CN1054101A - 具有增强的交流磁性和可控性的非晶形铁硼硅合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属合金，主要由铁、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

本发明涉及主要由铁、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、低激磁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，这些合金因放出结晶热而开始结晶;此时，X射线衍射图相应地开始由非晶形变成结晶材料型。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-Signal Inc的H.S.Chen和D.E.Polk的美国专利第Re32，925号是最熟知的揭示，它指出一个问题，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MaXbZc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178meu/g）。然而，众所周知，Fe80B20难以浇注成非晶形态。而且，由于结晶温度低而使热不稳定，并且难以得到延性的带状物。另外，业已明确，其铁损和激磁功率要求仅仅是最小值才能接受。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Fe80-84B12-19Si1-8表示的合金，但附带条件是合金必须具有在30℃下至少大约174emu/g的饱和磁化值（目前认为该值是最佳值）、矫顽磁性小于大约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≈12Si≈4≈10.5表示的Fe-B-Si合金，它们具有高的结晶温度以及低的铁损和低的激磁功率要求，其条件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），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Fe77-80B12-16Si5-10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Fe74-80B6-13Si8-19表示的Fe-B-Si合金，它任意地含有高达3.5%（原子）的碳，在时效之后，合金呈现高度保持合金的原磁通密度（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Fe79.4-79.8B12-14Si6-8表示，且具有时效前后意想不到低的铁损和激磁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，研究者都致力于不同的性能，因为它们是确定最适合于制作配电和电源变压器中磁铁芯的合金的关键，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好效果是必需的。因此，发现了种种不同的合金，每种合金集中在仅仅部分总的综合性能。更具体地说，上述的揭示中明显缺少的是对一类合金的评价，其中这些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低铁损和低激磁功率要求，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，因为它们具有一种磁特性，它对于提高变压器的工作是必需的，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，并且具有在图1中所示的A，B，C，D，E，F，A区域内的一种组合物。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，激磁功率值不大于大约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，激磁功率值不大于大约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1.4T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。
本发明还涉及包括这些非晶形合金的改进的磁铁芯、改进的磁铁芯包括上述的非晶形金属合金的主体（例如，线绕的、切绕的或层叠的），所说的主体在磁场中经退火。
图1为三元相图，它表明本发明的基本合金、择优合金以及最佳合金。
图2为说明在硼含量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，经两种不同退火温度，各温度下的退火时间均为1000秒的种种合金的铁损测定结果的图。
图6为说明在60Hz、1.4T和25℃下，经两种不同退火温度，各温度下的退火时间均为2000秒的种种合金的铁损测定结果的图。
图7为说明在60Hz、1.4T和25℃下，经两种不同退火温度，各温度下的退火时间均为1000秒测定的种种合金的激磁功率值的图。
图8为说明在60Hz、1.4T和25℃下，经两种不同退火温度，各温度下的退火时间均为2000秒测定的种种合金的激磁功率值的图。
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1三元相图所示A、B、C、D、E、F、A区域中的组合物的金属合金。更具体地说，参照图1，本发明的合金由具有以下组合物，Fe80.15B9.8Si10.05、Fe79.8B9.8Si10.4、Fe79.8B11.5Si8.7、Fe80B11.5Si8.5、Fe80.5B11Si8.5及Fe80.5B10.5Si9的合金〔以%（原子）表示〕在其角上限定的多边形确定。然而，应当认为，确定多边形边界的组合物的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区域内的组合物。再又，确定择优合金的区域边界的合金的任何组分可在±0.1%（原子）内波动。本发明的最佳合金具有图1中1，C，2，F，3，1区域的组合物。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，本发明的最佳合金主要由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以提高非晶形相的体积百分比得以改善。因此，本发明的合金这样浇铸，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。制作非晶形金属合金的各种技术均可采用，本发明范围内有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，选择具体的组分，然后以要求的比例熔化必要的元素的粉末或颗粒（或者可分解形成元素的材料的粉末或颗粒例如，硼铁、硅铁等）并且均匀化，之后把熔化的合金供给可使合金以至少大约105-106℃/秒速度冷却的激冷表面。
由本发明合金构成的连续金属带的最佳制造方法是称之平面流动浇铸的方法，该方法已在本文作为参考文献的转让给Allied-Signal  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嘴限定的喷口，嘴限定一位于靠近激冷体表面的槽孔，以致使嘴与表面之间的间隙为大约0.03到大约1毫米，喷口一般以与激冷体的运动方向垂直来设置，（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。喷嘴槽的宽度优先采用为大约0.3-1毫米，第一个嘴的宽度至少等于槽的宽度，第二个嘴的宽度为大约1.5-3倍的槽宽度。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非晶形金属带的，厚度为小于0.025毫米到大约0.14毫米或大于0.14毫米，这取决于所用合金的组分、熔点、凝固和结晶特性。
本发明的合金的独特性在于它提供了制造磁铁芯中的良好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。
在制造用于配电和电源变压器由非晶形金属合金带（金属玻璃）组成的磁铁芯中，在缠绕到铁芯上之前或者之后，金属玻璃均要经退火。通常，在施加的磁场下，在金属玻璃将显示其良好的软磁性之前，必需进行退火（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，消除各向异性铸件和产生各向异性择优轴所需的时间越长（并且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，以便绕成铁芯形状并且能使其在退火之后，尤其是在接着的变压器制造步骤中，例如在变压器线圈上系缚退火金属玻璃的步骤（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）得到处理。
富铁金属玻璃的退火会导致合金的延性降低。虽然在结晶之前出现降低的机理尚不清楚，但一般认为它与冷却成铸态金属玻璃的“自由体积”的分散有关。玻璃原子结构中的“自由体积”与晶体原子结构中的空位相似。当退火金属玻璃时，由于非晶形结构趋于减弱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”被分散。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，所以铁基金属玻璃越减弱，则其越脆（即使其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，除了合金组分的基本问题之外，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，使两个压板之间的金属玻璃试样弯曲，一般为1毫米的压板，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〔εf＝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，以致于带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。这种能耗主要由使该磁场方向上金属玻璃中的所有磁畴成一直线所需的能量引起的。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。
金属玻璃的退火情况会影响铁损。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/或低的磁性，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。
激磁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微被剪的B-H环。在退火过程中，铸态各向异性和浇铸应力被消除，B-H环相对于铸态环形直至最佳退火会变得更方和更狭。在过度退火时，B-H环由于对应变容忍降低而趋于加宽，它取决于过度退火的程度、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（激磁功率）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℃）下的激磁功率大约为1VA/Kg或小于1VA/Kg。
很显然，对于不同组分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，这样会引起部分铁芯过度退火和退火不足。故而，这不仅对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，而且对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。可使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自最佳退火温度起大约±20K的退火温度的波动，并且仍保持经济上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;并证明它有一种特性，可使变压器制造厂能较可靠地生产工作均匀的铁芯。
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所示的合金成分确实是经浇铸的、退火的以及具有特性的。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确定试验的合金，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0.25英寸（0.635cm），宽度为2英寸（5.08cm）。圆筒由Brush-Well-man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%），使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，坩埚底呈平状，包括一条尺寸为0.25英寸×0.02英寸（0，635cm×0.051cm）的矩形槽，放置在距圆筒的浇铸表面0.008英寸（≈0.02cm）处。圆筒以大约每分钟9，000英尺（45.72m/s）圆周速度旋转。第二坩埚和转轮密封在抽真空到大约10μm  Hg的小室中。坩埚顶部加盖，坩埚中保持低真空（大约10μmHg的压力）。每支铸锭采用以大约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，使熔体与轮表面接触并接着按美国专利第4，142，6、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，还包括合金所要求的性能，合金的成分为Fe80.5B10.5Si9，Fe80.5B10.75Si8.75，Fe80.5B11Si8.5，Fe79.8B9.8Si10.4，Fe79.8B11Si9.2，Fe79.8B11.5Si8.7，Fe80.3B10.5Si9.2和Fe80.15B9.8Si10.05。本发明范围内的合金用实心黑方块或菱形和实心或空心圆表示，合金用与图1中所用的相同的参考数字代表。本发明范围以外的合金作空心方块或菱形表示。
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，结晶一般在硼含量为10-12达到峰值，结晶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（Difleren-tial  Scanning  Calorimetry）测定。采用的扫描速度为20K/min，把结晶温度定义为结晶反应开始的温度。
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，则其越容易使磁畴在择优轴中排成直线，当以相同方向测定时使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。把所有方面（长度、数目和间距）相同的在玻璃纤维套管上的多螺旋铜绕线绕到两个端头开口的石英管上。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（或不同）的信号。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监控器。当在烘箱中使二只电感器加热时，铁磁金属玻璃经过其居里温度而变成顺磁体（低的导磁率）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。转变一般是宽的，这反映了铸态玻璃合金中的应力削弱。把转变区的中点定义为居里温度。
以相同的方式，当使烘箱冷却时，可测定顺磁到铁磁的转变。从至少部分松弛的玻璃合金来看，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。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，提高铁含量以及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。
所引用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，退火状态下玻璃被松弛。
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的施加场。采用测定的物质密度，然后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。以大约0.30W/Kg画出的平行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，本发明合金的铁损值小于或者等于大约0.3W/Kg。当与图5的结果联系起来时，这些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，铁损值列为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是激磁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磁功率值，而且与本发明范围之外的合金相比，还说明激磁功率值比较稳定。
铁损和激磁功率数据汇集如下：
把铸态带材缠绕在陶瓷管上，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螺旋管形试样。为了测定铁损，把绝缘的一次和二次绕组，每组用100标记，施加于螺旋管上。由此制备的螺旋管试样含有2-5g带材。在有沿带材长度（螺旋管圆周）施加的大约为795A/m施加场的存在下，在613-653K，1-5.4千秒内对这些螺旋管试样进行退火。保持这种场，而使试样在退火之后冷却。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。激磁频率（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磁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磁功率值。这种激磁功率和铁损的结合还要与上述讨论的特性和延性（以下将较充分地讨论）以及作为本发明合金特征（但由此意想不到的）的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。
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，转换成圆半径则大约为断裂开始之前带厚度的17倍或小于17倍。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（近似等于带的20倍厚度的弯曲直径，即在没有断裂情况下，10倍带厚度的圆半径）。如由所列的结果可清楚地看到那样，本发明的大多数合金的断裂应变值至少大约为0.05或者在一组条件下大于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，两组退火条件下的断裂应变值至少大约为0.05。
断裂应变性测定由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。在测微仪的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，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 (16)

1、一种金属合金，其特征在于它主要由铁、硼和硅组成，并且具有图1中的A、B、C、D、E、F、A区的成分，所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃饱和磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于约0.3W/Kg，在380℃经大约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃以大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
2、一种金属合金，其特征在于它主要由铁、硼和硅组成并且具有图1中的4，C，D，E，F，4区的成分，所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃下饱和磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在380经在约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/kg，在360℃经大约2000秒退火之后在25℃，60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
3、一种一种金属合金，其特征在于它主要由铁、硼和硅组成，并且具有图1中的1，C，2，F，3，1区的成份，所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃饱磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在250℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在380℃经大约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃以大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
4、根据权利要求1所述的合金，其特征在于所说的合金至少90%为非晶形。
5、根据权利要求2所述的合金，其特征在于所说的合金至少90%为非晶形。
6、根据权利要求3所述的合金，其特征在于所说的合金至少90%为非晶形。
7、一种金属合金，其特征在于它主要由以一般式FeaBbSic表示的成分组成的，式中：“a”、“b”、“c”为原子百分比，“a”为79.8-80.5，“b”为9.8-11.5，“c”为8.5-10.4，所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃饱磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在250℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在380℃经大约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
8、一种金属合金，其特征在于它主要由铁、硼和硅组成，其中含硼量大约为10.5%到大约11.5%（原子），硅含量大约为8.5到大约9.5%（原子），铁含量大约为至少80到大约80.5%（原子），所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃饱磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在250℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在380℃经大约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃以大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
9、一种非晶形金属合金，其特征在于它主要由铁大约80%（原子）、硼大约11%（原子）和硅大约9%（原子）组成，所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃饱磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在250℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在380℃经大约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃以大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
10、根据权利要求7所述的合金，其特征在于铁损不大于大约0.25W/Kg。
11、根据权利要求7所述的合金，其特征在于激磁功率要求不大于大约0.75VA/Kg。
12、根据权利要求7所述的合金，其特征在于断裂应变至少大约为0.05。
13、一种非晶形金属合金，其特征在于它主要由铁大约80%（原子）、硼大约10%（原子）和硅大约10%（原子）组成，所说的合金的结晶温度至少大约为490℃，25℃饱磁化值至少大约为174emu/g，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在380℃经大约1，000秒到大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T测定，铁损不大于大约0.3W/Kg，在360℃经大约2，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，在380℃经大约1，000秒退火之后在25℃、60Hz和1.4T下测定，激磁功率要求不大于大约1VA/Kg，对在大约360℃经大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03，对在大约380℃以大约1.5小时退火之后的合金在25℃下测定，断裂应变至少大约为0.03。
14、根据权利要求9所述的合金，其特征在于在360℃经1.5小时退火之后测定，所说合金的断裂应变至少大约为0.05。
15、一种含有权利要求1的合金的制品。
16、一种磁铁芯，其特征在于它包括由权利要求1的一种合金形成的金属带，其中合金至少具有大约90%非晶形。
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