CN101371321A - 纳米结晶材料的带材的生产方法和由所述带材生产卷绕芯的设备 - Google Patents

纳米结晶材料的带材的生产方法和由所述带材生产卷绕芯的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生产纳米结晶材料带材的方法，该纳米结晶材料带材如下获得：以具有以下原子组成的非晶状态的铸造带为原料：[Fe1－a－bCoaNib]100－x－y－z－α－β－γCuxSiyBzNbαM’βM”γ，M’是V、Cr、Al和Zn元素中的至少一种，M”是C、Ge、P、Ga、Sb、In和Be元素中的至少一种，其中a≤0.07和b≤0.1，0.5≤x≤1.5和2≤α≤5，10≤y≤16.9和5≤z≤8，β≤2和γ≤2，并且使该非晶带进行结晶退火，其中通过进给经过至少两个S型单元并且在该带的基本上纵轴方向上在张力下使该带在开卷状态下退火，以使该带在2至1000MPa的轴向拉应力下在530℃至700℃的退火温度下保持5至120秒的持续时间，所述非晶带所经受的拉应力、所述退火时的其进给速度、退火时间以及退火温度的选择要使得该带材的截面剖面不是Ω形的，并且该带材的横截面的最大挠度小于该带材宽度的3％，优选小于该宽度的1％，并且涉及所获得的带材和芯以及用于实施所述方法的设备。

Description

纳米结晶材料的带材的生产方法和由所述带材生产卷绕芯的设备
技术领域
本发明涉及纳米晶体材料的带材的生产方法，由此带材生产卷绕芯(tore enroulé)的设备，以及所述芯和将它们组合而成的元件。
背景技术
特别地，在专利FR2823507中公开了由通过退火转变的FeCuNbSiB型非晶带生产具有低磁导率(perméabilité)(μ≤1000)的纳米结晶材料芯。
此文献特别地描述了这些非晶带的应力退火方法，其显著地降低了纳米结晶材料的极限脆性，其在之前是不能在纳米结晶后以芯的形式进行处理的。这种应力退火方法所能获得的机械性能使得能够在没有断裂危险的情况下进行带材的卷绕，还使得能够在仍保持相同卷轴的同时使该带材开卷和再卷绕。
这些改进的机械性能归因于Ω形的纳米结晶带材截面的产生，其具有挠度(flèche)大于1％宽度的最小拐点。这种结构对应于比传统纳米结晶材料要小的脆性状态，从而尤其使得能够在相同卷轴上开卷然后再卷绕该结晶带；但是，这种具有以Ω标记的剖面(profil)的状态在较小直径的卷轴上仍是太脆的，以致于不能被处理和开卷/再卷绕，尤其是直至获得直径小于或等于10mm的芯时。
而且，由于该Ω剖面，磁性能和再卷绕时的断裂百分率并不依赖于转向该芯外部的带材的面。当该Ω的凸起指向芯的外部时，该性能会更好，且再卷绕时的断裂率较低；当该Ω的凸起指向芯的内部时则相反。因此，在生产中，要么必须使该带与Ω的凸起在所生产的芯的外部成体系，这需要采用额外的控制和更复杂的工艺；要么产量会降低，并且性能不均匀。
另外，在自动卷绕以获得芯的过程中，带头可能非常难以被吸取，并且会粘在卷轴上，因为该Ω剖面阻止了带头被良好地吸取，并且由于这种减压现象而被粘上。
而且已经发现，带材的磁导率增加得越多，其在其最终状态下越脆，而且其断裂率变得越大。因此这种方法不可能在工业上生产纳米结晶带材，特别是当其磁导率超过1000时。
最后，根据现有技术获得的脆性减少但仍然很高的带材使得能够获得不超过3cm/s的进给(défilement)速度。
事实上，如果纳米结晶退火方法使得能够实现小于10个断裂/千米的非晶带的断裂率，大于或等于10cm/秒/米炉工作区(温度大于或等于500℃的区域)的进给速度以及大于10℃的退火温度调节范围(在该范围内可以改变退火温度而不会显著改变带材的性能，尤其是其脆性)，则其被认为是一种工业方法，
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能够在工业规模上使用的纳米结晶带材的生产方法，还涉及纳米结晶产品，该产品可以被处理并用于比现有技术更为紧致的磁路几何形状，且特别是与迄今为止已知的情况相比要小得多的卷绕半径。
为此，本发明的第一目的在于生产纳米结晶材料带材的方法，该纳米结晶材料带材如下获得:以具有以下原子组成的非晶状态的铸造带为原料:
[Fe1-a-bCoaNib]100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzNbαM’βM”γ
M’是V、Cr、Al和Zn元素中的至少一种，
M”是C、Ge、P、Ga、Sb、In和Be元素中的至少一种，其中
a≤0.07和b≤0.1，
0.5≤x≤1.5和2≤α≤5，
10≤y≤16.9和5≤z≤8，
β≤2和γ≤2
并且使该非晶带进行结晶退火，其中通过进给经过至少两个S型单元并且在该带的基本上纵轴方向上在张力下使该带在开卷状态下退火，以使该带在2至1000MPa的轴向拉应力下在530℃至700℃的退火温度下保持5至120秒的持续时间，所述非晶带所经受的拉应力、所述退火时的其进给速度、退火时间以及退火温度的选择要使得该带材的截面剖面不是Ω形的，并且该带材的横截面的最大挠度小于该带材宽度的3％，优选小于该宽度的1％。
本发明人完全出人意料地观察到，通过赋予纳米结晶带材以不具有Ω剖面的平的截面可以显著降低纳米结晶带材的脆性。这种脆性降低可以显著降低每千米的断裂率并提高带材的进给速度。
不希望被理论束缚，本发明人事实上已经发现，在给定的进给速度和给定的拉应力下，应力退火温度或时间增加得越多，结晶分数fx增加得越多，直到达到临界结晶分数fx C，该分数依赖于应力水平。如果fx变得大于此临界分数fx C，则Ω剖面开始出现并且该材料明显地会变得更脆。
通过这种涉及到适当调节退火条件(拉应力、进给速度，退火时间和退火温度)的新方法，则可以以低于临界再结晶分数的结晶分数使生产稳定化，以避免Ω形带材截面的剖面。由此获得的带材能够在卷绕开始时被容易地卷取，能够在大直径支撑物上被卷起而不偏心距(faux ronds)，并且能够被有效且无差别地卷绕，其面中的任一个朝向芯的外部。
本发明的方法另外可具有单独或组合的以下特征:
-带材的进给速度大于或等于10厘米/秒/米炉工作区，
-轴向拉应力大于500MPa，
-进给的非晶带的断裂率小于10个断裂/千米带，
-y大于或等于12。
在一个优选实施方式中，选择非晶带的组成以便:
a≤0.04和b≤0.07，
0.5≤x≤1.5和2≤α≤5，
13≤y≤16.6和5.8≤z≤8，
β≤2和γ≤2。
在另一个优选实施方式中，选择非晶带的组成以便:
a≤0.02和b≤0.05，
0.5≤x≤1.5和2.5≤α≤4，
14.5≤y≤16.5和5.8≤z≤7.5，
β≤1和γ≤1。
后两个采用特定组成范围的实施方案更特别地用于生产能够测量电流的电流传感器，包括可用在单级或两级能量计中的强连续元件，其包括至少一个由所述纳米结晶材料制成的芯，以及用于生产储存或滤波感应器，其不依赖于叠加的连续元件的水平，可用在能量计中，包括至少一个由所述纳米结晶材料制成的芯。
本发明的第二主题涉及可通过实施本发明方法获得的纳米结晶材料带材，该带材能够在这种带材的任何点上经受至多3mm曲率直径的弯曲而没有断裂也没有裂纹。
本发明的带材还可具有单独或组合的以下特征:
-通过实施本发明方法由非晶带获得的带材，所述带材的厚度相对于所述非晶带的厚度降低至少10％，
-该带材具有小于或等于7A/m，优选小于或等于5A/m的矫顽磁场，
-该带材在2000e下的感应大于或等于12kG。
本发明的第三主题涉及纳米结晶材料的芯，其如下获得:实施本发明的方法，在该方法结束后卷绕所述纳米结晶带材，并且其磁导率大于或等于50且小于200，其截止频率为30至200MHz，且芯具有小于或等于10mm的直径。
在一个优选实施方式中，相对于通过卷绕经过无应力结晶退火的相同组成的带材所获得的膨胀度(foisonnement)，本发明的芯具有至多3％的膨胀度的降低，并且这是相对于起始非晶带的厚度为最高达10％的纳米结晶带材厚度的降低而言。
在另一个优选实施方式中，本发明的芯如下获得:实施本发明方法，在该方法结束后在第一卷轴上第一次卷绕所述纳米结晶带材，然后通过开卷和随后的卷绕而卷绕到第二卷轴上，第二卷轴的直径小于第一卷轴的直径。
本发明的第四个主题涉及以非晶状态的铸造带(R)为原料通过退火所述非晶带(R)来生产磁芯的设备(1)，包括:
-非晶状态的带(R)的带卷(bobine)的接受轴(2)，
-温度调节的直通式炉(3)，
-至少一个S型单元(4)，其位于带(R)进入到炉(3)的入口之前并连接到制动电动机(5)上，
-调节所述非晶带(R)和纳米结晶材料带材(N)的轴向拉应力的设备(6)，所述设备(6)包括力测量设备，所述力测量设备连接到位于带(R)进入到炉(3)的入口之前的所述S型单元(4)的制动电动机(5)的控制模块上，
-至少一个S型单元(7)，其位于带材(N)离开直通式炉(3)的出口之后并且连接到电动机上，
-至少一个卷轴(8)，用于以纳米结晶材料的芯的形式卷绕在退火后获得的带材(N)，
非晶带(R)从装配在所述接受轴(2)上的非晶带(R)的存储带卷到达纳米结晶材料带材(N)的带卷，相继经过了位于带(R)进入到炉(3)的入口之前的S型单元(4)，然后经过力测量设备(6)，然后经过炉(3)，然后经过位于带材(N)离开炉(3)的出口之后的S型单元(7)。
本发明的设备还可以具有单独或组合的以下特征:
-该设备包括用于卷绕该带材的第一卷轴和用于卷绕该带材的第二卷轴，以便在第一卷轴上卷绕第一芯后可以切割带材(N)并将该带材(N)的头部的一部分装在第二卷轴上，以进行第二芯的卷绕而不会中断生产，
-该设备包括用于卷绕该带材(N)的单个卷轴(8)和在炉(3)的出口的所述S型单元(7)的下游的带材存储设备(9)，从而使得能够更换卷绕带卷而不中断生产，
-该设备另外还包括至少一个压辊(10)，其将在退火的带材(N)在位于带材(N)离开直通式炉(3)的出口之后的S型单元(7)中经过时对退火的带材(N)进行压制，
-该设备另外还包括至少一个凸形辊，其将在非晶带(R)在位于所述带(R)进入到炉(3)的入口之前的S型单元(4)中经过时对非晶带(R)进行压制。
这种设备使得能够获得如根据本发明所需的平的截面。应该注意的是，本领域技术人员不可能预知纳米结晶带材可能在强叠加拉应力下遵循S型单元的强交互曲率，并且这在一千米甚至几千米带的过程中没有断裂。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明，其代表:
-图1:专利FR2823507的设备，
-图2:本发明设备的示意图。
具体实施方式
用于生产本发明的纳米结晶带材的合金具有以下的原子组成:
[Fe1-a-bCoaNib]100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzNbαM，βM”γ
M’是V、Cr、Al和Zn元素中的至少一种，
M”是C、Ge、P、Ga、Sb、In和Be元素中的至少一种，其中
a≤0.07和b≤0.1，
0.5≤x≤1.5和2≤α≤5，
10≤y≤16.9和5≤z≤8，
β≤2和γ≤2。
在本申请中，除非特别指出，所有涉及的组成百分比都是原子百分比。
非晶剂(amorphisant)元素如硼的使用使得能够通过高速冷却铸造获得非晶材料，通常为薄带的形式，该非晶材料随后进行退火获得纳米结晶类型的材料，也就是这样的一种材料，该材料在构成该材料体积余量的非晶相中包括大于50体积％尺寸小于100nm的晶体。
在本发明的范围内，硼的原子百分比为5至8％。这是因为，如果硼含量太低，不被其它非晶剂部分替代，则该带非常难以通过在轮上淬火的传统生产方法变为非晶的。在实际中，不可具有小于5％的硼，优选大于6％。
相反地，随着硼百分比的增加，在应力下在进给中的结晶变得困难，因此需要降低进给速度V，从而限制了可达到的磁导率范围(μ最 小≥300)，尤其是大大损害了矫顽磁场Hc，使其值达到大于13A/m。因此，硼的最大含量必须限制到8％。
字母M”组的元素，即C、Ge、P、Ga、Sb、In和Be也是非晶剂元素。这些元素中的一种或多种可以在有限的替代范围内部分替代硼，这是因为，考虑到在拉力下结晶退火之前获得100％非晶状态所必需的在轮上的淬火速度，硼是最有效的。因此其它非晶剂元素的这种替代比率限制到2％。
根据本发明的带材的钴含量至多为约5.75at％(a≤0.07，且b、x、y、z、α、β和γ最小)。这是因为，如果超过这个值，Hc就会劣化且磁损失，这对以这种带材为原料制得的元件的小型化是有害的。考虑到这些缺点，优选将该值限制到0.04，甚至限制到0.02，更优选为0。
根据本发明的带材的镍含量至多为约8.25at％(b≤0.1，且a、x、y、z、α、β和γ最小)。这是因此，如果超过这个值，材料的饱和度会损害到低于1.2T，并且与例如由钴基非晶材料制成的替代物相比其显著降低磁路体积的能力也受到损害。考虑到这些缺点，优选限制b的值到0.07，甚至到0.05，更优选为0。
另外优选限制钴和镍的总量到约8.25at％(a+b≤0.1)。
根据本发明的组成的铜原子百分比为0.5至1.5％。铜的百分比应当保持在高于0.5％，这是因为，如果低于此值，纳米晶体的成核作用就不足以获得小尺寸的晶体，且Hc会过度地增加。另一方面，如果铜的百分比大于1.5％，就会形成大量晶体，但这不会在性能上带来可见的改善，同时饱和磁化也会降低。
根据本发明的组成的铌的原子百分比为2至5％。此元素是生长抑制剂，其作用是在晶体生长时保持晶体的小尺寸。当铌低于2％时，抑制作用不充分，且Hc在所有类型的纳米结晶带上增加，其中包括通过在拉力下纳米结晶产生的那些。
如果铌的百分比增加到6％，则饱和感应B(20 Oe)就会大大降低，特别是就会观察到带的脆化现象，这使得非常难以无频繁断裂风险地进行工业化操作。因此，铌的最大百分比必须保持在低于或等于5％。
根据本发明的组成的硅的原子百分比为10至16.9％。这种准金属使得能够将纳米结晶带的磁致伸缩调整至非常接近零的值。
在一个优选实施方式中，根据本发明的带材的硅含量大于或等于12％。这是因为，当低于此值时，Hc会降低并达到大约8A/m的值，引起虽然可以接受但相对较高的磁损失。
字母M’组的元素，即V、Cr、Al和Zn，是能够以一定的限度替代硅的准金属。这是因为，超过2％的替代会大大偏离这些磁致伸缩的值，导致最终产品对外部应力(如带在其本身上的卷绕(带材的弯曲应力)和包装)敏感。
此外，对于能量存储、电流谐波滤波或高频共态自感应带卷方面的应用，高B-H线性并不是严格必要或有用或有利的，而且10-15％的Br/Bm比(Br为剩余磁感应，Bm为20 Oe时的感应，也称为“接近饱和感应”)可能就足够。
另一方面，在某些元件的情况下，例如滤波感应(其中希望以同样的方式衰减，而不论是哪一种的叠加连续元件)、存储感应(其中希望存储和转移来自电路或者转移到电路的同样的能量，而不论是哪一种叠加连续元件)、电流传感器(其中希望以同样的精确度测量和/或转变电流，而不论是哪一种叠加连续元件)，高B-H线性都是必要的。这就等于说，对于在拉力下在进给中的纳米结晶合金而言，这些应用需要Br/Bm比小于或等于3％，优选小于或等于1％。本发明人已经令人吃惊地发现，为了获得这些值，刚刚描述的组成范围应当被降低。
因而通过符合以下的附加条件而获得已经如上所述的本发明的所有优点，也包括改进的B-H线性，使得Br/Bm比在20℃下小于或等于3％:
a≤0.04和b≤0.07
0.5≤x≤1.5和2≤α≤5
13≤y≤16.6和5.8≤z≤8
β≤2和γ≤2
另外，在此组成范围内，观察到0至400℃的Br/Bm比小于或等于6％，0至300℃的Br/Bm比小于或等于3％。
另外通过符合以下的附加条件而获得最佳的B-H线性，使得Br/Bm比在20℃时小于或等于1％，优选在20℃时小于或等于0.7％:
a≤0.02和b≤0.05
0.5≤x≤1.5和2.5≤α≤4
14.5≤y≤16.5和5.8≤z≤7.5
β≤1和γ≤1
另外，在此组成范围内，观察到0至400℃的Br/Bm比小于或等于1.5％，0至300℃的Br/Bm比小于或等于0.8％。
该材料以液体形式生产，然后在传统类型的非晶带的冷轧铸造设备中以高的冷却速度铸造，以便在铸造设备的出口获得非晶带材，该非晶带材以具有连接的匝(spire)的带卷的形式卷绕。
该退火设备主要包括直通式炉(3)，其可以是通过对流和辐射加热带材的电阻炉、纯辐射炉或者是在经过炉子时通过焦耳效应加热带材的设备。
带材的退火也可以通过流化床来进行，该流化床由液体或固体颗粒构成，或者为溶胶-凝胶和在载气中悬浮的气溶胶的形式之一，带材的加热介质本身通过与腔室接触来加热，该腔室本身通过传统型炉(例如电阻炉)来加热。
炉(3)包括中心区，在该中心区中，温度是均匀的，并且处于在拉力下在进给时执行本发明的带材的再结晶所需的范围内，此温度为530℃至700℃，优选540℃至690℃。在此范围内，基本上根据所选的生产速度V并根据所选的拉应力σ(也就是说所选的磁导率μ)来改变温度T，这是因为，增加V或降低σ会增加最佳退火温度T。带材的上限温度设定为700℃是为了避免形成由硼化物构成的相，该相会使带材变脆并降低其磁性能。
带材的开卷以及卷绕用卷轴(8)优选在电动机或制动器(例如借助于开卷机上的粉末制动器)的控制下进行，以便进一步增加设备的生产率。直通式炉(3)的入口S型单元(4)和出口S型单元(7)都在电动机的控制下，入口S型单元(4)与制动电动机(5)连接，其在整个处理过程中对非晶带(R)实施制动和抑制扭矩。炉(3)的出口S型单元(7)通过电动机结合减速器来驱动，并且用于驱动带材(N)，以便其在炉中以完全调节的拉应力和可超过10cm/s的调节的速度进给。退火炉(3)的长度应当适配于带(R)的进给速度，以便能够合适地进行结晶，已知的是，进给速度增加得越多，炉(3)的长度应当增加得越多。
这两个S型单元(4、7)的组合使得能够在带材宽度上以完全均匀的方式施加完全规定的拉力，在退火炉(3)的处理期间带(R)的纵轴方向的拉应力在2至1000MPa之间。
也可以并且优选带材(N)的卷轴(8)和非晶带(R)的开卷轴(2)在电动机的控制下，以便在经过入口S型单元(4)前的带(R)和/或经过出口S型单元(7)的带材(N)上确保低幅的调节的拉力(大约几个MPa)。
退火处理期间施加到进给的带材(N)上的拉应力采用力测量和力调节设备(6)进行调整。
此设备(6)可以包括第一定滑轮和第二定滑轮，在其上该带材连续地经过力调节设备的入口和出口。在这两个滑轮之间，带(R)在具有活动轴的滑轮上经过，其轴平行于两个定滑轮的轴。活动轴的滑轮通过连接杆连接于附属于支撑物的力感应器上。此杆使得能够连续测量施加于带(R)上的拉力(F)，并且相应的测量信号被传送到在炉(3)的电动机控制下的入口S型单元(4)的制动电动机(5)的控制模块。
由该力信号来调节这个制动电动机(5)，以便在带(R)上在纵轴方向上施加等于力F的约束拉应力，该力F构成调节参数。通过炉(3)的电动机控制下出口S型单元(7)的电动机所施加的拉和驱动力自动地被调整至由制动电动机(5)施加的力F的值。
而且，本发明的设备(1)可以包括用于该带材的第一卷轴和用于该带材的第二卷轴，以便在第一轴上卷绕第一芯后可以切断带材(N)并将该带材(N)的头的一部分装配于第二轴上，以便实施第二芯的卷绕而不中断该生产方法。这种成品的带卷的更换尤其受益于包含于两个S型单元(4，7)之间的高拉力区域与这些单元(4，7)之前和之后的弱拉力区域的完全去耦，该去耦使得能够消除可能的应力的突然波动。术语“芯”在此理解为既可以指按照磁性元件的尺寸要求永久卷绕的芯，也可以指打算随后被置于人工或自动芯卷绕机(包括开卷、测量带材长度、卷绕芯、切割至长度、外匝的粘结和从卷轴上移开的操作)中的半成品带卷。
也可以为S型单元(7)的出口增加至少一个压辊(10)，其将在退火带材(N)经过S型单元(7)时对该带材进行压制，该S型单元(7)位于带材(N)离开直通式炉(3)的出口之后。该S型单元的这个另外的辊(10)可以是凸起的。将凸起的辊置于S型单元(4，7)中是优选的也是有利的，因为如此不仅使它们在非晶带(R)或纳米结晶带材(N)经过S型单元(4，7)时压制该非晶带(R)或纳米结晶带材(N)，而且另外它们还能自动对中带(R)或带材(N)，使得能够不偏离其路线地进给，并能在其宽度上和S型单元(4，7)的辊的整个接触表面上承受更均匀分布的拉应力。
还可以通过在该工艺中在线路上插入其它S型单元来增加带材的粘结、其稳定性和其沿着辊的横轴的对中。这另外还使得能够调节高应力区域(S型单元之间)和低应力的上游和下游区域之间的应力比，以及局部应力的分布，从而最终进一步降低每千米的断裂率。
根据本发明的方法还使得能够在随后的时间在与拉力下退火生产位置分离的卷绕位置上以圆形或椭圆形高速生产卷绕芯。在此情况下，该卷绕从通过本发明拉力下退火所生产的带材的带卷开始来进行。为了生产椭圆形芯，非磁性卷绕支撑物必须在卷绕由拉力下退火工艺得到的带材时被加入，并且随后可在芯的涂敷或浸渍之后除去，或者被保留。
而且可以有利地使用磁性卷轴或抽吸卷轴来固定在卷轴上的带的起始。
一般地，在拉力下退火炉(3)中的带材结晶条件要使得该带材含有至少50体积％的尺寸为2至20nm的纳米晶体。各晶体彼此通过由该合金具有保留的非晶部分所组成的基体隔开。
本发明方法的优点之一在于能够使用2至1000MPa的非常宽范围的拉应力。这使得获得50至5000之间的磁导率成为可能。
特别地，通过采用大于250MPa甚至大于500MPa的拉应力，可以生产具有50至200之间的磁导率的纳米结晶带材，此范围迄今为止采用传统方法(例如FR2823507)是不可能获得的。因此，对于应力400MPa可以获得大约90的磁导率，对于应力700MPa则可以获得大约50的磁导率。
而且，通过使非晶带经受高拉应力，可以将纳米结晶带材的厚度降低3至10％，甚至更多。因此，厚度为20μm的带可以转变成厚度为18或19μm的带材。纳米结晶带材厚度的这种降低对由该带材生产的元件的磁性能产生影响。这是因为，这种厚度降低使得能够降低金属中感应的电流，从而降低未来卷绕的芯的磁损失。
另外，本发明人已经发现，这种更好的磁性能的获得不会损害带材的膨胀度，这是完全出乎意料的，因为已知的是，卷绕的金属板材的厚度降低得越多，卷绕的膨胀度增加得越多。
为了降低芯中感应的电流和磁损失，可能有必要根据芯的最终应用在带材上沉积或形成电绝缘层，以便使相继的匝之间彼此隔离。例如可以在退火之后在带材上连续沉积厚度为十分之一微米到几微米的矿物质。
沉积在匝之间的矿物质可由氧化镁(MgO)的乳液组成，其中的水在随后的低温烘干操作中被去除。
更一般地，可以采用以下的传统组成:
-通过在树脂中浸渍、喷涂、电泳或通过其它任何沉积技术沉积在表面的SiO2、MgO、Al2O3粉末，
-通过CVD或PVD喷涂或静电方法在表面沉积SiO2、MgO、Al2O3薄层，
-在醇中的烷基硅酸盐溶液，与酸混合，在热处理后形成镁橄榄石MgSiO4，
-通过与各种陶瓷粉末混合的SiO2和TiO2的部分水解获得的溶液，
-施涂于该带上然后加热的主要包括多钛碳酸盐的溶液，
-涂敷并加热的磷酸盐溶液，
-通过应用氧化剂形成的绝缘溶液并加热。
优选地，绝缘层要么在以一个或多个电磁元件芯的形式再卷绕之前沉积到退火结束时获得的带卷的开卷带材上，要么在作为带卷卷绕之前成直线地沉积在电动机S型单元的出口处。在这两种情况下，这种沉积之后通常是低温退火，目的是为了提供聚合或脱水。
还可以在结晶退火之前使用具有绝缘性能的涂层，该涂层沉积在非晶带上厚度为1/10微米至几十微米，且耐受快速加热退火温度和退火的高拉力。例如可以采用甲氧基镁作为非晶带材的预涂层。
用于退火前的绝缘或者用于退火带材的电绝缘的这种类型的涂层可以通过任何合适的方法获得，特别是通过两个辊之间的涂敷或CVD或PVD类型的沉积或者通过喷涂或者通过流化床等等，任选的另外的干燥和/或聚合和/或交联的步骤，这取决于绝缘材料的性能、单体的类型以及是否存在溶剂等等。
当采用矿物绝缘涂层时(耐温度性)，优选地，在纳米结晶退火之前，特别优选在入口S型单元之前在非晶带上实施涂敷。本发明人还发现，一部分绝缘材料在经过退火炉时会变为与非晶带分离，但是特别地，剩余的绝缘材料使得能够在降低带的脆性的同时增强其机械性能。
另外，获得预定磁导率水平所必须的拉力发现被降低了。因此可以通过增加拉力获得甚至更低的磁导率。
还可以的是，以与匝间的绝缘完全不同且作为其补充的方式，用塑料(例如环氧树脂)涂敷本发明的芯(作为根据所指定的应用的几何要求的芯预先卷绕)，该树脂可以在热或冷条件下涂敷。已经发现，这种类型的涂层不会以任何方式损害芯的磁性能，即使是在大约200℃的温度下涂敷该树脂。这种涂层不会明显地在匝间渗透，并且具有如下作用:使芯变硬和保护芯免受卷绕应力，保护卷绕线的电绝缘材料不受卷绕带材的切割边缘所带来的损害并且在卷绕的芯和带卷间提供良好的介电隔离。
除了刚刚描述的匝间电绝缘涂层或用于芯及其带卷的电保护和机械保的芯的外部涂层，也可以采用特殊的流体和硬化树脂浸渍本发明芯的匝间现有的间隙而基本上不损害其磁导率。在此状态下，芯变得非常硬，且成为一整体，因此能够被切割。
如此产生的浸渍的芯可以随后被切成2C，矫顽磁场Hc的增加不超过50％，同时利用组合在一起的2C生产的磁路的磁导率μ1可以通过该切割表面的合适的表面处理被调节至相对于μ低至多50％的水平。
例如，如果本发明的浸渍的芯被生产，其磁导率达到μ＝300，就可以获得150至300之间的磁导率μ1。这种降低归因于由切割产生的残余气隙。
因此可以看出，可以获得具有上述应力退火纳米结晶材料的所有性能特征的低磁导率的芯，也可以获得2C几何形状，该形状使得能够获得不具有除了残余气隙的气隙的紧致的最终元件，该气隙可能会破坏外部磁场，并导致在气隙区域周围的局部温度升高。
试验
生产一系列铸件1-19，其组成列于表1中，以获得根据传统的在冷却轮上淬火的方法的非晶带。
随后使这些带进行各种退火工艺，这些工艺的特点列于表2中。
一旦通过应力退火转变成纳米结晶带材，则将后者进行一定数量的表征试验，并将其结果本身也列于表2中。
在这些试验的内容中，使用了下列术语:
● RP:已知的纳米结晶材料的应力退火工艺，采用至少一对或两对夹送辊(参见专利FR2823507)。
● Direct:已知的纳米结晶材料的应力退火工艺，通过卷绕和开卷带卷使用带的直接拉力(参见专利FR2823507)。
● BS:本发明所述的纳米结晶材料应力退火工艺，采用例如退火炉入口的S型单元和在该炉出口的S型单元。
还采用以下的符号:
DMIN 带材断裂极限时的曲率半径，
TTTH 纳米结晶退火温度，
σ    退火过程中的拉应力，
μr   相对磁导率，
ΔT   使得能够在整个可能的μr范围获得DMIN≤3mm的退火温度值的范围，
Br    剩余磁感应
Bm    20 Oe时的感应，“接近饱和感应”，
B(200) 200 Oe时的饱和感应，
Hc    矫顽磁场。
术语“μr范围”可以理解为是指对于给定的工艺特点，在给定的铸件上，可用的μr值的范围，在50-5000的最大μr范围内。
D MIN 的测定
通过将带材放置于一系列半圆的校准的形状(其直径将降低直至带材断裂)上来测定带材断裂时的曲率半径DMIN。连续地采用以0.1mm的幅度值降低的5至2.5mm的直径。
ΔT的测定
ΔT是使得能够在整个可能的μr范围获得DMIN≤3mm的退火温度值的范围。这是因为考虑到了以下的情况:当DMIN小于3mm时，带材的脆性可与工业规模的工艺相容。
为了测定ΔT的值，对于通过在退火过程中改变拉应力获得的各种磁导率的带材测量DMIN，并对不同数值的退火温度TTTH进行这种测量。因此，对于No1组成的铸件(参见表1)，对于DMIN获得下列数值:
Figure A200680026714D00211
*:未进行的试验。
在此实施例中，预计在560至595℃之间的30℃的ΔT值。
已经发现，为了稳定在μ＝1500-2000，磁导率增加得越多，DMIN增加得越多。脆性最小的带因而是具有最低磁导率的带，这也是能量滤波/存储型应用小型化方面的另一个优点。
值得注意的是，DMIN对于拉力下退火的温度非常敏感。因此，30℃的差异就会引起具有大于500的磁导率的所有带材从在570℃获得的轻微脆性的状态(DMIN≤3mm)转变成脆性不断增加的状态(DMIN可以达到3.6mm)。
表1
 
铸件 ％Co ％Ni ％Cu ％Si ％B ％Nb ％M’ ％M”
1 0 0 1.0 15.3 6.5 2.96
2 1.7 0 1.0 15.3 6.5 2.96
3 5.0 0 1.0 15.3 6.5 2.96
4 5.0 0 1.0 15.3 6.5 2.96
5 10 0 1.0 15.3 6.5 2.96
6 0 0 1.5 15.5 7 3.02
7 0 0 0.7 15.2 6.8 2.98
8 0 0 1.02 15.1 6.6 3.9
9 0 0 0.97 15.4 6.7 6
10 0 0 0.99 14.4 6.4 2.97 Cr:0.98
11 0 0 1.03 14.1 6.3 2.88 A1:1.53
12 0 0 1.1 15.3 5.3 2.95 C:1.22
13 0 0 1.01 13.1 6.2 2.99 V:2.4
14 0 0 1.02 12.6 6.3 2.98 Ge:2.6
15 0 0 1.02 13.5 6.5 2.98
16 0 0 0.99 11.5 6.6 3.01
17 0 0 0.98 15.2 8.4 2.96
18 2.0 1.0 1.0 15.3 6.5 2.96
19 2.2 3.0 1.0 15.3 6.5 2.96
Figure A200680026714D00231
实施例1-等级组成的影响
硼含量的影响
硼含量为8.4％的实施例V、W和X具有合适水平的脆性，断裂率小于5个断裂/千米。
然而，当具有这种高硼百分比时，在应力下进给的结晶变得困难，尤其比所有工业上可操作的试验都慢，比如C、D、E和F，这就需要降低进给速度到小于4厘米/秒，并且这会将可用的磁导率范围限制至磁导率大于300。因此，最大的硼含量必须限制到8％。
而且，实施例N表明，1.22％的碳部分替代硼对产品性能的损害非常小。
铌含量的影响
实施例J表明，如果采用的铌的百分比为大约3.9％，就能保持整体的磁性能，不过饱和感应B(200 Oe)会降低至12kG，而不是使用如实施例A至C的组成(其中只包括2.96％的铌)的12.5kG。
而且，必须使进给速度显著降低，以使得能够获得具有所需的极限曲率性能(≤3mm)和可用的磁导率范围的应力退火带。
如果铌的百分比增加至6％(实施例K)，温度调节范围则进一步增加(50℃)，并且可用的磁导率范围仍然是有吸引力的(μ最小＝200)。然而，饱和感应B(200 Oe)会大幅降低至11.2kG，这就不可能生产和需要的一样紧致的元件。
另外，从应力下纳米结晶的带材开始的以芯形式卷绕的极限直径大幅增加至3.8mm，这就证明带材变脆，这导致其非常难以工业化处理而没有频繁断裂的风险。
铜含量的影响
实施例H和I表明，为了分别达到1.5或0.7％，1％铜含量的稍稍偏离不会明显损害性能。
硅含量的影响
关于实施例A至C的包括15.3％硅的带，已发现(试验R至U):如果硅百分比降低至13.5％，则该金属仍然保持适合于工业生产(<5个断裂/千米)，且可用的磁导率范围仍然较大(μ最小＝100)，但是本发明的BS工艺的条件在磁性能如矫顽磁场Hc方面变得更为临界。
因此，对于615和640℃的退火温度，Hc保持小于或等于7A/m，但从650℃开始Hc会大大增加(实施例T)，这不排除工业生产，因为应力退火温度调节范围ΔT仍然很高(～30℃)。然而，如果硅的百分比进一步降低直至11.5(实施例U)，则当存在最佳脆化条件时矫顽磁场就会降低至8A/m，导致卷绕芯的过高的磁损失。
M’型元素含量的影响
有必要限制替代硅的这些准金属的可能含量至多为2％。这是因为，实施例L和M表明，当它们替代硅时，1％的铬或1.5％的铝的含量对最终产品的优势是没有害处的。
另一方面，实施例0表明2.4％的钒含量显著增加了带的脆性(>10个断裂/千米)，这导致可允许的进给速度降低，这归因于这种增加的脆性。同时，矫顽磁场Hc降低，可获得合适性能的工艺温度范围ΔT变得过小(<10℃)，使得带材不适合于工业生产。而且，可用的μr范围降至μr≥300。
M”型元素含量的影响
实施例P表明，当用2.6％的锗替代硅时，矫顽磁场Hc大大降低(≥8A/m)，并且可用的退火温度范围ΔT较小，而其它特性则保持完全有利。
钴含量的影响
实施例D和E表明，以1.7％和5％的水平适度添加钴以部分替代铁损害了“direct”工艺的可用磁导率μ的范围，因为μ最小分别从300变为350和从300变为500。
在根据本发明的BS工艺的情况下，容许的钴含量看起来为0.05(实施例F；μ最小＝300)，而当10％钴时，通过该工艺不可能得到小于500的磁导率(实施例G)。
关于实施例C、D’、E’、Y和Z的另外试验可以确定它们在500kHz的磁损失值(50mT，27℃)并且确定25至150℃的它们的磁导率值的温度稳定性以及它们的表观饱和磁致伸缩λs。
 
试验 ％Co ％Ni ％Co+％Ni μ(150℃)/μ(25℃) 磁损失(mW/cm3) μr范围 Hc(A/m) λs(ppm)
C 0 0 0 1.2 230 ≥50 3 0.5
D’ 1.7 0 1.7 1.4 480 ≥300 4 0.8
E’ 5.0 0 5.0 1.5 1225 ≥600 6 1.3
Y 2.0 1.0 3.0 1.45 610 ≥350 4.5 1
Z 2.2 3.0 5.2 1.6 780 ≥400 4.8 1.5
已经发现，对于根据BS工艺的试验，钴含量的增加还会有损于矫顽磁场Hc和磁损失的水平。这两点使得不可能获得对测量设备中的弱信号高度敏感或弱消散的合金。因此，钴被限定为至多约5.75at％(a≤0.07)。
而且，钴和镍的累计含量的增加会损害表观饱和磁致伸缩λs，这会使合金对外部应力(粘结、涂敷、浸渍、切割、处理)敏感。这种增加也会损害25至150℃的磁导率的温度稳定性。因此，镍被限制在至多约8.25at％(b≤0.1)。优选地，镍和钴的累计含量限制在至多8.25at％(a+b≤0.1)。
实施例2-膨胀度
为了研究施加的应力(在带上)对纳米结晶芯膨胀度的影响，制备了一系列非晶带，其组成与表1中的铸件1相符，并且该非晶带受到不断增加的拉应力。试验条件和所得的关于厚度降低(ΔEp/Ep)和膨胀度的结果列于表3中:
表3
 
应力(MPa) 厚度(μm) ΔEp/Ep 膨胀度(％)
0 17.9 87.1％
19.9 17.8 -0.6％ 86.7％
39.8 17.7 -1.2％ 87.7％
79.5 17.4 -2.8％ 87％
119 17.2 -4.1％ 86.2％
171 16.8 -6.4％ 84.6％
200 16.6 -8.4％ 85.3％
300 16.1 -11％ 85.7％
500 14.9 -16.8％ 84.5％
已经发现，根据本发明的方法使得能够在没有显著损害膨胀度的情况下降低纳米结晶带材的厚度，这决不是可以预见的。
从本发明纳米结晶带材可能的应用来看，可以示意而非限制性地提到：
◇具有强叠加连续元件的电流传感器，特别是用于能量测量计的某些模块中；
◇宽频带电流探针，具有或不具有屏蔽，例如用于功率电子有源元件的实时电流控制，比如GTO、IGBT等等；
◇用于任何类型的功率电子转换器结构的能量存储或滤波感应器，比如PFC、推挽、回扫、前进等等，这使得能够:
●由于获得低磁导率而降低元件的体积，在强叠加连续电流应力下具有降低的磁损失和高饱和磁化JS；
●提供对叠加连续电流依赖性不大的感应系数L，其在工业生产中有很高的可再现性(≤10％，优选≤5％)；
●防止由于磁致伸缩导致的任何噪声；
●防止与电磁兼容性相关的任何问题；
●防止磁路的任何局部温度升高；
◇HF变压器(大于几百kHz)，包括本发明的未切芯，例如在提供共振时使用。本发明的芯在此对于其高截止频率是有利的，其对于50至300的磁导率来说可以达到20至200MHz，具有低磁损失和高的可用工作感应(JS>1T)；
◇具有HF滤波的共态自感应带卷，包括本发明的未切芯，其优点是由于高JS和1至200MHz，优选大于10MHz的高截止频率而能够使元件小型化。

Claims (25)

1.生产纳米结晶材料带材的方法，该纳米结晶材料带材如下获得：以具有以下原子组成的非晶状态的铸造带为原料：
[Fe1-a-bCoaNib]100-x-y-z-α-β-γCuxSiyBzNbαM’βM”γ
M’是V、Cr、Al和Zn元素中的至少一种，
M”是C、Ge、P、Ga、Sb、In和Be元素中的至少一种，其中
a≤0.07和b≤0.1，
5≤x≤1.5和2≤α≤5，
10≤y≤16.9和5≤z≤8，
β≤2和γ≤2
并且使该非晶带进行结晶退火，其中通过进给经过至少两个S型单元并且在该带的基本上纵轴方向上在张力下使该带在开卷状态下退火，以使该带在2至1000MPa的轴向拉应力下在530℃至700℃的退火温度下保持5至120秒的持续时间，所述非晶带所经受的拉应力、所述退火时的其进给速度、退火时间以及退火温度的选择要使得该带材的截面剖面不是Ω形的，并且该带材的横截面的最大挠度小于该带材宽度的3％，优选小于该宽度的1％。
2.权利要求1的方法，其中带材进给速度大于或等于10厘米/秒/米炉工作区。
3.权利要求1或2的方法，其中轴向拉应力大于500MPa。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中进给的非晶带的断裂率小于10个断裂/千米带。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中，另外，y大于或等于12。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中：
a≤0.04和b≤0.07，
5≤x≤1.5和2≤α≤5，
13≤y≤16.6和5.8≤z≤8，
β≤2和γ≤2。
7.权利要求6的方法，其中：
a≤0.02和b≤0.05，
5≤x≤1.5和2.5≤α≤4，
14.5≤y≤16.5和5.8≤z≤7.5，
β≤1和γ≤1。
8.权利要求1-6中任一项的方法，其中：
a+b≤0.1。
9.权利要求1-8中任一项的方法，其中：
a＝0。
10.权利要求1-9中任一项的方法，其中
b＝0。
11.可通过实施权利要求1-10中任一项的方法获得的纳米结晶材料带材，该带材能够在这种带材的任何点上经受至多3mm曲率直径的弯曲而没有断裂也没有裂纹。
12.权利要求11的带材，其通过实施权利要求1-10中任一项的方法由非晶带而获得，所述带材的厚度相对于所述非晶带的厚度降低至少10％。
13.权利要求11或12的带材，其矫顽磁场小于或等于7A/m，优选小于或等于5A/m。
14.权利要求11至13中任一项的带材，其在200Oe下的感应大于或等于12kG。
15.纳米结晶材料的芯，其可如下获得：实施权利要求1-10中任一项的方法，在该方法结束后卷绕所述纳米结晶带材，并且其磁导率大于或等于50且小于200，其截止频率为30至200MHz。
16.纳米结晶材料的芯，其可如下获得：实施权利要求1-10中任一项的方法，在该方法结束后卷绕所述纳米结晶带材，并且其直径小于或等于10mm。
17.权利要求15或16的芯，相对于通过卷绕经过无应力结晶退火的相同组成的带材所获得的膨胀度，所述芯具有至多3％的膨胀度的降低，并且这是相对于起始非晶带的厚度为最高达10％的纳米结晶带材厚度的降低而言。
18.权利要求15-17中任一项的芯，其如下获得：实施权利要求1-10中任一项的方法，在该方法结束后在第一卷轴上第一次卷绕所述纳米结晶带材，然后开卷和在第二卷轴上的随后的卷绕，第二卷轴的直径小于第一卷轴的直径。
19.能够测量电流的电流传感器，包括可用在单级或两级能量计中的强连续元件，其包括至少一个由权利要求6-10中任一项的方法获得的纳米结晶材料的芯。
20.储存或滤波感应器，其不依赖于叠加的连续元件的水平，可用在能量计中，其包括至少一个由权利要求6-10中任一项的方法获得的纳米结晶材料的芯。
21.以非晶状态的铸造带(R)为原料通过退火所述非晶带(R)来生产磁芯的设备(1)，其特征在于其包括：
-非晶状态的带(R)的带卷的接受轴(2)，
-温度调节的直通式炉(3)，
-至少一个S型单元(4)，其位于带(R)进入到炉(3)的入口之前并连接到制动电动机(5)上，
-调节所述非晶带(R)和纳米结晶材料带材(N)的轴向拉应力的设备(6)，所述设备(6)包括力测量设备，所述力测量设备连接到位于带(R)进入到炉(3)的入口之前的所述S型单元(4)的制动电动机(5)的控制模块上，
-至少一个S型单元(7)，其位于带材(N)离开直通式炉(3)的出口之后并且连接到电动机上，
-至少一个卷轴(8)，用于以纳米结晶材料的芯的形式卷绕退火后获得的带材(N)，非晶带(R)从装配在所述接受轴(2)上的非晶带(R)的存储带卷到达纳米结晶材料带材(N)的带卷，相继经过了位于带(R)进入到炉(3)的入口之前的S型单元(4)，然后经过力测量设备(6)，然后经过炉(3)，然后经过位于带材(N)离开炉(3)的出口之后的S型单元(7)。
22.权利要求21的设备(1)，包括用于卷绕该带材的第一卷轴和用于卷绕该带材的第二卷轴，以便在第一卷轴上卷绕第一芯后可以切割带材(N)并将该带材(N)的头部的一部分装在第二卷轴上，以进行第二芯的卷绕而不会中断生产。
23.权利要求21的设备(1)，包括用于卷绕带材(N)的单个卷轴(8)和在炉(3)的出口的所述S型单元(7)的下游的带材存储设备(9)，从而使得能够更换卷绕带卷而不中断生产。
24.权利要求21-23中任一项的设备(1)，还包括至少一个压辊(10)，其将在退火的带材(N)在位于带材(N)离开直通式炉(3)的出口之后的S型单元(7)中经过时对退火的带材(N)进行压制。
25.权利要求21-24中任一项的设备(1)，还包括至少一个凸形辊，其将在非晶带(R)在位于所述带(R)进入到炉(3)的入口之前的S型单元(4)中经过时对非晶带(R)进行压制。
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