CN1036473C - 具有增强的交流磁性和可控性的非晶形铁硼硅合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属合金，由铁、硼和硅组成且具有图1的A，B，C，D，E，F，A区的成分，该合金结晶温度约为490℃，25℃下饱和磁化值约为174emu/g，在两种条件下退火后在25℃、60Hz和1.4T下测定，铁损均不大于0.3W/Kg，激磁功率要求均不大于1VA/Kg，对在两种条件下退火后的合金在25℃下测定，断裂应变均为0.03。这些合金在生产用于制造配电变压器和电源变压器的磁铁芯中提高了实用性和可控制性。

Description

具有增强的交流磁性和可控性的非晶形铁硼硅合金

本发明涉及由铁、硼和硅组成的非晶形金属合金。与现有技术中的一些合金相比，这些合金具有高的饱和磁感应、高的结晶温度以及低铁损、低激励功率和在退火状态下良好塑性的综合性能，结果在制造配电变压器和电源变压器中所用的磁铁芯生产中提高了该合金的实用性和可控制性。

非晶形金属合金基本上缺少任何长程原子序，其特征在于X射线衍射图由漫射(宽的)强度最大值组成，定量上相似于对液体或无机氧化物玻璃所观察到的衍射图。然而，当加热到足够高的温度时，这些合金开始结晶，并放出结晶热；此时，X射线衍射图相应地开始由非晶形类型的图变成结晶材料类型的图。因此，非晶形金属合金呈介稳状态。合金的这种介稳状态比合金的结晶形态具有明显的优点，特别是在合金的机械性能和磁性能方面。

在过去20年中，对于了解经济地和大量地生产非晶形合金以及它们的性能已是一个重要的研究课题。已转让给Allied-SignalInc的H.S.Chen和D.E.Polk的美国专利第Re32,925号是针对下述问题的一个有名专利，即什么合金可较容易地以非晶形生产。其中揭示的是一类以一般式M_aX_bZ_c表示的非晶形金属合金，其中M为一种金属，主要由选自铁、镍、钴、铬及钒的组中的一种金属组成，Y为选自磷、硼及碳的组中的至少一种元素，Z为选自由铝、锑、铍、锗、铟、锡及硅组成的组中的至少一种元素，“a”的范围大约为60-90％(原子)，“b”的范围大约为10-30％(原子)，“c”的范围大约为0.1-15％(原子)。目前，绝大多数市售非晶形金属合金均在上述的一般式的范围内。

随着非晶形金属合金领域的不断研究和发展，业已明白，某些合金和合金系具有磁性能和物理性能，这些性能在世界上某些重要应用中，特别是在电气上用作配电和电源变压器、发电机和电动机的铁芯材料上可增强合金的实用性。

非晶形金属合金领域中的早期研究和发展把二元合金Fe₈₀B₂₀作为制作变压器(特别是配电变压器)和发电机所用磁铁芯中所使用的选择合金，因为该合金具有高的饱和磁化值(大约178emu/g)。然而，众所周知，Fe₈₀B₂₀难以浇注成非晶形态。而且，该种合金由于结晶温度低而热不稳定，并且难以得到延性的带状物。另外，业已明确，其铁损和激励功率要求仅仅处在可接受范围的边缘。这样，必须研制具有优良可铸性和稳定性以及优良磁性的合金，以便使非晶形金属合金在制作磁铁芯，尤其是配电变压器的磁铁芯中得到实际应用。

在这些方面应用中，Luborsky等人在美国专利第4,217,135号和第4,300,950号中认为Fe-B-Si三元合金优于Fe₈₀B₂₀。这些专利揭示了一类以一般式Fe_80-84B_12-19Si_1-8表示的合金，但附带条件是合金必须具有在30℃至少大约174emu/g的饱和磁化值(目前认为该值是最佳值)、矫顽力小于大约0.03奥斯特以及至少大约320℃结晶温度。

Luborsky等人之后，已转让给Allied-Signal Inc的Freilich等人的专利申请第220,602号中揭示了一类以一般式Fe_≈75～78.5B_≈11≈21Si_≈4≈10.5表示的Fe-B-Si合金，它们在接近于配电变压器中磁铁芯的通常工作条件(即60Hz，100℃下1.4T)下，具有高的结晶温度以及低的铁损和低的激励功率要求，而保持可接受的高饱和磁化值。

美国专利申请第235,064号揭示了一类以一般式Fe_77-80B_12-16Si_5-10表示的Fe-B-Si合金，并且揭示了这些合金具有低铁损和在时效后室温下低矫顽磁性以及高饱和磁化值。

近来，美国专利第4,437,907号揭示了一类以一般式Fe_74-80B_6-13Si_8-19表示的Fe-B-Si合金，它还可以含有高达3.5％(原子)的碳，在时效之后，合金在很大程度上仍保留着原来的磁通密度(在1奥斯特和室温下测定)。

此外，在1986年7月14日申请的转让给Allied-Signal Inc的Nathasingh等人的美国专利申请第883,870号揭示了一类用于制作配电变压器的磁铁芯的合金，它以一般式Fe_79.4-79.8B_12-14Si_6-8表示，且具有时效前后意想不到低的铁损和激励功率要求以及可接受的高饱和磁化值。

从上述讨论容易明显地看到，研究者都致力于研究对确定最适合于制作配电变压器和电源变压器中磁铁芯的合金起关键作用的各种不同的性能，但是没有人认识到综合性能对在磁铁芯的生产和使用的所有方面取得明显的良好效果是必需的。因此，虽然发现了种种不同的合金，但其中的每种合金只是针对总综合性能的一部分。更具体地说，上述的揭示中明显缺少的是应当认识到需这样一类合金，这类合金具有高的结晶温度和高的饱和磁化值，以及在宽的退火温度和时间范围内退火以后具有低的铁损和低的激励功率要求，此外，在退火条件范围内保持其延性。呈现这种综合特征的合金在变压器制造工业中应当完全可以接受，因为它们具有对于提高变压器的工作所必需的磁特性，并且更容易适应在不同变压器铁芯制造厂使用的设备，方法和处理技术的变换。

本发明涉及新型金属合金，它们主要由铁、硼和硅组成，具有在图1中所示的A，B，C，D，E，F，A区域内的一种组成。所说的合金具有至少约490℃的结晶温度，在25℃下至少大约174emu/g的饱和磁化值，铁损不大于约0.3W/Kg，激励功率值不大于大约1VA/Kg(在360℃下退火大约两千秒钟之后，在25℃、60Hz和1.4T下测定)，铁损不大于大约0.3W/Kg，激励功率值不大于大约1VA/Kg(在大约380℃下退火大约一千秒钟到大约两千秒钟之后，在25℃、60Hz和1.4 T测定)以及至少大约0.03的断裂应变(在大约360℃下退火大约1.5小时或者在大约380℃下退火大约1.5小时之后，在20℃下对合金的测定)。

更具体地说，本发明涉及主要由铁、硼和硅组成的非晶形金属合金，其中硼含量为大约10.5到大约11.5％(原子)，硅含量为大约8.5到大约9.5％(原子)，铁含量为至少80％(原子)，并且具有上述的性能。

本发明还涉及采用这些非晶形合金的改进的磁铁芯。这种改进的磁铁芯包括上述非晶形金属合金的主体(例如，线绕的、切绕的或层叠的)，所说的主体经过在磁场中退火。

图1为表明本发明的基本合金、择优合金以及最佳合金的三元图。

图2为说明在硼含量一定范围内提高铁含量和在铁含量不变的合金中提高硼含量对结晶温度的影响的图。

图3为说明在硼含量一定范围内提高铁含量和在铁含量不变的合金中提高硼含量对居里温度的影响的图。

图4为说明在本发明范围内外的种种合金的饱和磁化值，更具体地说，为说明提高铁含量对饱和磁化值的影响的图。

图5为说明在60Hz、1.4T和25℃下，种种合金经退火时间均为1000秒，在两种不同温度下退火后的铁损测定结果的图。

图6为说明在60Hz、1.4T和25℃下，种种合金经退火时间均为2000秒，在两种不同温度下退火后的铁损测定结果的图。

图7为说明在60Hz、1.4T和25℃下，种种合金经退火时间均为2000秒，在两种不同温度下退火后的激励功率值的图。

图8为说明在60Hz、1.4T和25℃下，种种合金经退火时间均为2000秒，在两种不同温度下退火后的激励功率值的图。

图9所示为在比较基础上，当退火温度从360℃(1.5小时)变成380℃(1.5小时)时，种种合金的延性的变化。

本发明涉及主要由铁、硼和硅组成的，且具有由图1三相图所示A、B、C、D、E、F、A区域中组成的金属合金。更具体地说，参照图1，本发明的合金由具有以下组成Fe_80.15B_9.8Si_10.05、Fe_79.8B_9.8Si_10.4、Fe_79.8B_11.5Si_8.7、Fe₈₀B_11.5Si_8.5、Fe_80.5B₁₁Si_8.5及Fe_80.5B_10.5Si₉的合金〔以％(原子)表示〕构成其角的多边形所包围。然而，应当认为，确定多边形边界的组成，对任何组分可以有高达±0.1％(原子)的波动。本发明的择优的合金具有图1中4，C，D，E，F，4区域内的组成。再又，确定择优合金的区域边界的合金的任何组分可有±0.1％(原子)波动。本发明的最佳合金具有图1中1，C，2，F，3，1区域的组成。确定最佳合金边界的合金，仅硼或硅含量中任何一个以不大于±0.1％(原子)波动。最后，本发明的最佳合金基本上由Fe大约80％(原子)、B大约11％(原子)和Si大约9％(原子)组成。当然，应当认为，本发明的合金的纯度是取决于生产合金所使用的材料的纯度。因此，本发明的合金可以含有多达0.5％(原子)的杂质，但杂质最好不大于0.3％(原子)。

众所周知，铸成介稳态的合金的磁性能一般随提高非晶形相的体积百分比得以改善。因此，本发明的合金应这样浇铸，以使非晶形相为至少大约90％(体积)，择优的为至少大约97％(体积)，最佳的基本上为100％(体积)。合金中非晶形相的体积百分比由X射线衍射方便地确定。

本发明的金属合金一般通过使熔体以至少大约10⁵到10⁶℃/秒的速度冷却来生产。制造本发明范围的非晶形金属合金，可采用各种技术，例如喷溅沉积在激冷底板上、喷射浇铸、平面流动浇铸等。一般，选择具体的组成，然后以要求的比例熔化所需元素的粉末或颗粒(或者可分解形成元素的材料例如，硼铁、硅铁等的粉末或颗粒)并且均匀化，之后把熔化的合金供给到可使合金以至少大约10⁵-10⁶℃/秒速度冷却的激冷表面上。

由本发明合金构成的连续金属带的最佳制造方法是称为平面流动浇铸的方法，该方法已在本文中参考结合的，转让给Allied-Sig-nal Inc的Narasimhan的美国专利第4,142,571号中叙述。平面流动浇铸方法包括以下步骤：(a)使激冷体的表面沿纵向以每分钟大约100到大约2000米的预定速度移动，经过由一对通常平行的前唇所限定的喷口，这一对前唇构成一位于靠近激冷体表面的槽孔，应使前唇与激冷体表面之间的间隙为大约0.03到大约1毫米，喷口一般与激冷体的运动方向垂直，(b)通过喷口迫使熔化合金流与运动激冷体的表面接触，使合金在其上凝固，形成一连续带。喷嘴槽口的宽度优先采用为大约0.3-1毫米，第一个前唇的宽度至少等于槽的宽度，第二个前唇的宽度为大约1.5-3倍槽的宽度。按照Narasimhan方法生产的金属带的宽度可以为7毫米或7毫米以下直到150-200毫米或150-200毫米以上。由本发明合金构成的非晶形金属带的厚度一般为大约0.025毫米，但是美国专利第4,142,571号中所述的平面流动浇铸法是能够生产厚度从小于0.025毫米到大约0.14毫米或大于0.14毫米的非晶形金属带的，厚度取决于所用合金的组成、熔点、凝固特性和结晶特性。

本发明的合金的独特性在于它提供了良好的制造磁铁芯可控性和宽范围退火条件下的良好磁性的意想不到的综合性能。

在制造用于配电变压器和电源变压器，由非晶形金属合金(金属玻璃)带构成磁铁芯的过程中，金属玻璃带在缠绕成铁芯之前或者之后，均要经过退火。通常，在金属玻璃显示其良好的软磁性之前，必需在施加磁场的条件下进行退火(或者同义地称热处理)，因为铸态金属玻璃呈现高度的淬冷应力，它会引起很大的由应力造成的磁各向异性。这种各向异性掩盖了产品的真正软磁性能，而且要通过使产品在经合适选择的能消除产生的淬冷应力的温度下退火来消除。很显然，退火温度必须低于结晶温度。由于退火是一种动态过程，故而退火温度越高，退火产品所需的时间越短。根据这些和以下将说明的其他理由，最佳的退火温度范围是很窄的，大约低于金属玻璃的结晶温度120K到100K，最佳退火时间为大约1.5-2.0小时。

金属玻璃没有磁晶各向异性，这一事实可认为是其非晶形性质所造成的。然而，在生产磁铁芯中，尤其是用于配电变化器的磁铁芯，最好是使合金沿与带的长度成一直线的择优轴的磁各向异性达到最大。实事上，目前认为，把磁场施加于退火步骤中的金属玻璃以产生磁化择优轴是变压器铁芯制造厂的优先采用的方法。

在退火时通常施加的磁场强度是足以使材料饱和，以便使产生的各向异性达到最大。考虑到饱和磁化值在达到居里点温度之前随温度的提高而降低，超过居里点温度不可能进一步改变磁各向异性，故而退火优先在接近金属玻璃的居里点的温度下进行，以便使外部磁场的作用达到最大。当然，退火温度越低，消除铸态各向异性和产生各向异性择优轴所需的时间越长(并且所需施加的磁场强度越高)。

由上述的讨论可以明显地看到，退火温度和时间的选择在很大程度上取决于材料的结晶温度和居里点温度。除了这些因素之外，在选择退火温度和时间上的一个重要考虑是退火对产品延性的影响。在制造配电和电源变压器的磁铁芯中，金属玻璃必须是足够延性的，使其在退火之后，以便绕成铁芯形状和便于制作，尤其是在接着的变压器制造步骤中，例如将退火金属玻璃带穿过变压器线圈步骤中。(对于变压器铁芯和线圈组合件的制造方法的详细讨论，参见例如美国专利第4,734,975号)。

富铁金属玻璃的退火会导致合金的延性降低。虽然在结晶之前延性降低的机理尚不清楚，但一般认为它与铸态金属玻璃中淬致的“自由体积“的散逸有关。玻璃态原子结构中的“自由体积”与晶体原子结构中的空位相似。当金属玻璃退火时，由于非晶形结构趋于松弛变成由非晶态中一种较有效的原子“填充”所表示的低能量状态，这种“自由体积”被散逸去掉。在没有希望由任何理论确定的情况下，可认为，由于非晶态铁基合金的填充较接近地类似面心立方结构(密排晶体结构)的填充，而不是铁的体心立方结构，所以铁基金属玻璃松弛的程度越大，则其越脆(即更少能够耐外部应变)。故而，当退火温度和/或时间增大时，金属玻璃的延性则降低。因此，除了合金组成的基本问题之外，人们必须考虑退火温度和时间的影响，以进一步使产品保持在生产变压器铁芯中所用的足够的延性。

断裂应变是确定金属玻璃相对延性的测定参数。其测定相当简单，使两个压板一般用一个测微器的压板之间的金属玻璃试样弯曲，直至试样断裂。记录断裂时两板之间的间距(d)，测定带的厚度(t)，再计算断裂应变〔ε_f＝t/(d-t)〕。目前，变压器铁芯制造厂使用一种金属玻璃，其退火后断裂应变大约0.03或小于0.03，相当于这样的延性，即带子可仅弯曲到不小于其厚度大约17倍的圆半径而不断裂。

当给退火金属玻璃的磁铁芯以能量(即施加磁场磁化)时，铁芯消耗一定数量的输入能量，并最后以热形式损失掉。这种能耗主要由使金属玻璃中的所有磁畴沿磁场方向取向所需的能量引起的。这种能量损耗称之为铁损，数量上以由在材料完成一个周期磁化过程中所产生的B-H环限定的面积表示。铁损通常以W/Kg单位记录，实际上，它表示在频率、铁芯感应水平和温度的记录条件下，每公斤材料一秒钟内的能耗。

金属玻璃的退火历史会影响铁损。简单地说，铁损取决于是否玻璃退火不足，最佳地退火或者退火过度。退火不足的玻璃具有残余的淬冷应力和有关的磁各向异性，这要求在产品的磁化中增添能量并导致在磁循环中增加铁损。退火过度的合金被认为呈现最大“填充”和/或可含有晶体相，其结果是失去延性和/或降低磁性，例如增加铁损是由于增大对磁畴运动的阻力而引起的。最佳退火的合金在延性和磁性之间具有良好的平衡。变压器制造厂目前使用的非晶形合金，其铁损值小于0.37W/Kg(25℃下60Hz和1.4T)以及断裂应变大约为0.03或小于0.03。

激励功率是产生强度足以在金属玻璃中达到一定磁化水平的磁场所需的电能。铸态富铁非晶形金属合金呈现一个略呈剪切形的B-H环。在退火过程中，铸态各向异性和浇铸应力被消除，其B-H环相对于铸态的B-H环，形状会变得更方和更狭，直至最佳退火。在过度退火时，B-H环会加宽，这是由于对于应变的容忍性降低，视过度退火程度的情况、还由于晶体相的存在。这样，作为某一合金从退火不足到最佳退火直到过度退火的进展的退火过程，在一定磁化水平下的H值开始是降低的，然后达到最佳(最低)值，之后又升高。所以，对于最佳退火合金来说，能使达到一定磁化(激励功率)所需的电能减到最小值。目前，变压器铁芯制造厂使用的非晶形合金在60Hz和1.4T(25℃)下的激励功率大约为1VA/Kg或小于1VA/Kg。

很显然，对于不同组成的非晶形合金和对于所要求的每一性能，最佳退火条件是不同的。因此，“最佳”退火一般被认为是这样的退火方法，它在一定应用所需的特性的结合之间获得最好的平衡。在变压器铁芯制造的情况下，制造厂确定对所使用合金来说是“最佳”的具体退火温度和时间，而不使温度和时间背离最佳值。

然而，在实际中，退火炉和炉子控制设备并不能精确到足以完全地保持所选择的最佳退火条件。此外，因为铁芯的尺寸(一般为200Kg)和炉子的形状，铁芯不可能均匀地加热，这样会引起铁芯的一些部分过度退火和退火不足。故而，不仅提供一种在最佳条件下具有最好综合性能的合金极为重要，而且提供一种在退火条件内具有“最好结合”的合金也是极其重要的。可生产一种有用产品生产的退火条件范围称之“退火窗口”(“annealing window”)。

如上所述，目前在变压器制造中所用的金属玻璃的最佳退火温度为低于合金的结晶温度20-110K的温度(目前使用的合金为643-653K)，最佳退火时间为1.5-2.0小时。

本发明的合金对于相同的最佳退火时间可提供约40K的退火窗口。这样，本发明的合金可经受偏离最佳退火温度大约±20K的退火温度的波动，并且仍保持能有经济效益地生产变压器铁芯所必需的综合性能。此外，本发明的合金表明，在退火窗口的范围内在每种综合性能下均意想不到地增强了稳定性，而这是使变压器制造厂能较可靠地生产性能均匀的铁芯所必需的。

下文表1所示为22种合金，其成分范围：铁大约79-82，硼8-12.5，硅6-12。

                   表    1合金编号   标称成分〔％(原子)〕    实测成分〔％(原子)〕

         Fe      B     Si       Fe      B       Si

1        82      8     10       81.9    8.2     9.9

2        82      9     9        81.9    9.1     9.0

3        82      10    8        81.8    10.2    7.9

4        82      11    7        81.7    11.2    7.1

5        81.5    9.5   9        81.3    9.7     9.0

6        81      8     11       -       -       -

7     81      9      10      81.0    9.1     9.9

8     81      10     9       80.8    10.2    9.0

9     81      11     8       80.8    11.2    7.9

10    81      12.5   6.5     81.3    12.6    6.1

11    80.5    9.5    10      80.4    9.7     9.9

12    80      8      12      79.9    8.2     11.9

13    80      9      11      79.8    9.1     11.1

14    80      9.5    10.5    80.0    9.6     10.4

15    80      10     10      80.0    10.2    9.8

16    80      11     9       79.8    11.2    9.0

17    80      11.5   8.5     80.1    11.5    8.4

18    79.5    10     10.5    79.5    10.1    10.4

19    79.5    11     9.5     79.3    11.3    9.4

20    79.5    12.2   8.3     79.5    12.3    8.2

21    79      10     11      78.8    10.3    10.9

22    79      11     10      78.9    11.2    9.9

表1所示的合金成分是经确实浇铸的、退火的试样，并且是具有特征意义的试样。图2-9所示为由这些合金获得的试验结果。表1中右一半所列的合金成分代表实际试验的每种合金中Fe、B和Si的实测原子百分比为了较容易地标明所试验的合金，图2-9中采用表1中左一半所列的合金成分。

表1中所列的每种合金均按以下工艺浇铸：合金均在中空且其一端开口的旋转圆筒上浇铸。圆筒外径为25.4cm，浇铸表面厚度为0.635cm(0.25英寸)，宽度为5.08cm(2英寸)。圆筒由Brush-Wellman生产的Cu-Be合金(称之Brush-Wellman合金10)制造。以合适的比例，用高纯度原材料(B＝99.9％，Fe和Si纯度至少为99.99％)，将试验合金的组成元素混合，在直径为2.54cm石英坩埚中熔化，获得均匀的预合金化的铸锭。把这些铸锭装入第二只石英坩埚(直径为2.54cm)中，坩埚底磨成平状，包括一条尺寸为0.635cm×0.051cm(0.25英寸×0.02英寸)的矩形槽，放置在距圆筒的浇铸表面大约0.02cm(0.008英寸)处。圆筒以大约每分钟9,000英尺(45.72m/s)圆周速度旋转。第二坩埚和圆筒都密封在抽真空到大约1.33Pa(10μmHg)的小室中。坩埚顶部加盖，坩埚中保持低真空〔大约1.33Pa(10μmHg)的压力〕。对每个铸锭采用以大约70％峰值功率工作的电源(Pillar Corporation 10kw)感应熔化。当铸锭完全熔化时，破坏坩埚中真空，使熔体与圆筒表面接触，从而随后就按美国专利第4,142,571号所述的平面流动浇铸的原理淬冷成宽大约6mm带材。

参照图2-9，报导了表1中所列的每种合金的有关特性。此外，还包括下述合金所预期的性能，这些合金的成分为Fe_80.5B_10.5Si₉，Fe_80.5B_10.75Si_8.75，Fe_80.5B₁₁Si_8.5，Fe_79.8B_9.8Si_10.4，Fe_79.8B₁₁Si_9.2，Fe_79.8B_11.5Si_8.7，Fe_80.3B_10.5Si_9.2和Fe_80.15B_9.8Si_10.05。本发明范围内的合金用实心黑方块或实心菱形和实心或空心圆表示，合金用与图1中所用的相同的数字代表。本发明范围以外的合金作空心方块或实心菱形表示。

图2中所示为各种合金的第一结晶温度，合金的铁含量为大约79-大约82％(原子)(标称)、硼含量为大约8-大约12％(原子)，其余基本上为硅。

由所列的结果可明显地看到，结晶温度随铁增加而降低。另外，对于一定的铁含量，结晶温度一般在硼含量为10-12达到峰值，结晶温度最高值对于一定铁量(79-82)一般在硼含量为11时出现。如上所述，生产变压器铁芯中所用的合金的结晶温度应当至少大约为490℃(763K)。至少大约490℃的结晶温度对确保在退火过程中或在变压器使用中(特别是在电流超载的情况下)，使引起合金结晶的危险降至最小是必需的。这些合金的结晶温度由差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry)测定。采用的扫描速度为20K/min，把结晶反应开始的温度定义为结晶温度。

图3是图2中的所列所有合金的居里温度(加热时)的图。如上所述，合金的居里温度应当接近于和最好略高于退火时所用的温度。退火温度越接近居里温度，则其越容易使磁畴沿择优轴方向取向，这就会使以这一方向测定时合金呈现的损耗减到最小。从图3中所列的数据来看，本发明合金的居里温度至少大约为360℃，一般至少为大约370℃或大于370℃。

居里温度采用电感技术测定。将玻璃纤维包皮的铜线，在所有方面(长度，圈数，节距)均相同，分别绕在两个两端开口的石英管上成为多圈的螺旋绕组。由此制作的两组绕组具有相同的电感。将二只石英管置于管式炉中，把交流激磁信号(固定的频率范围为大约2KHz-10KHz)施加到制成的电感器中，监控来自电感器的平衡(或差异)信号。将待测定的合金带试样插入到其中一个管中，它对电感器来说起到“芯”材料的作用。铁磁性磁芯材料的高导磁率引起电感值的不平衡，故而引起了一个大的信号。附在合金带上的热电偶用作温度测量。当在管式炉中使二只电感器加热时，铁磁性金属玻璃经过其居里温度而变成顺磁体(导磁率低)之际，不平衡信号基本上下降至零。然后，二只电感器输出几乎相同的信号。这个转变一般是宽的，这反映了铸态玻璃合金中的应力松弛。把转变区的中点定义为居里温度。

以相同的方式，当管式炉冷却时，可测定顺磁到铁磁的转变。从至少部分松弛的玻璃态合金来看，这种转变一般是较明显的。对于一定试样来说，顺磁-铁磁的转变温度高于铁磁-顺磁的转变温度。通常引用的居里温度值代表铁磁-顺磁的转变。

图4为饱和磁化值随合金成分变化的图。如上所述，择优用于变压器铁芯的合金的饱和磁化值至少为大约174emu/g。从图4的数据来看，一般，提高铁含量连同提高硼含量可提高饱和磁化值。更具体地说，铁含量小于大约79.8％(原子)和硼含量小于大约9.8％(原子)的合金不会具有择优用于生产变压器铁芯的饱和磁化值。

所列的饱和磁化值均由铸态带材获得。本技术领域中十分清楚，退火金属玻璃合金的饱和磁化一般高于相同的铸态合金的饱和磁化，根据如上所述的相同理由，退火状态下的玻璃是松弛了的。

使用一种市售振动试样磁力仪测定这些合金的饱和磁矩(或这里称之饱和磁化)，把某一合金的铸态带材切成一些小方块(大约2mm×2mm)，随意地使其按垂直于它们的平面的方向排列，它们的平面平行于最大大约为755KA/m的施加磁场。采用测定的物质密度，可以计算出饱和磁感应Bs。许多这些合金的密度采用基于阿基米德原理的标准方法测定。

图5是在360℃经1,000秒钟(或在380℃，1,000秒钟)退火的合金带的在60Hz和1.4T(在室温下，25℃)下的铁损与合金成分的关系图。在大约0.30W/Kg画出的水平线表示本发明合金的最大铁损值。铁损最好应当是这样，以致于在上述二组中任何一组条件下退火之后铁损保持在0.25W/Kg或其以下。每种合金360℃和380℃之间铁损分布的值表示该合金的潜在的退火窗口。在图上的某些数据点(例如，合金Fe₈₁B₈，Fe₈₁B₁₀，Fe₈₂B₉和Fe₈₂B₈)表示在某些退火条件下铁损为零值。铁损为零值表示在所列条件下退火之后在60Hz和1.4T下合金不产生铁损值。本发明的最佳合金的铁损值小于或者等于大约0.25W/Kg。

图6是在360℃经2,000秒钟(或在380℃，2,000秒钟)退火的合金带的在60Hz和1.4T(25℃)下的铁损与合金成分的关系图。如图6所示，在上述二组中任何一组条件下退火后，本发明合金的铁损值小于或者等于大约0.3W/Kg。这些结果连同图5的结果说明了与本发明合金所得的铁损值有关的一个重要的退火窗口。如图5中所示，铁损值是零值表示在所列条件下退火之后在60Hz和1.4T下合金带不产生铁损。

图7和图8是激励功率与合金成分的关系图，退火条件与测定分别列于图5和6的合金铁损值时采用的退火条件相同。从图7和8所列的数据来看，很显然，本发明合金在所有四组退火条件下均呈现低的激励功率值，而且与本发明范围之外的合金相比，还说明激励功率值比较稳定。

铁损和激磁功率数据的测定如下：

先把铸态带材缠绕在绕线用的陶瓷管上，带芯的平均通道长度大约为126mm，这样制备了退火及随后作磁性测定的环形试样。为了测定铁损，把绝缘的一次和二次绕组(每个绕组为100圈100)施加于环形管上。由此制备的环形试样含有2-5g带材。在有沿带材长度(环形管的圆周)施加的大约为795A/m施加磁场的条件下，在613-653K，1-5.4千秒内对这些环形试样进行退火。试样在退火之后冷却时要保持所加的磁场。除非另有说明，所有的退火均在真空下进行。

采用标准的方法，在正弦磁通条件下，在这些闭合磁通道的试样上测定总铁损。激励频率(f)为60Hz，激磁铁芯的最大磁感应水平(Bm)为1.4T。

虽然在一些情况下本发明范围以外的某些合金的铁损值或激励功率值几乎可与本发明范围内的合金相等，但是本发明范围之外的合金并没有相等于本发明合金的综合的低铁损值和激励功率值。正是激励功率和铁损的这种综合，还要与上述讨论的特性和延性(以下将较充分地讨论)以及在所有列出的退火条件下的性能相对一致性和均匀性结合在一起，它们是本发明合金的特征，虽然是意想不到的特征。

参照图9，这是在360℃经1.5小时退火的合金和在380℃经1.5小时退火的合金的断裂应变与合金成分的关系图。图中的每个数据点是每种合金成分至少五次测定的平均值。如上所述，目前采用的非晶形合金呈现的断裂应变值大约为0.03或小于0.03，它相当于带子在断裂之前可弯曲到半径等于带子厚度的17倍或小于17倍的圆。本发明合金的断裂应变值在每一组退火条件下至少为0.03，在许多情况下，断裂应变值至少为大约0.05(近似相当于带子可弯曲到直径等于20倍带子厚度即半径等于10倍带子厚度的圆，带子还不致断裂)。如由所列的结果可清楚地看到那样，本发明的大多数合金在一组条件退火后的断裂应变值至少大约为0.05或者大于0.05，这表示与现有技术的材料相比延性有惊人的提高，对于许多合金，两组条件退火后的断裂应变值至少大约为0.05。

断裂应变的测定在直的带材试样上进行，试样经所述条件下退火，其长度为25-100mm。在一测微器的两个压板之间使退火试样弯曲直到断裂，记录压板之间的间距d。然后，如上所述，计算断裂应变。在具有一定标称成分的至少三个不同带材的试样上，最少选择不同的三个点来测定间距d。

我们发现了一类对生产变压器铁芯必需的具有综合性能的合金。这类合金在退火条件的一定范围内具有良好的性能，从而保证变压器制造厂生产出质量较一致的产品。这些优点用现有技术的材料是不可能得到的，至今也无法想象这样一些优点。

Claims (4)

1.一种非晶形金属合金，其特征在于它由铁、硼和硅组成，其中硼含量为9.8％到11.5％(原子)，硅含量为8.5％到10.4％(原子)，铁含量为79.5％到80.5％(原子)，所说的合金已被退火，其结晶温度至少为490℃，25℃饱磁化值至少为174emu/g，在360℃经2,000秒退火之后在250℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于0.3W/Kg，在380℃经1,000秒到2,000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T测定，铁损不大于0.3W/Kg，在360℃经2,000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激励功率要求不大于1VA/Kg，在380℃经1,000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激励功率要求不大于1VA/Kg，对在360℃经1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂衣变至少大约为0.03，对在380℃经1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少为0.03。

2.根据权利要求1所述的非晶形金属合金，其中硼含量为10.5-11.5％(原子)，硅含量为8.5-9.5％(原子)，铁含量为80-80.5％(原子)。

3.根据权利要求2所述的非晶形金属合金，其中硼含量为：11％(原子)，硅含量为9％(原子)，铁含量为80％(原子)。

4.根据权利要求1所述的非晶形金属合金，其中硼含量为10％(原子)，硅含量为10％(原子)，铁含量为80％(原子)。

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