CN101167145B - 铁基高饱和感应非晶态合金 - Google Patents
铁基高饱和感应非晶态合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种铁基非晶态合金和含有铁基非晶态合金的磁芯，所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃。当以带形铸造时，这种非晶态金属合金具有延展性且热稳定，且由于在这种装置的操作温度下磁稳定性高，适用于各种电装置。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2005年2月17日提交的美国申请序列号11/059,567和2005年12月30日提交的美国申请序列号11/320,744的优先权，这两个申请所公开的内容通过引用结合到本文中来。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种铁基非晶态合金，所述合金的饱和感应超过1.6特斯拉且适用于磁性装置(包括变压器、发动机和发电机、脉冲发生器和压缩机)、磁力开关、磁力感应器(用于扼流线圈、能量存储和传感器)。
2.相关技术描述
铁基非晶态合金用于电力变压器、工业变压器、基于磁力开关和电扼流线圈的脉冲发生器和压缩机。在电力变压器和工业变压器中，在频率为50/60Hz的交流电下运行，铁基非晶态合金无负载或磁芯损耗为广泛用于相同应用的常规硅钢的约1/4。由于这些变压器1天运行24小时，因此使用这些磁性装置可显著降低全世界的总变压器损耗。损耗降低意味着产生的能量较少，反过来可理解为减少CO2的排放。
例如根据位于法国巴黎的国际能量机构近期的研究，2000年，仅在经济合作与发展组织(OECD)国家通过替代所有现有的硅钢基的装置，估计可节省能量约150TWh，相应于减少CO2气体约75×106吨/年。基于现有的富含铁的非晶态合金的变压器磁芯材料的饱和感应Bs小于1.6特斯拉。饱和感应Bs定义为当通过施加场H激励磁性材料时，在其磁饱和下的磁感应B。与常规的晶粒取向的硅钢的Bs为约2特斯拉相比，非晶态合金的饱和感应较低，导致变压器磁芯尺寸增加。因此，希望铁基非晶态合金的饱和感应水平增至高于目前的1.56-1.6特斯拉水平。
在发动机和发电机中，在转子和定子之间的空隙内，大量的磁通量或感应损耗。因此，希望使用饱和感应或通量密度尽可能高的磁性材料。在这些装置中饱和感应或通量密度较高意味着装置尺寸较小，这点是优选的。
用于脉冲发生和压缩的磁力开关需要高饱和感应、BH矩形比(定义为在H＝0下的磁感应B与Bs的比率)高、在AC激励下磁损耗低且矫顽磁力Hc(定义为磁感应B变为零的场)小且在高脉冲速率激励下磁损耗低的磁性材料。尽管市售的铁基非晶态合金已用于这些类型的应用，即用于粒子加速器的磁力开关磁芯，但希望Bs值大于1.56-1.6特斯拉，以获得与Bs值直接成比例的较高的粒子加速电压。较低的矫顽磁力Hc和较高的BH矩形比意味着磁力开关操作需要较低的输入能量。此外，在AC激励下磁损耗较低提高了脉冲发生和压缩电路的总体效率。因此，非常需要一种饱和感应Bs大于1.6特斯拉的铁基非晶态合金，其Hc尽可能小且矩形比B(H＝0)/Bs尽可能高、AC磁损耗低。脉冲发生和压缩的磁性要求以及与候选磁性材料的实际比较概述于A.W.Melvin和A.Flattens的Physical ReviewSpecial Topics-Accelerators and Beams，第5卷，080401(2002)。
在用作电扼流线圈的磁力感应器和用于临时能量存储时，磁芯材料的饱和感应较高意味着载流能力提高或对于给定的载流极限装置尺寸减小。当这些装置在高频率下工作时，磁芯材料的磁芯损耗必须低。因此，在这些应用中优选高饱和感应且在AC激励下低磁芯损耗的磁性材料。
在磁性材料的传感器应用中，高饱和感应意味着传感信号的水平高，这点为小传感装置达到灵敏度所必需。如果传感器装置在高频率下工作，则还需要AC磁损耗低。在传感器应用中，非常需要高饱和感应且AC磁损耗低的磁性材料。
在所有的上述应用中，而上述应用仅为材料的几个有代表性的磁性应用，需要AC磁损耗低的高饱和感应材料。因此，本发明的一方面提供了基于铁基非晶态合金的材料，所述材料的饱和磁感应水平超过1.6斯特拉，接近市售的非晶态铁基合金的上限。
过去曾努力试图获得饱和感应大于1.6斯特拉的铁基非晶态合金。其中的一种实例为饱和感应为1.8斯特拉的市售的METGLAS
2605CO合金。该合金包含17％原子的Co，因此太昂贵，不能用于工业磁性产品，例如变压器和发动机。其他实例包括美国专利4,226,619中教导的非晶态Fe-B-C合金。发现这些合金在机械性能太脆，不能在实际中应用。美国专利4,437,907中教导的非晶态Fe-B-Si-M合金(其中M＝C)饱和感应高，但发现Bs小于1.6斯特拉。
因此，需要饱和感应超过1.6斯特拉、AC磁损耗低且在装置的工作温度下磁稳定性高的延展性铁基非晶态合金。
发明概述
本发明的各方面提供了一种非晶态金属合金，其组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质。当以带形铸造时，这种非晶态金属合金具有延展性且热稳定，饱和感应大于1.6斯特拉，且AC磁损耗低。此外，这种非晶态金属合金适用于电变压器、脉冲发生和压缩、电扼流线圈、能量存储感应器和磁性传感器。
根据本发明的第一方面，提供了一种铁基非晶态合金，其中所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应值大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃。
根据本发明的第二方面，所述合金用下式表示：Fe81.7B16.0Si2.0C0.3、Fe82.0B16.0Si1.0C1.0、Fe82.0B14.0Si3.0C1.0、Fe82.0B13.5Si4.0C0.5、Fe82.0B13.0Si4.0C1.0、Fe82.6B15.5Si1.6C0.3、Fe83.0B13.0Si3.0C1.0或Fe84.0B13.0Si2.0C1.0。
根据本发明的第三方面，所述合金的饱和磁感应大于1.65特斯拉。
根据本发明的第四方面，所述合金用下式表示：Fe81.7B16.0Si2.0C0.3、Fe82.0B16.0Si1.0C1.0、Fe82.0B14.0Si3.0C1.0、Fe82.0B13.5Si4.0C0.5或Fe83.0B13.0Si3.0C1.0。
根据本发明的第五方面，通过在300℃-350℃下退火对所述合金进行热处理。
根据本发明的第六方面，所述合金用于磁芯，且在所述合金退火后，当在60Hz、1.5特斯拉和室温下测定时，磁芯损耗小于或等于0.5W/kg。
根据本发明的第七方面，在所述合金退火后，所述合金的DC矩形比大于0.8。
根据本发明的第八方面，提供了一种包含经热处理的铁基非晶态合金的磁芯，其中所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应值大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃，其中所述合金在300℃-350℃下退火，其中在所述合金退火后，当在60Hz、1.5特斯拉和室温下测定时，磁芯损耗小于或等于0.5W/kg，且其中所述磁芯为变压器或电扼流线圈的磁芯。
根据本发明的第九方面，提供了一种包含经热处理的铁基非晶态合金的磁芯，其中所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应值大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃，其中所述合金在300℃-350℃下退火，其中在所述合金退火后，DC矩形比大于0.8，且其中所述磁芯为脉冲发生器和/或压缩机中的磁力开关的感应器磁芯。
本发明的其他方面和/或优点的一部分在以下的说明中描述，一部分从描述中显而易见，或者可从本发明的实践中得知。
附图概述
通过结合附图对以下各实施方案进行描述，本发明的各方面和/或优点显而易见且更易理解，其中：
图1说明磁感应B与施加的场H(最高达1奥斯特)的坐标图，曲线A所示为在20奥斯特(1600A/m)DC磁场中于320℃下退火1小时的组成为Fe81.7B16.0Si2.0C0.3的本发明实施方案的非晶态合金的BH特性，曲线B所示为在30奥斯特(2400A/m)DC磁场中于360℃下退火2小时的市售的铁基的非晶态METGLAS
2605SA1合金的BH特性，比较曲线A与曲线B；
图2说明磁感应B与施加的场H的坐标图，描述图1的BH曲线的第一象限，感应水平最高达1.3特斯拉，曲线A和B各自与图1相同；
图3说明在60Hz下的激励功率VA与感应水平B的坐标图，曲线A所示为在20奥斯特(1600A/m)DC磁场中于320℃下退火1小时的组成为Fe81.7B16.0Si2.0C0.3的本发明实施方案的非晶态合金的激励功率，曲线B所示为在30奥斯特(2400A/m)DC磁场中于360℃下退火2小时的市售的铁基非晶态合金METGLAS
2605SA1的激励功率，比较曲线A与曲线B；
图4说明在60Hz和1.4特斯拉感应下测定的磁芯损耗，曲线A所示为在30奥斯特(2400A/m)DC磁场中于300℃-370 ℃下退火1小时的组成为Fe81.7B16.0Si2.0C0.3的本发明实施方案的非晶态合金带的相应曲线，曲线B为在30奥斯特(2400A/m)DC磁场中于360℃-400℃下退火1小时的市售的METGLAS
2605SA1合金带的相应曲线。
优选实施方案详述
现详细来看本发明的各实施方案，各实施例示于附图，其中在全文中，相同的编号是指相同的元件。以下参考各图描述各实施方案，以说明本发明。
本发明实施方案的非晶态合金的特征在于大于1.6特斯拉的高饱和感应Bs，AC磁芯损耗低且热稳定性高。所述非晶态合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质。
在低于材料的居里温度(在该温度下磁感应为零)下，铁使得材料饱和磁感应高。因此，需要铁含量高、高饱和感应的非晶态合金。但是，在富含铁的非晶态合金体系中，材料的居里温度随着铁含量的增加而下降。因此，在室温下，非晶态合金中高含量的铁不总是导致高饱和感应Bs。因此，需要使化学组成最佳化，这点根据本发明的各实施方案在下文中描述。
使用美国专利4,142,571中所述的快速固化法，本发明的各实施方案的合金易铸造为非晶态，该专利的内容通过引用结合到本文中来。这样铸造的合金为带形且具有延展性。本发明实施方案的非晶态合金的磁性能和热性能的典型的实例见下表I：
表I
本发明实施方案的非晶态合金的饱和感应、居里温度和结晶温度
| 组成(％原子) | 饱和感应(T) | 居里温度(℃) | 结晶温度(℃) |
| Fe81.7B16.0Si2.0C0.3 | 1.65 | 359 | 466 |
| Fe82.0B16.0Si1.0C1.0 | 1.66 | 353 | 451 |
| Fe82.0B14.0Si3.0C1.0 | 1.66 | 356 | 448 |
| Fe82.0B13.5Si4.0C0.6 | 1.65 | 359 | 453 |
| Fe82.0B13.0Si4.0C1.0 | 1.64 | 358 | 450 |
| Fe82.6B15.5Si1.6C0.3 | 1.64 | 348 | 444 |
| Fe83.0B13.0Si3.0C1.0 | 1.65 | 336 | 426 |
| Fe84.0B13.0Si2.0C1.0 | 1.63 | 315 | 401 |
所有的这些合金的饱和感应Bs超过1.6特斯拉，居里温度超过300℃且结晶温度超过400℃。由于大多数磁性装置通常在低于150℃下(150℃时用于这些装置的电绝缘材料快速燃烧或变劣)工作，因此本发明实施方案的非晶态合金在工作温度下热稳定。
比较本发明实施方案的非晶态合金与市售的铁基非晶态合金的BH特性，具有意想不到的结果。如图1清楚可见，其中比较了BH回线(BH loop)的弯曲部分，本发明实施方案的非晶态合金的磁化饱和比市售的非晶态铁基合金更尖锐。该差别的结果为本发明的各实施方案的合金获得预定感应水平所需的磁场较市售的合金低，这点如图2所示。
在图2中，激励水平设定为1.3特斯拉，测定本发明实施方案的非晶态合金和现有技术的非晶态合金METGLAS
2605SA1获得该激励水平所需的场。清楚地表明，与市售的合金相比，本发明实施方案的非晶态合金需要较低的场，因此获得相同的磁感应所需的激励电流较小。这点示于图3，比较图1和2的两种非晶态合金的激励功率，其中激励功率为变压器的初级绕组的激励电流与相同变压器的次级绕组的电压的乘积。清楚地表明，在任何激励水平，本发明实施方案的非晶态合金的激励功率比市售的METGLAS
2605SA1合金低。激励功率较低反过来导致本发明的各实施方案的合金的磁芯损耗比市售的非晶态合金低，特别是在高磁性激励水平下。表I中Bs＝1.65特斯拉的本发明实施方案的非晶态合金和市售的非晶态合金METGLAS
2605SA1在高激励下的磁芯损耗的典型的实例见表II。
表II
比较本发明的各实施方案的高饱和感应合金和市售的非晶态铁基合金METGLAS
2605SA1在B＝1.3-1.5T之间的不同感应水平下的磁芯损耗。根据实施例III中所列的ASTM标准，在采用实施例II制备且随后热处理的环形磁芯上进行测定，对于本发明实施方案的非晶态合金，在20奥斯特(1600A/m)的DC场中于320℃下热处理1小时，对于市售的合金，在30奥斯特(1600A/m)的DC场中于360℃下热处理2小时。
| 合金 | 60Hz下的磁芯损耗(W/kg) | |||
| B＝1.3特斯拉 | B＝1.4特斯拉 | B＝1.45特斯拉 | B＝1.5特斯拉 | |
| Fe81.7B16.0Si2.0C0.3 | 0.24 | 0.29 | 0.33 | 0.38 |
| METGLAS2605SA1 | 0.27 | 0.32 | 0.35 | n/a |
n/a：在该水平下磁芯不能被激励。
由表II预期和可见，商品非晶态合金METGLAS
2605SA1的磁芯损耗在感应超过1.45特斯拉时快速增加，这是由于该合金的饱和感应Bs＝1.56特斯拉，且不能在超过约1.5特斯拉时被激励。因此，在表II中对于METGLAS
2605SA1合金无B＝1.5特斯拉的数据点。另一方面，如表II所示，本发明实施方案的非晶态合金的磁芯损耗比市售的合金低，超过1.45特斯拉可被激励，这是由于该合金的饱和感应为1.65特斯拉，大于商品非晶态合金的饱和感应1.56特斯拉。
在图1和图2所示本发明实施方案的非晶态合金的BH特性意想不到地尖锐使其在脉冲发生和压缩的磁力开关中适于用作感应器。清楚地表明，与商品合金相比，本发明实施方案的非晶态合金的饱和感应Bs较高，矫顽磁力较低且BH矩形比较高。本发明的各实施方案的合金的Bs水平较高，特别适于获得较大的通量幅度，用2Bs表示。表III中还比较了DC矫顽磁力、DC BH矩形比和2Bs值。
表III
采用实施例II所述的方法，在由本发明实施方案的非晶态合金和市售的METGLAS
2605SA1合金制成的环形磁芯上，通过实施例III的BH回线示踪器采集数据。
| 合金 | 矫顽磁力(奥斯特) | 矩形比(Br/Bs) | 2Bs(特斯拉) |
| Fe81.7B16.0Si2.0C0.3 | 0.030 | 0.85 | 3.30 |
METGLAS |
0.043 | 0.78 | 3.12 |
由表III清楚地表明，与市售的非晶态合金相比，本发明实施方案的非晶态合金更适于用作脉冲发生和压缩的磁芯材料。
如表I的高结晶温度所示，发现本发明的各实施方案的合金的热稳定性高。通过加速老化测试证实了该热稳定性，其中在超过250℃的高温下，在数月内监测磁芯损耗和激励功率，直至这些值开始升高。记录在各老化温度下性能提高的时间点，绘制为1/Ta的函数，其中Ta为以绝对温度计的老化温度。绘制的数据最好通过下式描述：
tau∝exp(-Ea/kBT)，
其中tau为在温度T下完成老化过程的时间，Ea为老化过程的活化能，kB为玻耳兹曼常量。将绘制在对数尺度上的数据外推至磁性装置例如变压器普遍使用的操作温度。这种图称为阿仑尼乌斯图，广泛用于该行业，用于预测材料的长期热特性。由于用于这些磁性装置的大多数电绝缘材料在超过约150℃下快速燃烧或变劣，因此选择操作温度为150℃。表IV为研究结果，表明本发明实施方案的非晶态合金在150℃下在远超过100年下热稳定。
表IV
本发明实施方案的非晶态合金于150℃下的寿命。
| 合金 | 寿命(年) |
| Fe81.7B16.0Si2.0C0.3 | 450 |
为了找到本发明实施方案的非晶态合金的最佳退火条件，如实施例II所述，变化退火温度和时间。图4表明当退火时间为1小时，沿着条的长度方向施加的2400A/m DC磁场时，曲线“A”所示的组成为Fe81.7B16.0Si2.0C0.3的本发明实施方案的非晶态合金以及曲线“B”所示的市售的METGLAS
2605SA1合金得到的结果的一个实例。图4清楚地表明，当本发明实施方案的非晶态合金在300℃-350℃之间退火时，前者的磁芯损耗比市售的非晶态合金低。
提出以下实施例来更完整地理解本发明。根据优选的实施方案来说明本发明的原理和实践的具体的技术、条件、材料、比例和记录的数据仅为举例说明，不应理解为要局限本发明的范围。
实施例I
将约60kg构成金属，例如FeB、FeSi、Fe和C在坩埚中熔融，随后通过美国专利4,142,571所述的方法快速固化熔融的金属。形成的带宽约170mm，厚约25μm，通过常规的差示扫描量热法测定，以确定其非晶态结构，并测定该带材的居里温度和结晶温度。使用常规的阿基米德方法确定质量密度，这是材料的磁特性所需的，发现该带具有延展性。
实施例II
将170mm宽的带切成25mm宽的带，用于缠绕成各自重约60g的环形磁芯。对于本发明的各实施方案的合金，沿着环的圆周施加30奥斯特(2400A/m)DC磁场，于300-370℃下热处理磁芯1小时，对于市售的METGLAS
2605SA1合金，沿着环的圆周施加30奥斯特(2400A/m)DC磁场，于360℃-400℃下热处理磁芯2小时。对经过热处理的磁芯施加初级铜线绕组10圈和次级绕组10圈，以测定磁性。此外，从本发明实施方案的非晶态合金和市售的METGLAS
2605SA1合金上切下230mm长和85mm宽的带条，对于本发明实施方案的非晶态合金，于300℃-370℃之间进行热处理，对于市售的合金，于360℃-400℃之间进行热处理，在热处理时均沿着条的长度方向施加30奥斯特(2400A/m)DC磁场。
实施例III
使用具有DC和AC激励能力的市售的BH回线示踪器，测定实施例II的含有初级和次级铜绕组经过热处理的磁芯的磁特性。采用ASTM A912/A912M-04标准，在50/60Hz下测定AC磁特性，例如磁芯损耗。采用ASTM A 932/A932M-01标准，测试实施例II的长230mm和宽85mm的经退火的直条的磁性能，例如AC磁芯损耗。
实施例IV
在超过250℃下，使用充分表征(well-characterized)的实施例III的磁芯进行加速老化试验。在试验过程中，将磁芯置于磁感应为约1特斯拉的60Hz激励场中，以模拟在高温下实际的变压器操作。
尽管已说明和描述了本发明的几个实施方案和实施例，但本领域技术人员应理解的是，在不偏离本发明的原则和精神的情况下，可对这些实施方案进行各种变化，本发明的范围限定在权利要求及其等价物中。
Claims (7)
1.一种铁基非晶态合金，其中所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应值大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃，其中通过在300℃-350℃下退火对所述合金进行热处理，在所述合金退火后，所述合金的DCBH矩形比大于0.8。
2.权利要求1的合金，其中所述合金用下式表示：Fe81.7B16.0Si2.0C0.3、Fe82.0B16.0Si1.0C1.0、Fe82.0B14.0Si3.0C1.0、Fe82.0B13.5Si4.0C0.5、Fe82.0B13.0Si4.0C1.0、Fe82.6B15.5Si1.6C0.3、Fe83.0B13.0Si3.0C1.0或Fe84.0B13.0Si2.0C1.0。
3.权利要求1的合金，其中所述饱和磁感应大于1.65特斯拉。
4.权利要求3的合金，其中所述合金用下式表示：Fe81.7B16.0Si2.0C0.3、Fe82.0B16.0Si1.0C1.0、Fe82.0B14.0Si3.0C1.0、Fe82.0B13.5Si4.0C0.5或Fe83.0B13.0Si3.0C1.0。
5.权利要求1的合金，其中所述合金用于磁芯，且在所述合金退火后，当在60Hz、1.5特斯拉和室温下测定时，磁芯损耗小于或等于0.5W/kg。
6.一种包含经热处理的铁基非晶态合金的磁芯，其中所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应值大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃，其中所述合金在300℃-350℃下退火，其中在所述合金退火后，当在60Hz、1.5特斯拉和室温下测定时，磁芯损耗小于或等于0.5W/kg，且其中所述磁芯为变压器或电扼流线圈的磁芯，其中在所述合金退火后，所述合金的DC BH矩形比大于0.8。
7.一种包含经热处理的铁基非晶态合金的磁芯，其中所述合金的化学组成为式FeaBbSicCd，其中81＜a≤84，10≤b≤18，0＜c≤5，0＜d＜1.5，数值为原子百分比，含有附带的杂质，同时饱和磁感应值大于1.6特斯拉，居里温度为至少300℃，结晶温度为至少400℃，其中所述合金在300℃-350℃下退火，其中在所述合金退火后，DC BH矩形比大于0.8，且其中所述磁芯为脉冲发生器和/或压缩机中的磁力开关的感应器磁芯。
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