CN105047348B - 一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯及其制备方法。该铁芯的化学成分原子百分比为：FeaSibBcMdCueM'f，其中：65≤a≤85，5≤b≤25，0≤c≤15，0≤d≤15，0≤e≤5，0≤f≤1，且a+b+c+d+e+f=100，所述M为Nb、Mo或V中的至少一种，所述M'为Sn、Al、Y或Sb中的至少一种。首先按原子百分比配比原料，熔炼制备母合金；然后将制备的母合金破碎重熔并覆盖炼钢造渣剂防止氧化和除渣；将重熔后的母合金在常压下采用单辊急冷制带法制备非晶薄带，最后将非晶薄带卷绕成非晶铁芯并在真空退火炉中进行等温退火晶化处理，得到用于互感器铁芯的非晶纳米晶软磁合金。本发明铁芯具备高饱和磁感应强度、高磁导率、低磁损耗，使得互感器具有超高精度和准确级。

Description

一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁性材料及其制备技术领域，尤其是涉及一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯及其制备方法。

背景技术

电流互感器是电力生产和家用电表用电能计量、保护的关键设备。电流互感器工作原理与普通变压器类似：将电网的高电压转换成低电压；大电流转换成小电流。但是，电流互感器与普通变压器的一个重要区别是它有很高的测量精度要求。

作为电流互感器的核心器件——铁芯，可选择的传统软磁材料包括：铁氧体、坡莫合金以及硅钢片。铁氧体由于它的饱和磁感应强度太低、温度特性太差，故不能满足互感器使用环境的要求；坡莫合金在现有技术中作为互感器铁芯而被采用，但是由于其昂贵的价格和较低的饱和磁感应强度，也将慢慢地成为互感器行业的历史；硅钢片是迄今为止使用最为广泛的软磁材料，其饱和磁感应强度最高，主要应用于各种低频变压器，但由于它损耗大、磁导率低，在互感器应用领域受到了极大的限制。20世纪70年代，伴随着材料革命而诞生的非晶纳米晶软磁材料具有高于铁氧体和坡莫合金的饱和磁感应强度、高于硅钢片的磁导率、低于铁氧体、坡莫合金、硅钢片的低损耗以及更为低廉的成本，而被广泛关注。

近年来，随着电力系统的发展，电能计量智能化尤其是远程抄表和分段计费系统的实施，使电子式电表已开始普及，电流互感器更是必不可少的。而为了保证电能计量的准确性，这就要求所使用的电流互感器必须具有高精度、低误差，也就是说，电流互感器所使用的铁芯材料应具有高的饱和磁感应强度，以保证互感器的正常运行；高的磁导率，减小漏磁通，以保证互感器比差一致性；低损耗，以保证互感器具有较小的角差。

美国专利申请US20030151483公开了用铁基非晶合金制造的电流互感器铁芯。这种材料是目前非晶合金中饱和磁感应强度最高的，达1.5T以上。但其缺点是初始磁导率低、损耗大，所制造的互感器的比差和角差不能满足高精度要求。

中国专利97192424.4公开了一种钴基非晶合金及元器件的制造方法。这种钴基非晶合金具有0.8 - 1.0T左右的饱和磁感应强度，经过适当的热处理可获得1000 – 15000的磁导率。但是，钴基非晶合金的最大缺点是价格昂贵，阻碍了大规模应用。

中国专利99124249.1公开了一种铁基非晶纳米晶合金的互感器铁芯及其制造方法。这种铁基非晶纳米晶合金具有1.0T的饱和磁感应强度，经过适当的热处理可获得50000的初始磁导率。但是，所制造的互感器准确级仅限于0.2级，对于更高准确级要求的互感器则不能满足。

综上所述，现有的非晶纳米晶软磁材料作为高精度、高准确级互感器铁芯时，都存在饱和磁感应强度太低、温度特性太差、昂贵的价格、损耗大、初始磁导率低等至少一项缺点。

发明内容

本发明所要解决的问题是，针对上述现有技术中的缺点，提供一种适用于高精度、高准确级的电流互感器铁芯，该铁芯具有高饱和磁感应强度、高磁导率以及低磁损耗的特性，且经济成本低廉，尤其是一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯及其制备方法。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

根据本发明的目的，我们通过化学成分优化所设计的铁基非晶纳米晶软磁合金目的是克服现有非晶纳米晶软磁材料在互感器应用领域存在的不足而提供一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯，该电流互感器铁芯应当具备比现有技术中的非晶纳米晶软磁合金更高的饱和磁感应强度、更高的磁导率以及更低的损耗等特点。其特征在于，所述非晶纳米晶软磁合金的互感器铁芯的化学成分原子百分比为： FeaSibBcMdCueM'f ，其中：65≤ a ≤ 85，5 ≤ b ≤ 25，0 ≤ c ≤ 15，0 ≤ d ≤ 15，0 ≤ e ≤ 5，0 ≤ f ≤ 1，且a+b+c+d+e+f=100，所述M为Nb、Mo或V中的至少一种，所述M '为Sn、Al、Y或Sb中的至少一种。

此外，本发明中的一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯的制备方法包括如下步骤：

（1）配比母合金原料：按照化学成分原子百分比FeaSibBcMdCueM'f ，其中：65 ≤a ≤ 85，5 ≤ b ≤ 25，0 ≤ c ≤ 15，0 ≤ d ≤ 15，0 ≤ e ≤ 5，0 ≤ f ≤ 1，且a+b+c+d+e+f=100，M为Nb、Mo或V中的至少一种，M '为Sn、Al、Y或Sb中的至少一种，配比工业原料；

（2）制备母合金：将步骤（1）配比好的母合金原料加入中频感应加热熔炼炉中，在常压下加热至1450-1650℃并保温40-90分钟，使得母合金原料熔化，并在熔炼过程中进行搅拌，使合金成分均匀，并浇注成锭；

（3）母合金重熔：将步骤（2）制备的母合金破碎，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，在常压下加热至1400-1600℃并保温30-60分钟，使得母合金熔化，并在母合金完全熔化后用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣；所述炼钢造渣剂覆盖保温5-15分钟后，将炼钢造渣剂清除干净，并重复3-5次；

（4）制备非晶薄带：将步骤（3）熔化后的母合金去除炼钢造渣剂后，在常压下采用单辊急冷制带法制备非晶薄带，其中非晶薄带宽度10±0.1mm，厚度30±2μm；

（5）制备非晶铁芯：将步骤（4）得到非晶薄带卷绕成外径为20-30mm，内径为8-15mm的非晶铁芯；

（6）退火晶化处理：将步骤（5）得到的非晶铁芯放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理。

本发明中Fe使用工业纯铁，Si使用工业多晶硅，B使用工业硼铁，M使用以M-Fe形式的中间工业合金，Cu使用电解铜，M´使用电解纯金属。

进一步，本发明优选所述退火晶化处理包括将非晶铁芯放入真空退火炉中进行480-485℃预退火60分钟，545-550℃晶化退火90分钟，然后快速冷却至350℃以下出炉，并进行风冷至室温。

进一步，本发明优选所述组分Fe的原子百分比含量a的取值范围为70 ≤ a ≤80。

在本发明的铁基非晶纳米晶合金中，Fe是主要的铁磁性元素，Fe含量在65原子%以下时，导致合金饱和磁感应强度过低容易饱和而不实用。另一方面，Fe含量高于85原子%时，导致非晶形成能力下降，不利于生产。在本发明中的一个优选实施方式为Fe的原子%含量满足：70 ≤ a ≤ 80；

进一步，本发明优选所述组分Si的原子百分比含量b的取值范围为10 ≤ b ≤20。

在本发明的铁基非晶纳米晶合金中，Si是重要的非晶化元素，同时也是纳米晶主相Fe-Si（α-Fe）的基本构成元素。Si含量过低，则不易形成非晶，因而形成纳米晶较为困难。Si含量过高将使Bs降低。在本发明中的一个优选实施方式为Si的原子%含量满足：10 ≤ b≤ 20；

进一步，本发明优选所述组分B的原子百分比含量c的取值范围为5 ≤ c ≤ 10。

在本发明的铁基非晶纳米晶合金中，由于B的原子半径小，且外层电子少，对非晶形成有利，B也是非晶化元素的基本元素。在本发明中的一个优选实施方式为B的原子%含量满足：5 ≤ c ≤ 10；

进一步，本发明优选所述组分M的原子百分比含量d的取值范围为3 ≤ d ≤ 10。

在本发明的铁基非晶纳米晶合金中，M元素为Nb、Mo或V中的至少一种。这三种元素扩散缓慢，在纳米晶形成过程中可以阻止α-Fe晶粒长大，以保证晶粒的尺寸，从而获得优异的软磁性能。由于M元素为非铁磁性元素，M含量过高将使Bs降低。M含量过低，不利于控制纳米晶晶粒尺寸，影响合金软磁性能。在本发明中的一个优选实施方式为M的原子%含量满足：3 ≤ d ≤ 10；

进一步，本发明优选所述组分Cu的原子百分比含量e的取值范围为0.5 ≤ e ≤2。

在本发明的铁基非晶纳米晶合金中，Cu元素是纳米晶形成的重要元素。由于Cu在Fe中的固溶度非常小，因此晶化处理时首先与Fe分离，形成了Cu元素的富相区，从而起到α-Fe的形核作用。在本发明中的一个优选实施方式为Cu的原子%含量满足：0.5 ≤ e ≤ 2；

进一步，本发明优选所述组分M'的原子百分比含量f的取值范围为0.001 ≤ f ≤0.05。

在本发明的铁基非晶纳米晶合金中，M'元素为Sn、Al、Y或Sb中的至少一种。这些元素的添加，其主要目的在于改善钢液流动性，含量过高会降低非晶形成能力和增加带材脆性。在本发明中的一个优选实施方式为M'的原子%含量满足：0.001 ≤ f ≤ 0.5。

本发明中的一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯所使用的合金材料具有1.0 T以上的饱和磁感应强度，5A/m以下的矫顽力，11万以上的初始磁导率和40万以上的最大磁导率，适用于高精度、高准确级电流互感器铁芯。使得本发明铁芯具备高饱和磁感应强度、高磁导率、低磁损耗，在应用于电流互感器时电流互感器具有超高精度和准确级。本发明铁芯具有高的饱和磁感应强度，确保了互感器的正常运行；高的磁导率，明显减小漏磁通，以保证互感器比差一致性；低损耗，使得互感器具有较小的角差。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯，该电流互感器铁芯应当具备比现有技术中的非晶纳米晶软磁合金更高的饱和磁感应强度、更高的磁导率以及更低的损耗等特点。其特征在于，所述非晶纳米晶软磁合金的互感器铁芯的化学成分原子百分比为： FeaSibBcMdCueM'f ，其中：65 ≤ a ≤ 85，5 ≤ b ≤ 25，0 ≤ c ≤ 15，0 ≤ d≤ 15，0 ≤ e ≤ 5，0 ≤ f ≤ 1，且a+b+c+d+e+f=100，所述M为Nb、Mo或V中的至少一种，所述M '为Sn、Al、Y或Sb中的至少一种。

在上述铁基非晶纳米晶合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Fe的原子百分比含量a的取值范围为70 ≤ a ≤ 80。

在上述铁基非晶纳米晶合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Si的原子百分比含量b的取值范围为10 ≤ b ≤ 20。

在上述铁基非晶纳米晶合金中，作为一种优选实施方式，所述组分B的原子百分比含量c的取值范围为5 ≤ c ≤ 10。

在上述铁基非晶纳米晶合金中，作为一种优选实施方式，所述组分M的原子百分比含量d的取值范围为3 ≤ d ≤ 10。

在上述铁基非晶纳米晶合金中，作为一种优选实施方式，所述组分Cu的原子百分比含量e的取值范围为0.5 ≤ e ≤ 2。

在上述铁基非晶纳米晶合金中，作为一种优选实施方式，所述组分M'的原子百分比含量f的取值范围为0.001 ≤ f ≤ 0.05。

实施例1

选取M为Nb，M'为Al和Y，则母合金的化学成分（原子%）为：Fe余量Si13B8Nb3Cu1Al0.3Y0.05。

制备方法如下：首先按母合金化学成分原子百分比配比工业原料，采用中频感应加热熔炼炉在大气环境下熔炼母合金原料制备母合金。其次将母合金破碎，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，在常压下加热至1400℃并保温60分钟，使得母合金熔化，并在母合金完全熔化后用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣；所述炼钢造渣剂覆盖保温5分钟后，将炼钢造渣剂清除干净，并重复5次，并在制带前将炼钢造渣剂清除干净。再次，在大气环境下，采用单辊急冷制带装备制备成非晶合金薄带。带材宽度10±0.1mm，带材厚度30±2μm，韧性良好，对弯不断。

将非晶薄带卷绕成外径为20mm，内径为8mm的非晶铁芯，并放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理。本发明中作为一种优选实施方式的热处理工艺为：480度预退火60分钟，545℃晶化退火90分钟，热处理后快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温。

铁芯饱和磁感应强度Bs测量采用静态磁性能测量仪；损耗Ps测量采用MATS-2010SA测试装置检测，测试在20kHz，0.2T条件下进行，记为P0.2/20k；初始磁导率μ0采用伏安法测量并计算获得。测量得到铁芯的Bs为1.1T，P0.2/20k = 8 W/kg，μ0（H = 0.08A/m时）为11.2万Gs/Oe。

实施例2

选取M为Nb和V，M'为Sn，则母合金的化学成分（原子%）为：Fe余量Si15B9Nb2V2Cu1.1Sn0.02。

制备方法如下：首先按母合金化学成分原子百分比配比工业原料，采用中频感应加热熔炼炉在大气环境下熔炼母合金原料制备母合金。其次将母合金破碎，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，在常压下加热至1600℃并保温30分钟，使得母合金熔化，并在母合金完全熔化后用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣；所述炼钢造渣剂覆盖保温15分钟后，将炼钢造渣剂清除干净，并重复3次，并在制带前将炼钢造渣剂清除干净。再次，在大气环境下，采用单辊急冷制带装备制备成非晶合金薄带。带材宽度10±0.1mm，带材厚度30±2μm，韧性良好，对弯不断。

将非晶薄带卷绕成外径为30mm，内径为15mm的非晶铁芯，，并放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理。本发明中作为一种优选实施方式的热处理工艺为：485度预退火60分钟，550℃晶化退火90分钟，热处理后快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温。

铁芯饱和磁感应强度Bs测量采用静态磁性能测量仪；损耗Ps测量采用MATS-2010SA测试装置检测，测试在20kHz，0.2T条件下进行，记为P0.2/20k；初始磁导率μ0采用伏安法测量并计算获得。测量得到铁芯的Bs为1.02T，P0.2/20k = 6 W/kg，μ0（H = 0.08A/m时）为11.5万Gs/Oe。

实施例3

选取M为Nb和Mo，M'为Sb，则母合金的化学成分（原子%）为：Fe余量Si16B9Nb2Mo2Cu0.8Sb0.02。

制备方法如下：首先按母合金化学成分原子百分比配比工业原料，采用中频感应加热熔炼炉在大气环境下熔炼母合金原料制备母合金。其次将母合金破碎，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，在常压下加热至1600℃并保温60分钟，使得母合金熔化，并在母合金完全熔化后用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣；所述炼钢造渣剂覆盖保温5分钟后，将炼钢造渣剂清除干净，并重复5次，并在制带前将炼钢造渣剂清除干净。再次，在大气环境下，采用单辊急冷制带装备制备成非晶合金薄带。带材宽度10±0.1mm，带材厚度30±2μm，韧性良好，对弯不断。

将非晶薄带卷绕成外径为30mm，内径为8mm的非晶铁芯，，并放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理。本发明中作为一种优选实施方式的热处理工艺为：485度预退火60分钟，550℃晶化退火90分钟，热处理后快速冷却至350℃以下出炉然后进行风冷至室温。

铁芯饱和磁感应强度Bs测量采用静态磁性能测量仪；损耗Ps测量采用MATS-2010SA测试装置检测，测试在20kHz，0.2T条件下进行，记为P0.2/20k；初始磁导率μ0采用伏安法测量并计算获得。测量得到铁芯的Bs为1.0T，P0.2/20k = 6 W/kg，μ0（H = 0.08A/m时）为11.5万Gs/Oe。

Claims (1)

1.一种非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯，其特征在于，所述非晶纳米晶软磁合金的互感器铁芯的化学成分原子百分比为：Fe余量Si₁₅B₉Nb₂V₂Cu_1.1Sn_0.02；所述非晶纳米晶软磁合金的电流互感器铁芯的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配比母合金原料：按照化学成分原子百分比Fe余量Si₁₅B₉Nb₂V₂Cu_1.1Sn_0.02，配比工业原料；

(2)制备母合金：将步骤(1)配比好的母合金原料加入中频感应加热熔炼炉中，在常压下加热至1600℃并保温30分钟，使得母合金原料熔化，并在熔炼过程中进行搅拌，使合金成分均匀，并浇注成锭；

(3)母合金重熔：将步骤(2)制备的母合金破碎，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，在常压下加热至1600℃并保温30分钟，使得母合金熔化，并在母合金完全熔化后用炼钢造渣剂覆盖防止氧化并除渣；所述炼钢造渣剂覆盖保温15分钟后，将炼钢造渣剂清除干净，并重复3次；

(4)制备非晶薄带：将步骤(3)熔化后的母合金去除炼钢造渣剂后，在常压下采用单辊急冷制带法制备非晶薄带，其中非晶薄带宽度10±0.1mm，厚度30±2μm；

(5)制备非晶铁芯：将步骤(4)得到非晶薄带卷绕成外径为30mm，内径为15mm的非晶铁芯；

(6)退火晶化处理：将步骤(5)得到的非晶铁芯放入真空退火炉中进行等温退火晶化处理。