CN101805876A - 一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材 - Google Patents

一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其中，非晶合金带材的组成以质量百分比表示为：Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx，其中，0＜a≤10，0＜b≤10，0＜c≤10，0＜x≤4，余量为Fe；M为选自Al、C、P或N中的任意一种或多种。其中a+b+c+x为10.5～16，优选为10.5～13，更优选为13～16，最优选为13～15，x+c为0～10。非晶合金带材的组成以质量百分比表示优选为：Fe85Co7.5Si4B3P0.5或Fe87Co5.5Si4B3C0.5。非晶合金带材中Fe的质量百分比不低于80。本发明制造成本低廉，且具有高饱和磁感应强度。

Description

一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材
技术领域：
本发明涉及磁性功能材料，具体的涉及一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材及其制造方法。
背景技术：
电力变压器、互感器等领域中使用的电子器件，其小型化已成为一种发展趋势，而要使器件小型化得以实现，我们就必须开发出饱和磁感应强度高的软磁材料。硅钢片虽然具有高的饱和磁感应强度，但是其应用在中高频领域是损耗巨大的，并且由于其磁通密度过低，满足不了电子器件小型化的发展要求，正逐步被非晶材料所取代。虽然钴基非晶材料在磁性能方面表现的十分优越，加之有近乎于零的磁致伸缩系数，但是由于钴基非晶材料昂贵的价格，限制了其在民用方面的发展。目前，钴基非晶材料仅应用于军事、航天等要求严苛的领域。所以，非晶材料制造成本较高导致了非晶变压器的生产没有形成规模。同等规格下非晶变压器的售价为S9的1.5倍，用户大约要7-8年才能通过节省的能耗收回初期增加的投资，虽然国家出台有关非晶变压器生产和使用者税收优惠的政策，但使用者积极性仍然不高，只有在非晶变压器的售价为S9的1.3倍(非晶铁心价格降为30元/公斤左右)，用户大约要3-4年通过节省的能耗收回初期增加的投资，用户会有较强的积极性。因此，在保证非晶带材的性能不受影响的前提下，如何降低非晶带材制造成本是非晶材料是否能大量应用的关键。
而铁基非晶材料拥有价格“平民”这一优势，但是其综合磁性能不佳，现在市售的1K101饱和磁感应强度仅为1.56T，低于取向硅钢片的饱和磁感应强度(约为2T)。另外，铁基非晶材料的磁致伸缩现象严重，易产生噪音，这限制了非晶变压器及磁芯的应用。铁基非晶态合金变压器或磁芯的损耗为同等性能硅钢片的四分之一。损耗的降低意味着能源使用量的减少，反过来意味着二氧化碳排放量的降低，有利于环保。
鉴于上述技术问题，迫切需要出现一种制造成本低廉，且具有高饱和磁感应强度的非晶合金材料。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于磁头、变压器、扼流线圈应用的制造成本低廉，且具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材。本发明是通过在铁基非晶材料中加入少量的钴及其他参杂元素来提高其磁性能的。本发明所提供的带材的饱和磁感应强度至少为1.6T，可广泛应用于电力变压器、互感器等领域。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，所述非晶合金带材的组成以质量百分比表示为：Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx，其中，0＜a≤10，0＜b≤10，0＜c≤10，0＜x≤4，余量为Fe；所述M为选自Al、C、P或N中的任意一种或多种。
其中a+b+c+x为10.5～16，优选为10.5～13，更优选为13～16，最优选为13～15。
其中x+c为0～10。
所述非晶合金带材的组成以质量百分比表示优选为：Fe85Co7.5Si4B3P0.5或Fe87Co5.5Si4B3C0.5。
所述非晶合金带材中Fe的质量百分比不低于80。
其中a的质量百分比为1＜a≤9，优选为3≤a≤8。
其中b的质量百分比为2＜a≤9，优选为3≤b＜8。
其中c的质量百分比为0＜a≤9，优选为2≤b＜8。
为更好的实现本发明目的，本发明还提供了一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材的制造方法，其中，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分配比配置母合金，
步骤二、熔炼步骤一所得的母合金，
步骤三、重熔步骤二所得的合金、并制成薄带，
步骤四、对步骤三所得非晶薄带进行热处理，
步骤五、对步骤四获得产品进行性能检测。
操作所述步骤一时，按照权利要求1所述的非晶合金带材的目标成分所需的质量百分比计算出与之相应的原料，并使用物理天平进行称量，配制出Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx的母合金；
操作所述步骤二时，将步骤一所得的母合金投入中频真空感应炉中熔融，熔融过程中，调节抽真空度至2～6×10-3Pa，充入压力0.03～0.08Mpa氩气保护气体，调节电流控制熔融温度在1100～1600℃，熔炼时间6～10分钟后随炉冷却取出即得的Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx母合金合金锭；
操作所述步骤三时，将步骤二所得合金锭投入中频真空感应炉进行二次熔炼，当熔融合金达到1350℃时，充入氩气，将熔融合金喷至旋转的水冷铜辊上，制成薄带带材；操作做成中控制喷铸压力为1～1.2MPa；辊嘴间距0.3～0.5mm；冷却辊线速度32～36m/s；制得合金薄带带材厚度为25～35微米，宽度为8～15毫米；
操作所述步骤四时，将非晶合金带材卷绕成外径为2.5cm，内径为1cm的圆环，放入氩气保护的热处理炉中热处理，经370-430℃保温0.8-1.2小时，得到的非晶带材的Bs不小于1.6T；
操作所述步骤五时，将步骤四所得铁基非晶合金薄带进行各性能指标测试，得到合格产品。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：
1、配方Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx，其中M为选自Al、C、P或N中的任意一种或多种，M选择的替代元素都是廉价元素，大大降低了非晶合金材料的制造成本
2、本发明的高饱和磁感应强度Bs不低于1.6T。
具体实施方式：
本发明提供了一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其化学成分组成以质量百分比表示为：Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx(wt％)，其中，0＜a≤10，0＜b≤10，0＜c≤10，0＜x≤4，余量为Fe；其中M为选自Al、C、P或N中的任意一种或多种。其中a+b+c+x为10.5～16，优选为10.5～13，更优选为13～16，最优选为13～15。x+c为0～10，M为至少选自Al、C、P、N中的任意一种或几种，质量百分比为0＜x+c＜10。Al、C、P、N均为B的替代元素，具有优越的非晶形成能力，并且适量添加他们对于软磁性能有很大改善。但是添加量过大，在热处理阶段易形成FeM化合物，影响非晶态合金的性能，所以，本发明选定B、M的添加量为0～10之间。
此非晶合金带材的组成以质量百分比表示优选为：Fe85Co7.5Si4B3P0.5或Fe87Co5.5Si4B3C0.5。此非晶合金带材中Fe的质量百分比不低于80。Fe的含量过低会降低饱和磁感应强度，过高对于形成非晶态是一个难度，所以Fe的含量在80-95(wt％)为宜。本发明通式Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx中a的质量百分比为1＜a≤9，添加Co可显著提高非晶合金的热稳定性。但是少量添加作用不明显，添加量超过质量百分比8时，磁性能下降迅速。所以本发明提供的非晶薄带Co的含量优选质量比为3≤a≤8。b的质量百分比为2＜a≤9，优选为3≤b＜8，c的质量百分比为0＜a≤9，优选为2≤b＜8。Si和B均为非晶形成元素，少量添加Si和B作用不明显，但是添加量超过质量百分比10之后，非晶形成作用也不会继续增强。
选择铁基非晶作为基体的原因是其具有饱和磁感应强度高，且其具有节能的优势。Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx的非晶合金薄带，其具有优异的软磁性能，尤其是高饱和磁感应强度，经370-430℃保温一小时，Bs至少为1.6特斯拉。此非晶合金带材适用于电力变压器、互感器等技术领域，适用于电力变压器、互感器应用小型化的趋势。
实施例1：
将质量1KG的(B的质量分数为17％)FeB、钴、工业纯Fe、石墨、所选M按化学成分Fe100-a-b-c-xCoaSibBcMx配比好，且按B的烧损量为2％配比母合金，然后在中频真空感应炉中熔炼，将熔炼好的合金锭破碎成小块，放入甩带系统的感应线圈中重熔，采用单辊极冷方式制成薄带，厚度约为30微米，带宽10mm。将非晶薄带卷绕成外径为2.5cm，内径为1cm的圆环，放入氩气保护的热处理炉中热处理，处理工艺为370～400℃保温1小时。将热处理过后的非晶薄带进行磁性能测量及居里温度的测量。整个过程具体步骤如下：
步骤一，按化学成分配比配置母合金，
步骤二、熔炼步骤一所得的母合金，
步骤三、重熔步骤二所得的合金、并制成薄带，
步骤四、对步骤三所得非晶薄带进行热处理，
步骤五、对步骤四获得产品进行性能检测。
操作所述步骤一时，按照权利要求1所述的非晶合金带材的目标成分所需的质量百分比计算出与之相应的原料，并使用物理天平进行称量，配制出Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx的母合金；
操作所述步骤二时，将步骤一所得的母合金投入中频真空感应炉中熔融，熔融过程中，调节抽真空度至2～6×10-3Pa，充入压力0.03～0.08Mpa氩气保护气体，调节电流控制熔融温度在1100～1600℃，熔炼时间6～10分钟后随炉冷却取出即得的Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx母合金合金锭；
操作所述步骤三时，将步骤二所得合金锭投入中频真空感应炉进行二次熔炼，当熔融合金达到1350℃时，充入氩气，将熔融合金喷至旋转的水冷铜辊上，制成薄带带材；操作做成中控制喷铸压力为1～1.2MPa；辊嘴间距0.3～0.5mm；冷却辊线速度32～36m/s；制得合金薄带带材厚度为25～35微米，宽度为8～15毫米；
操作所述步骤四时，将非晶合金带材卷绕成外径为2.5cm，内径为1cm的圆环，放入氩气保护的热处理炉中热处理，经370-430℃保温0.8-1.2小时，得到的非晶带材的Bs不小于1.6T；
操作所述步骤五时，将步骤四所得铁基非晶合金薄带进行各性能指标测试，得到合格产品。
得到的非晶合金带材产品的成分及测量结果见表一。
  合金成分(质量百分比wt％)  饱和磁感应强度Bs(T)   居里温度Tc(℃)
  Fe84Co7Si3B3Al3(发明例)   1.70   420
  Fe85Co7Si3B3Al2(发明例)   1.76   421
  Fe86Co6Si4B4Al1(发明例)   1.77   420
  Fe87Co5.5Si4B3C0.5(发明例)   1.81   419
  Fe87Co5.7Si4B3C0.3(发明例)   1.81   419
  Fe86Co5Si4B4P1(发明例)   1.71   419
  Fe85Co7.5Si4B3P0.5(发明例)   1.84   423
  Fe85Co7Si4B3.5N0.5(发明例)   1.83   420
  Fe91Si6B3(比较例)   1.56   410
  Fe70Co23Si2B3C0.2V1.8(比较例)   1.10   445
  Fe84Co4Si8B2C2(比较例)   1.68   416
表一
本发明以饱和磁感应强度表征非晶合金材料的磁性能优劣，以居里温度来表征材料的温度稳定性。由表一可知，本发明所要求的权利范围内的合金磁性能较比较例优秀，且温度稳定性较比较例高很多。
实施例2：
将质量1KG的(B的质量分数为17％)FeB、钴、工业纯Fe、石墨、所选M按Fe100-a-b-c-xCoaSibBcMx化学成分配比好，且按B的烧损量为2％配比母合金，然后在中频真空感应炉中熔炼，将熔炼好的合金锭破碎成小块，放入甩带系统的感应线圈中重熔，采用单辊极冷方式制成薄带，厚度约为30微米，带宽10mm。将非晶薄带卷绕成外径为2.5cm，内径为1cm的圆环，放入氩气保护的热处理炉中热处理，处理工艺为380℃保温1小时。测量热处理后的非晶合金薄带的磁致伸缩系数及其磁性能。其合金成分及其测量结果见表二、表三。
  合金成分   区分   磁致伸缩系数λ(×10-6)
  FebalCo3Si4B3C0.5   发明例   21
  FebalCo4Si4B3C0.5   发明例   20
  FebalCo4.5Si4B3C0.5   发明例   20
  FebalCo5Si4B3C0.5   发明例   18
  FebalCo5.5Si4B3C0.5   发明例   18
  FebalCo6Si4B3C0.5   发明例   16
  FebalCo12Si4B3C0.5   比较例   15
  FebalSi8B2C2   比较例   27
表二
由表二可知，本发明例合金的磁致伸缩系数低于比较例的磁致伸缩系数。且磁致伸缩系数随着钴含量的添加而降低。
合金成分 区分  饱和磁感应强度Bs(T)   居里温度Tc(℃)
FebalCo3Si4B3C0.5 发明例   1.61   409
FebalCo4Si4B3C0.5 发明例   1.62   409
FebalCo4.5Si4B3C0.5 发明例   1.62   408
合金成分 区分  饱和磁感应强度Bs(T)   居里温度Tc(℃)
FebalCo5Si4B3C0.5 发明例   1.66   408
FebalCo5.5Si4B3C0.5 发明例   1.69   407
FebalCo6Si4B3C0.5 发明例   1.70   404
FebalCo12Si4B3C0.5 比较例1   1.84   398
FebalSi8B2C2 比较例2   1.56   410
表三
由表三可知，本发明例合金的饱和磁感应强度高于不含钴的比较例的饱和磁感应强度，且饱和磁感应强度随着钴含量的添加而增加。本发明例合金的居里温度低于不含钴的比较例的居里温度，且居里温度随着钴含量的添加而降低。但是根据比较例1，在钴的添加量达到12wt％时，其居里温度为398℃，远远高于其应用温度(最高约150℃)。
实施例3：
将质量1KG的(B的质量分数为17％)FeB、钴、工业纯Fe、石墨、所选M按Fe100-a-b-c-xCoaSibBcMx化学成分配比好，且按B的烧损量为2％配比母合金，然后在中频真空感应炉中熔炼，将熔炼好的合金锭破碎成小块，放入甩带系统的感应线圈中重熔，采用单辊极冷方式制成薄带，厚度约为30微米，带宽10mm。将非晶薄带卷绕成外径为2.5cm，内径为1cm的圆环，放入氩气保护的热处理炉中热处理，处理工艺为400℃保温1小时。测量热处理后的非晶合金薄带的磁性能，其合金成分及其测量结果见表四。
  合金成分   区分  Bs(T)   P2/20K(W/kg)
  FebalCo6Si4B3C0.5   发明例   1.72   5.61
  FebalCo6Si4B3C1   发明例   1.73   5.59
  FebalCo7Si4B3   比较例   1.68   7.23
  合金成分   区分  Bs(T)   P2/20K(W/kg)
  Fe84Co7Si3B3Al3   发明例   1.71   5.21
  Fe85Co7Si3B3Al2   发明例   1.76   5.40
  Fe86Co6Si4B4Al1   发明例   1.79   5.58
  Fe86Co5Si4B4P1   发明例   1.72   5.54
  Fe85Co7.5Si4B3P0.5   发明例   1.86   5.56
  Fe85Co7Si4B3.5N0.5   发明例   1.85   5.52
表四
由表四可知，本发明例合金的饱和磁感应强度高于未添加参杂元素的比较例。铁损的值低于未添加参杂元素的比较例。
综上所述，本可以看出在本发明配方Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx中，其中M为选自Al、C、P或N中的任意一种或多种，M选择的替代元素都是廉价元素，大大降低了非晶合金材料的制造成本，而且本发明的高饱和磁感应强度Bs不低于1.6T。所以，本发明非晶合金带材可以作为电力变压器内铁芯材料的替代品，适宜大规模生产。

Claims (10)

1.一种具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，所述非晶合金带材的组成以质量百分比表示为：Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx，其中，0＜a≤10，0＜b≤10，0＜c≤10，0＜x≤4，余量为Fe；所述M为选自Al、C、P或N中的任意一种或多种。
2.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，其中a+b+c+x为10.5～16，优选为10.5～13，更优选为13～16，最优选为13～15。
3.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，其中x+c为0～10。
4.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，所述非晶合金带材的组成以质量百分比表示优选为：Fe85Co7.5Si4B3P0.5或Fe87Co5.5Si4B3C0.5。
5.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，所述非晶合金带材中Fe的质量百分比不低于80。
6.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，其中a的质量百分比为1＜a≤9，优选为3≤a≤8。
7.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，其中b的质量百分比为2＜a≤9，优选为3≤b＜8。
8.根据权利要求1所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材，其特征在于，其中c的质量百分比为0＜a≤9，优选为2≤b＜8。
9.一种如权利要求1-8任一所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，按化学成分配比配置母合金，
步骤二、熔炼步骤一所得的母合金，
步骤三、重熔步骤二所得的合金、并制成薄带，
步骤四、对步骤三所得非晶薄带进行热处理，
步骤五、对步骤四获得产品进行性能检测。
10.根据权利要求9所述具有高饱和磁感应强度的非晶合金带材的制造方法，其特征在于，
操作所述步骤一时，按照权利要求1所述的非晶合金带材的目标成分所需的质量百分比计算出与之相应的原料，并使用物理天平进行称量，配制出Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx的母合金；
操作所述步骤二时，将步骤一所得的母合金投入中频真空感应炉中熔融，熔融过程中，调节抽真空度至2～6×10-3Pa，充入压力0.03～0.08Mpa氩气保护气体，调节电流控制熔融温度在1100～1600℃，熔炼时间6～10分钟后随炉冷却取出即得的Fe(100-a-b-c-x)CoaSibBcMx母合金合金锭；
操作所述步骤三时，将步骤二所得合金锭投入中频真空感应炉进行二次熔炼，当熔融合金达到1350℃时，充入氩气，将熔融合金喷至旋转的水冷铜辊上，制成薄带带材；操作做成中控制喷铸压力为1～1.2MPa；辊嘴间距0.3～0.5mm；冷却辊线速度32～36m/s；制得合金薄带带材厚度为25～35微米，宽度为8～15毫米；
操作所述步骤四时，将非晶合金带材卷绕成外径为2.5cm，内径为1cm的圆环，放入氩气保护的热处理炉中热处理，经370-430℃保温0.8-1.2小时，得到的非晶带材的Bs不小于1.6T；
操作所述步骤五时，将步骤四所得铁基非晶合金薄带进行各性能指标测试，得到合格产品。
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