内容
本发明的目的是为了找到一种能够制备球形、低氧的纳米晶粉末制备方法，解决电子器件高频下对高磁导率、低损耗纳米晶粉末的需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种球形纳米晶合金粉末制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1：将原料熔化，得到合金熔液；
S2：在真空或惰性气氛下，采用惰性雾化气体对所述合金熔液进行雾化处理，得到合金粉末中间体；
S3：所述合金粉末中间体进入冷却区进行冷却，得到所述球形非晶合金粉末；
S4：将所述球形非晶合金粉末退火，得到所述球形纳米晶合金。
在一些实施方式中，按照质量百分比，所述原料的组分包括：Si：1-14％、B：7-15％、C：≤4％、Cu：≤3％、Nb：≤4％、P：≤2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
在一些实施方式中，所述FeSiB系合金为NP01、NP02或NP03合金；
所述NP01合金化学成分按质量百分比为：Cu：1％、Nb：3％、Si：13.5％、B：9％、Fe：余量以及不可避免的杂质；
所述NP02合金化学成分按质量百分比为：Cu：1％、Nb：1％、Si：4％、B：9％、C：0.3％、Fe：余量以及不可避免的杂质；
所述NP03合金化学成分按质量百分比为：Cu：1.2％、Si：2％、B：12％、P：2％、Fe：余量以及不可避免的杂质。
在一些实施方式中，在步骤S1中，在高于所述原料熔点50～250℃的条件下将所述原料熔化，得到所述合金熔液。
在一些实施方式中，，在步骤S1中，在高于所述原料的熔点150～200℃的条件下将所述原料熔化，得到所述合金熔液。
在一些实施方式中，在步骤S2中，所述雾化处理时，雾化气体压力为2～6Mpa。
在一些实施方式中，所述雾化处理时的真空度控制10Pa以下。
在一些实施方式中，在步骤S2中，所述惰性雾化气体为氮气或氩气。
在一些实施方式中，在步骤S3中，所述冷却的速率为106K/s以上。
在一些实施方式中，所述冷却的速率为106-107K/s。
在一些实施方式中，在步骤S4中，所述退火的保温温度为400～700℃。
在一些实施方式中，保温时间为20～120min。
在一些实施方式中，所述退火是在还原性气体或惰性气体中进行的；
在一些实施方式中，所述还原性气体为氢气或一氧化碳；所述惰性气体为氮气或氩气。
在一些实施方式中，所述球形非晶合金粉末是通过如下装置制备的，所述装置包括：
气雾化器，用于采用雾化气体将合金熔液破碎；
液冷装置，位于所述气雾化器下方且设置于所述气雾化器的气流喷嘴外围，用于将所述气雾化器破碎后的合金粉末中间体冷却形成球形非晶合金粉末。
在一些实施方式中，，所述球形非晶合金粉末的制备装置还包括导液管，连接装有所述合金熔液的中间包和所述气雾化器；
在一些实施方式中，所述导液管上端与所述中间包连通。
在一些实施方式中，所述导液管下端部座设于所述气雾化器的对应插口。
在一些实施方式中，所述导液管的内腔从上到下呈倒锥形，锥角为0-15°；
在一些实施方式中，所述导液管的内腔从上到下由倒锥形过渡为圆筒状，锥角为1-15°。
在一些实施方式中，在所述气雾化器的侧壁上设置有用于向所述气雾化器中通入所述雾化气体的进气管。
在一些实施方式中，在所述气雾化器下部围绕合金熔液出口设置有用于破碎所述合金熔液的气流喷嘴；
在一些实施方式中，所述气流喷嘴呈环形设置。
在一些实施方式中，所述气流喷嘴喷出气流的方向与竖向呈40-50°夹角。
在一些实施方式中，所述液冷装置呈环形设置于所述气流喷嘴外围，用于形成冷却所述合金粉末中间体的环形冷却区。
在一些实施方式中，所述液冷装置为具有双层壁的筒形结构，且所述液冷装置下底面设置有冷却液出口，用于冷却液向下流出形成冷却液幕，所述冷却液幕形成冷却所述合金粉末中间体的环形冷却区。
在一些实施方式中，所述冷却液为水。
在一些实施方式中，所述液冷装置为具有双层壁的筒形结构，所述双层壁之间的空间填充有冷却液，筒形结构的中空区域是用于冷却所述合金粉末中间体的环形冷却区，更优选地，所述冷却液为液氮。
在一些实施方式中，所述液冷装置固定于所述气雾化器的下底面上。
在一些实施方式中，所述液冷装置的侧壁上设置有用于向所述液冷装置注入冷却液的进液管。
本发明第二方面提供了一种球形纳米晶合金粉末，所述球形纳米晶合金粉末是根据本发明第一方面所述的制备方法制备得到的。
在一些实施方式中，所述球形纳米晶粉末的粒度D50为5～30μm。
在一些实施方式中，所述球形纳米晶粉末的氧含量200-1000ppm。
本发明制备装置的技术特征可以以任何可能的方式组合使用。
本发明的优点在于，通过对雾化器结构进行改进，找到了一种制备球形、低氧非晶粉末的方法，通过对非晶粉末进行热处理，制备球形纳米晶粉末。超细、球形、低氧的纳米晶粉末损耗大幅度降低，可以广泛应用于高频、小型化的电子器件领域，具有良好的市场前景。
附图说明
图1为现有技术中带材破碎法制备的纳米晶粉照片。
图2为现有技术球形非晶合金粉末制备装置结构示意图。
图3为本发明一些实施例的球形非晶合金粉末制备装置结构示意图。
图4为图3所示球形非晶合金粉末制备装置结构与使用状态示意图。
图5为本发明实施例1步骤(3)制备的非晶合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图6为本发明实施例1制备的合金粉末的XRD图谱对照，其中下面曲线为步骤(3)合金粉末的XRD图谱，上面曲线为步骤(4)合金粉末的XRD图谱。
图7为对比例1制备的合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图8为对比例1制备的合金粉末的XRD图谱。
图9为本发明实施例2步骤(3)制备的非晶合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图10为本发明实施例2步骤(5)制备的合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图11为本发明实施例2制备的合金粉末的XRD图谱对照，其中下面曲线为步骤(3)合金粉末的XRD图谱，上面曲线为步骤(4)合金粉末的XRD图谱。
图12为对比例2制备的合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图13为对比例2制备的合金粉末的XRD图谱。
图14为本发明实施例3步骤(3)制备的非晶合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图15为本发明实施例3制备的合金粉末的XRD图谱对照，其中下面曲线为步骤(3)合金粉末的XRD图谱，上面曲线为步骤(4)合金粉末的XRD图谱。
图16为本发明对比例3制备的合金粉末的SEM扫描电镜照片。
图17为本发明对比例3制备的合金粉末的XRD图谱。
其中，1-气雾化器，2-进气管，3-气流喷嘴，4-导液管，5-熔液喷嘴，6-水冷装置，7-进水管，8-合金熔液液流，9-喷出的雾化气体，10-冷却水幕，11-非晶合金粉末。
图6、8、10、12、14、16的XRD图谱中横坐标为2θ(x射线的入射角度的两倍)，纵坐标为衍射强度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
目前带材破碎法制备的纳米晶粉末由于粉末粒度粗通常D50在几十到几百微米，粉末棱角多，容易刺破粉末表面包覆的绝缘层，因而限制了其应用的拓展。水雾化制备的纳米晶粉末球形度较差、氧含量偏高，通常氧含量会达到2000ppm左右。采用气雾化工艺，粉末的球形度和氧含量都会得到改善，但是，因为采用气雾化工艺，粉末的冷却速度缓慢，得到非晶的难度增加，尤其是一些尺寸较大的粉末颗粒，形成非晶更加困难。本发明要解决的技术问题是找到一种雾化制粉方法，能够获得超细、球形、低氧的非晶粉末，并通过选择适当的热处理工艺，获得纳米晶粉末。
本发明涉及一种球形纳米晶粉末制备方法，将气雾化和水雾化的制粉方式进行组合优化，使制备的粉末既具有气雾化制粉低氧、球形的优势，又能够通过水的快冷得到非晶态粉末，然后通过对非晶粉末进行热处理，得到纳米晶粉末。球形纳米晶粉末的粒度范围D50:5～30μm，氧含量<1000ppm，比如200-1000ppm，将金属原料放入真空中频感应炉中加热熔化，钢液温度根据材料不同一般加热至1300～1600℃(合金熔点以上150～200℃为宜)，真空度<10Pa，雾化压力2～6Mpa(根据粒度要求选择合适压力)。通过对雾化器结构重新进行设计，雾化器经过改进后，可以使合金溶液经过高压气体打击破碎，金属液滴在表面张力的作用下形成球形颗粒，颗粒经过冷却水幕快速冷却，从而获得球形、低氧的非晶粉末。具体步骤：在雾化器下方增加一个环形水冷装置，环形水冷装置位于喷嘴的外侧。合金溶液经过中间包底部的导液管流下，当合金溶液被高压气体打击破碎成小金属液滴后，因气体冷却速度远远低于水的冷却速度，所以金属液滴在表面张力的作用下形成球形粉末颗粒，粉末颗粒在下落过程中经过雾化器下方环形水冷装置喷射出的水幕，球形颗粒被快速冷却得到非晶粉末。将制备的球形非晶粉末进行退火处理，退火温度450～650℃，在还原或惰性气体中保温30～90min，得到球形纳米晶粉末。
现有雾化法制备非晶粉末的装置参见图2，包括雾化器1，进气管2，气流喷嘴3，导液管4，熔液喷嘴5。
本发明提供的球形非晶合金粉末制备装置，是通过对现有气雾化设备进行简单易实施的结构改造，可以使合金熔液经过高压气体打击破碎，金属液滴在表面张力的作用下形成球形颗粒，颗粒经过冷却液(水)幕形成的冷却区快速冷却，从而获得球形、低氧的非晶粉末。参见图2-4，本发明的制备装置包括气雾化器1和位于气雾化器1下方且设置于所述气雾化器的气流喷嘴外围的液冷装置，当然，本发明的制备装置还可以包括用于熔化合金的熔化炉、盛放合金熔液的中间包、真空泵、提供雾化气体的设备、收集粉末的集料设备等用于实现雾化制粉的设备，由于这些设备都属于雾化制粉的常规设备，所以在此不再一一赘述，下面仅对与实现本发明目的密切相关的部分进行详细说明。
气雾化器1，采用雾化气体将来自中间包的合金熔液破碎。本发明使用的气雾化器1可以是雾化制粉领域使用的常规设备，在本发明的实施方式中，气雾化器1包括：本体，用于插接导液管4的对应插口，用于接入雾化气体的进气管2，用于喷出雾化气体的气流喷嘴3，导液管4用于连接装有合金熔液的中间包和气雾化器1，导液管4的内腔从上到下呈倒锥形，锥角为0°-15°，优选地，导液管4的内腔从上到下由倒锥形过渡为圆筒状，倒锥形的锥角为1-15°(比如2°、5°、7°、10°、12°、14°)，该锥形结构可以保证合金熔液液流8具有足够的流量和压力，利于气雾化的进行。气流喷嘴3喷出气流的方向与竖向(即导液管的轴向)呈40-50°(比如41°、43°、45°、47°、49°)夹角，以保证雾化制粉效果和粒度。
在本发明优选的实施例中，导液管4的上端与中间包连通，导液管4的下端部座设于气雾化器1的对应插口，由此，合金熔液可以从导液管4的底部喷出口喷出，形成向下的合金熔液液流8，导液管4的内腔从上到下由倒锥形过渡为圆筒状，倒锥形的锥角为10°，该锥形结构可以保证合金熔液液流8具有足够的流量和压力，利于气雾化的进行。气雾化器1的侧壁上设置有用于向气雾化器1中通入雾化气体的进气管2，在气雾化器下部围绕合金熔液出口(即导液管4的底部喷出口)设置有用于破碎合金熔液液流8的气流喷嘴3，也可以说，气流喷嘴3为多个，均匀设置于气雾化器1的下底面且围绕导液管4的底部喷出口，多个气流喷嘴3呈环形设置，气流喷嘴3喷出气流的方向与竖向(即导液管的轴向)呈45°，由进气管2进入的雾化气体达到气流喷嘴3，由该喷嘴喷出的雾化气体9将合金熔液液流破碎。
液冷装置，位于气雾化器1下方且设置于气雾化器1的气流喷嘴3的外围，用于将气雾化器1破碎后的合金粉末中间体冷却形成球形非晶合金粉末。本发明的液冷装置是可以为破碎后的合金粉末中间体提供足够冷却速度的任何冷却装置，比如：可以是能够形成由冷却液出口喷出的冷却液体围成的冷却区的冷却装置，而合金粉末中间体恰好经过该冷却区，冷却液可以是水，该种冷却装置可以是下底面周向设置冷却液出口的双层壁筒形结构；或者是由具有良好传热材质制成的冷却装置，该冷却装置可以是圆筒形或四边形筒或六边形筒等筒形结构，筒壁是双层中空的，双层壁之间的空间内填充有冷却液，比如液氮等，该种冷却装置的下底面不设置冷却液出口，该圆筒形冷却装置的筒中间的区域即是用于冷却合金粉末中间体的冷却区。第一种形成冷却水幕的冷却装置的竖向高度小于第二种冷却装置。液冷装置呈环形设置于气流喷嘴3外围，上端可以固定于气雾化器1的下底面上，也可以独立于气雾化器1设置。优选，筒壁表面是光滑的或涂覆有光滑涂层，以便使粉末颗粒不能粘连在筒壁上。
在本发明的某一优选实施例中，液冷装置呈环形设置于气流喷嘴3外围，上端固定于气雾化器1的下底面上，该液冷装置的下底面具有冷却液出口，冷却液采用水，因此该冷却装置也叫做水冷装置6，该水冷装置6还包括用于进水的进水管7，设置于水冷装置6的侧壁上，以向水冷装置内部供冷却水，冷却水再由冷却液出口向下流出形成环形冷却水幕10，冷却水幕10内部即为冷却区，用于冷却合金粉末中间体使其形成非晶合金粉末11。本发明在气雾化器下方增加一个环形水冷装置6，环形水冷装置6位于气流喷嘴3的外侧，该水冷装置6可以向下方流出或喷出冷却水，以保证由环形水幕围成的冷却区具有合适的温度，从而将经过该冷却区的合金小液滴冷却形成非晶粉末。合金熔液经过导液管4底部的喷出口喷出，当合金熔液被高压气体打击破碎成小金属液滴后，因气体冷却速度远远低于水的冷却速度，所以金属液滴在表面张力的作用下形成球形粉末颗粒，粉末颗粒在下落过程中经过雾化器下方环形水冷装置喷射出的冷却水幕10，球形颗粒被快速冷却得到非晶合金粉末11。
本发明的球形非晶合金粉末制备装置适合制备各种非晶合金粉末，特别适用于制备FeSiB系非晶合金粉末；优选地，按照质量百分比，所述非晶合金粉末的组分包括：Si：1-14％、B：7-15％、C：≤4％、Cu：≤3％、Nb：≤4％、P：≤2％，余量为Fe和不可避免的杂质；比如所述FeSiB系非晶合金粉末为NP01、NP02或NP03合金粉末；所述NP01合金粉末化学成分按质量百分比为：Cu：1％、Nb：3％、Si：13.5％、B：9％、Fe：余量以及不可避免的杂质；所述NP02合金化学成分按质量百分比为：Cu：1％、Nb：1％、Si：4％、B：9％、C：0.3％、Fe：余量以及不可避免的杂质；所述NP03合金化学成分按质量百分比为：Cu：1.2％、Si：2％、B：12％、P：2％、Fe：余量以及不可避免的杂质。
本发明还包括退火炉，用于把球形非晶合金粉末制备装置制备的球形非晶合金粉末退火，形成球形纳米晶合金粉末。本发明的退火炉可以选自合金粉末制备领域中的常规退火炉。
本发明还提供了球形纳米晶合金粉末的制备方法，包括如下步骤：
S1：在将金属原料放入真空中频感应炉中加热熔化，钢液温度根据材料不同而进行选择；一般是加热至1300～1600℃，优选在高于所述原料熔点50～250℃、更优选150～200℃的条件下将所述原料熔化，真空度控制10Pa以下(比如9Pa、7Pa、6Pa、1Pa、0.1Pa)，得到所述合金熔液；
S2：在真空或惰性气氛下，采用惰性雾化气体对所述合金熔液进行雾化处理，得到合金粉末中间体；
优选地，所述雾化处理时，根据粒度要求选择合适雾化压力，雾化气体压力(即用于雾化的气体的喷出压力)为2～6Mpa(比如2.5Pa、3Pa、4Pa、5Pa、5.5Pa)；所述雾化处理时的真空度控制10Pa以下(比如9Pa、7Pa、6Pa、1Pa、0.1Pa)；所述惰性雾化气体为氮气或氩气。
S3：所述合金粉末中间体进入冷却区进行冷却，得到所述球形非晶合金粉末；优选所述冷却的速率为106K/s以上(比如2*106K/s、4*106K/s、6*106K/s、8*106K/s、9*106K/s、2*107K/s、4*107K/s、6*107K/s、8*107K/s、9*107K/s)；更优选所述冷却的速率为106-107K/s。
S4：将所述球形非晶合金粉末退火，退火的保温温度400～700℃(比如420℃、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃)，在还原或惰性气体中保温20～120min(比如40min、60min、80min、100min)，得到所述球形纳米晶合金粉末。
下面通过实施例来进一步说明本发明的制备方法，以下制备方法的实施例均采用了本发明的制备装置，其中，气流喷嘴3喷出气流的方向与竖向(即导液管的轴向)呈45°，导液管4的内腔从上到下由倒锥形过渡为圆筒状，倒锥形的锥角为10°，冷却液为水，液冷装置可以形成冷却水幕。
实施例1
本实施例制备NP01纳米晶粉末，其化学成分(按质量百分比计算)为：Cu：1％、Nb：3％、Si：13.5％、B：9％、Fe：余量。未提及的元素为不可避免的杂质。
制备方法如下：
(1)在真空度5Pa的环境气氛下将原料加热至1325℃下熔化，得到合金熔液；
(2)在真空度5Pa的环境气氛下采用氩气作为雾化气体进行雾化处理，得到破碎的且球化的合金粉末中间体，其中，雾化温度(即中间包中合金熔液的温度)为1320℃，雾化气体压力为2.2Mpa；
(3)合金粉末中间体向下进入冷却水幕形成的冷却区进行冷却，冷却速度为2*106K/s以上，得到非晶合金粉末；
(4)将非晶合金粉末在550℃，氢气气氛下退火保温60min，收集球形纳米晶合金粉末。
通过扫描电子显微镜(SEM)对步骤(3)所制备的合金粉末进行观察，照片参见图5，从图中可知，本发明方法制备的合金粉末球形度非常好，粒度D50:28μm。合金粉末的氧含量为319ppm。
经测试，步骤(4)所得合金粉末粒度D50:28μm，氧含量367ppm。
通过X射线衍射分别分析步骤(3)和步骤(4)得到的合金粉末的XRD图谱，参见图6，从图中可知，所测步骤(3)粉末没有明显的衍射峰，为非晶合金粉末，步骤(4)粉末有明显的衍射峰，为晶体合金粉末。
对比例1
该对比例1采用了现有气雾化设备进行制粉，原料以及前两步工艺均与实施例1相同，本对比例省略了步骤(3)的冷却步骤和步骤(4)的退火步骤。该对比例得到的合金粉末，通过扫描电子显微镜(SEM)对其进行观察，参见图7，从图中可以看出，由于冷却速度降低，粉末的球形度变差。粒度D50为23μm，氧含量为613ppm。
通过X射线衍射分析得到XRD图谱，参见图8。从图中可知，该对比例制备的合金粉末已经出现衍射峰，粉末开始晶化。
实施例2：
本实施例制备NP02纳米晶合金粉末，其化学成分(按质量百分比计算)为：Cu：1％、Nb：1％、Si：4％、B：9％、C：0.3％、Fe：余量。未提及的元素为不可避免的杂质。
制备方法如下：
(1)在真空度8Pa的环境气氛下将原料加热至1425℃下熔化，得到合金熔液；
(2)在真空度8Pa的环境气氛下采用氩气作为雾化气体进行雾化处理，得到破碎的且球化的合金粉末中间体，其中，雾化温度(即中间包中合金熔液的温度)为1420℃，雾化气体压力为6Mpa；
(3)合金粉末中间体向下进入冷却水幕形成的冷却区进行冷却，冷却速度为2*106K/s以上，得到非晶合金粉末；
(4)将非晶合金粉末在450℃，氢气气氛下退火保温90min，收集球形纳米晶合金粉末。
(5)将球形纳米晶合金粉末经气流分级处理，得到合金粉末。
通过扫描电子显微镜(SEM)对步骤(3)所制备的合金粉末进行观察，照片参见图9，从图中可知，本发明方法制备的合金粉末球形度非常好，粒度D50:10μm。合金粉末的氧含量为503ppm。
经测试，步骤(4)所得合金粉末粒度D50:10μm，氧含量931ppm。
通过扫描电子显微镜(SEM)对步骤(5)所得到的合金粉末进行观察，照片参见图10，步骤(5)所得合金粉末粒度D50:3μm。
通过X射线衍射分别分析步骤(3)和步骤(4)得到的合金粉末的XRD图谱，参见图11，从图中可知，所测步骤(3)粉末没有明显的衍射峰，为非晶合金粉末，步骤(4)粉末有明显的衍射峰，为晶体合金粉末。
对比例2
该对比例2采用了现有气雾化设备(即无液冷装置)进行制粉，原料以及前两步工艺均与实施例2相同，本对比例省略了步骤(3)的冷却步骤和步骤(4)的退火步骤。该对比例得到的合金粉末，通过扫描电子显微镜(SEM)对其进行观察，参见图12，从图中可以看出，由于冷却速度降低，粉末中的不规则形状颗粒明显增多，球形度变差。粒度D50为11μm，氧含量为762ppm。
通过X射线衍射分析得到XRD图谱，参见图13，从图中可知，该对比例制备的合金粉末已经出现衍射峰，粉末开始晶化。
实施例3：
本实施例制备NP03纳米晶合金粉末，其化学成分(按质量百分比计算)为：Cu：1.2％、Si：2％、B：12％、P：2％、Fe：余量。未提及的元素为不可避免的杂质。
制备方法如下：
(1)在真空度3Pa的环境气氛下将原料加热至1385℃下熔化，得到合金熔液；
(2)在真空度3Pa的环境气氛下采用氩气作为雾化气体进行雾化处理，得到破碎的且球化的合金粉末中间体，其中，雾化温度(即中间包中合金熔液的温度)为1380℃，雾化气体压力为3.6Mpa；
(3)合金粉末中间体向下进入冷却水幕形成的冷却区进行冷却，冷却速度为2*106K/s以上，得到非晶合金粉末；
(4)将非晶合金粉末在650℃，氢气气氛下退火保温30min，收集球形纳米晶合金粉末。
通过扫描电子显微镜(SEM)对步骤(3)所制备的粉末进行观察，参见图14，从图中可知，本发明方法制备的合金粉末球形度非常好，粒度D50:17μm。合金粉末的氧含量为361ppm。
经测试，步骤(4)所得合金粉末粒度D50:17μm，氧含量502ppm。
通过X射线衍射分别分析步骤(3)和步骤(4)得到的合金粉末的XRD图谱，参见图15，从图中可知，所测步骤(3)粉末没有明显的衍射峰，为非晶合金粉末，步骤(4)粉末有明显的衍射峰，为晶体合金粉末。
对比例3
该对比例3采用了现有气雾化设备进行制粉，原料以及前两步工艺均与实施例3相同，本对比例省略了步骤(3)的冷却步骤和步骤(4)的退火步骤。该对比例得到的合金粉末，通过扫描电子显微镜(SEM)对其进行观察，参见图16，从图中可以看出，由于冷却速度降低，粉末中的不规则形状颗粒明显增多，球形度变差。粒度D50为18μm，氧含量为537ppm。
通过X射线衍射分析得到XRD图谱，参见图17，从图中可知，该对比例制备的合金粉末已经出现衍射峰，粉末开始晶化。
小结
实施例1-3的步骤(3)所得粉末没有明显的衍射峰，为非晶合金粉末，步骤(4)粉末有明显的衍射峰，为晶体合金粉末。而对比例1-3所得粉末有明显的衍射峰，粉末出现晶化，纳米晶粉末的制备方法通常是先制备非晶粉末，然后通过热处理得到纳米晶粉末对比例1-3的合金没有形成非晶，冷速不够造成了粉末的晶化，晶体分布的也不均匀。这种材料的应用性能很差。由此可见，本发明的雾化制粉方法可以获得超细、球形、低氧的纳米晶粉末。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (13)

1.一种球形纳米晶合金粉末制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1：将原料熔化，得到合金熔液；所述原料为 FeSiB 系合金；按照质量百分比，所述原料的组分包括：Si：1-14%、B：7-15%、C：≤4%、Cu：≤3%、 Nb：≤4%、P：≤2%，余量为 Fe 和不可避免的杂质；
S2：在真空或惰性气氛下，采用惰性雾化气体对所述合金熔液进行雾化处理，得到合金粉末中间体；所述雾化处理时，雾化气体压力为 2~6Mpa；所述雾化处理时的真空度控制10Pa以下；
S3：所述合金粉末中间体进入冷却区进行冷却，得到球形非晶合金粉末；所述冷却的速率为 106K/s 以上；
S4：将所述球形非晶合金粉末退火，所述退火的保温温度为 400~700℃；保温时间为20~120min，得到所述球形纳米晶合金粉末；所述球形纳米晶合金粉末的粒度 D50 为 5~30μm，所述球形纳米晶合金粉末的氧含量200-1000ppm；
所述球形非晶合金粉末是通过如下装置制备的，所述装置包括：
气雾化器，用于采用雾化气体将合金熔液破碎；
液冷装置，位于所述气雾化器下方且设置于所述气雾化器的气流喷嘴外围，用于将所述气雾化器破碎后的合金粉末中间体冷却形成球形非晶合金粉末； 所述液冷装置呈环形设置于所述气流喷嘴外围，用于形成冷却所述合金粉末中间体的环形冷却区；其中，所述液冷装置为具有双层壁的筒形结构，且所述液冷装置下底面设置有冷却液出口，用于冷却液向下流出形成冷却液幕，所述冷却液幕形成冷却所述合金粉末中间体的环形冷却区，所述冷却液为水。
2.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，所述 FeSiB 系合金为 NP01、NP02 或NP03合金；所述 NP01合金化学成分按质量百分比为： Cu： 1%、Nb：3%、Si：13.5%、B：9%、Fe：余量以及不可避免的杂质；
所述 NP02合金化学成分按质量百分比为： Cu：1%、Nb：1%、Si：4%、 B：9%、C：0.3%、Fe：余量以及不可避免的杂质；
所述 NP03合金化学成分按质量百分比为：Cu：1.2%、Si：2%、B：12%、 P：2%、Fe：余量以及不可避免的杂质。
3.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，在步骤 S1 中，在高于所述原料熔点50~250℃的条件下将所述原料熔化，得到所述合金熔液。
4.如权利要求 3 所述的制备方法，其特征在于，在步骤 S1 中，在高于所述原料的熔点 150~200℃的条件下将所述原料熔化，得到所述合金熔液。
5.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于， 在步骤 S2 中，所述惰性雾化气体为氮气或氩气。
6.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，在步骤 S3 中， 所述冷却的速率为106-107K/s。
7.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于， 所述退火是在还原性气体或惰性气体中进行的； 所述还原性气体为氢气或一氧化碳；所述惰性气体为氮气或氩气。
8.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，所述球形非晶合金粉末的制备装置还包括导液管，连接装有所述合金熔液的中间包和所述气雾化器。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述导液管上端与所述中间包连通； 所述导液管下端部座设于所述气雾化器的对应插口；所述导液管的内腔从上到下呈倒锥形，锥角为 0-15°。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述导液管的内腔从上到下由倒锥形过渡为圆筒状，锥角为 1-15°。
11.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，在所述气雾化器的侧壁上设置有用于向所述气雾化器中通入所述雾化气体的进气管。
12.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，在所述气雾化器下部围绕合金熔液出口设置有用于破碎所述合金熔液的气流喷嘴； 所述气流喷嘴呈环形设置； 所述气流喷嘴喷出气流的方向与竖向呈 40-50°夹角。
13.如权利要求 1 所述的制备方法，其特征在于，所述液冷装置固定于所述气雾化器的下底面上； 所述液冷装置的侧壁上设置有用于向所述液冷装置注入冷却液的进液管。
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