CN105861959A - 智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于软磁合金领域，具体公开了智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯及其制备方法。磁芯的分子式为Fe_{100‑a‑b‑c‑d‑ e}Si_aB_bM_cCu_dNb_eM’_f，a、b、c、d、e、f为原子百分比，取值范围分别为：8≤a≤14，2≤b≤10，0.8≤c≤3，1≤d≤4，0.5≤e≤2，0.02≤f≤0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M为Al或Zn，M’选自Y、Gd、V、Mo、Mn、Ge、Er、Ga、Sn中的一种或几种。本发明还提供了采用复合磁场退火处理的方法制备得到软磁性能优异的磁芯，满足智能电表用低角差互感器高精度测量的要求。

Description

智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯及其制备方法

技术领域

本发明属于软磁合金领域，具体涉及智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯及其制备方法。

背景技术

对于家用电能计量，从前一直采用转盘感应式电表，而近年来随着电能计量智能化尤其是远程抄表和分段计费系统的实施，已经开始普及智能电表。对智能电表来说电流互感器必不可少，而磁芯是电流互感器的核心部件，目前广泛使用非晶纳米晶软磁合金带材做互感器磁芯。电流互感器的精确度决定了智能电表的测量精确度，互感器磁芯的综合磁性能是影响互感器精度的主要因素之一。互感器在测量电流时的误差有比差和角差两种，为了达到较高的精度，要求互感器铁芯材料具有高饱和磁感应强度以保证仪表正常工作，高且线性度好的磁导率，以减小漏磁通和保证在不同电流负荷下比差一致，，低损耗以保证互感器具有较低的角差。

CN1688003A公布了一种抗直流分量电流互感器磁芯，该互感器磁芯采用高导磁磁芯A和抗饱和磁芯B复合而成，综合了高导磁和抗饱和的特点，同时达到高饱和磁感应强度及高磁导率、低铁损。但是大多数复合磁芯结构为了避免由于设置气隙而导致绕组损耗增大，取消了气隙的设置，可是，其虽然减小了绕组损耗，但会导致磁芯损耗的增加，从而磁性元件的总损耗增加，且应用频率较低。

美国专利申请US20030151483公开了用铁基非晶合金制造的互感器铁芯，其饱和磁感应强度可达到1.5T以上，但其初始磁导率低、损耗大，所制造的互感器的比差和角差不能满足高精度的要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种高精度、低角差的智能电表用纳米晶软磁合金磁芯，该磁芯具有高饱和磁感应强度、高且线性度好的磁导率及低损耗的特性。本发明的另一目的在于提供上述纳米晶软磁合金磁芯的制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，磁芯的分子式为Fe_{100-a-b-c-d-e}Si_aB_bM_cCu_dNb_eM’_f，a、b、c、d、e、f为原子百分比，取值范围分别为：8≤a≤14，2≤b≤10，0.8≤c≤3，1≤d≤4，0.5≤e≤2，0.02≤f≤0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M为Al或Zn，M’选自Y、Gd、V、Mo、Mn、Ge、Er、Ga、Sn中的一种或几种。

作为优选，所述磁芯中的纳米晶晶粒为11nm以下。

作为优选，所述磁芯由宽度为10±0.1mm、厚度为30±1μm的非晶合金薄带卷绕成环状或矩形后晶化退火制得。

本发明进一步提出了上述智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)原材料配比：按照所述软磁合金分子式Fe_{100-a-b-c-d-e}Si_aB_bM_cCu_dM’_e中各元素的原子百分比进行配料，得到母合金原料；

(2)母合金原料熔炼：将配比好的母合金原料加入中频熔炼炉内在大气环境下进行熔炼，反复熔炼若干次，得到母合金铸锭；

(3)制备非晶薄带：将步骤(2)得到的母合金铸锭破碎进行二次熔炼，重新熔融后将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上，以106℃/s的冷却速率快速冷却甩带制得非晶合金薄带；

(4)制备非晶磁芯：将步骤(3)得到的非晶合金薄带卷绕成外径21.4±0.1mm，内径13.2±0.1mm的非晶磁芯；

(5)去应力热处理：将步骤(4)得到的非晶磁芯在真空、惰性气氛或还原气氛中以10℃/min的升温速率升至500-550℃进行去应力热处理2-5h，然后以20-50℃/min的速率冷却至200℃取出空冷至室温；

(6)复合磁场退火：将步骤(5)去应力后的非晶磁芯放入磁场热处理管式炉中施加横向磁场和纵向磁场进行复合磁场退火处理，冷却至室温后既得产品。

作为优选，步骤(2)和步骤(3)所述熔炼的过程中均采用炼钢造渣剂覆盖进行保护。在熔炼过程中，有些元素容易被氧化，因此很多非晶合金的熔炼都是在真空环境中进行，增加了工艺难度。本发明采用炼钢造渣剂覆盖在熔融的母合金溶液上，在大气环境中即可实现防止氧化的目的，将炼钢造渣剂覆盖5-10min后即可捞渣。

作为优选，步骤(2)所述的反复熔炼的次数为3-5次，每次熔炼的时间为45-60min，其中优选熔炼4次，以确保在熔炼过程中母合金中各成分的均匀性。

作为优选，步骤(6)所述的磁场热处理管式炉的炉体用环形螺旋管线圈包覆，内部通冷却水降温、通入惰性气体或还原性气体防止氧化，所述去应力后的非晶磁芯内部穿过铜棒。环形螺旋管线圈通入直流电后即产生一个与磁芯断面垂直的横向磁场，铜棒通入直流电后将产生一个与磁芯绕制方向平行的纵向磁场，所述惰性气体为N₂、Ar或He，所述还原性气体为H₂或惰性气体与氢气的混合气，在通入气体前，退火炉内真空度先抽至1×10^-3Pa，再通入惰性气体或还原性气体，气体压力为0.02-0.05MPa。

作为优选，步骤(6)所述的横向磁场的强度为10mT，纵向磁场的强度为2mT。

作为优选，步骤(6)所述的退火温度为550-600℃，时间为0.5-2h。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)通过合理的元素成分设计，在本发明的纳米晶软磁合金磁芯中添加Sn、Ga、Al元素后，可以提高合金溶液的热稳定性，同时改善钢液的流动性，降低生产工艺难度，减小非晶合金薄带的厚度，韧性增加；Al或Zn与Cu协同作用为纳米晶核提供位置，提高了非晶形成能力，M’中的元素与Nb进一步提高了非晶形成能力，在纳米晶形成过程中抑制晶粒长大，细化晶粒，提升了磁芯的软磁性能；

(2)单一的横磁处理导致剩磁Br和磁导率降低，单一的纵磁处理导致剩磁的急剧上升造成的铁损增加，本发明采用复合磁场退火处理提升磁芯的综合软磁性能——矫顽力低、磁导率高且线性度好、Bs高，本发明制备方法得到的磁芯可满足智能电表用低角差互感器的使用要求，提高其测量精度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步解释说明。

本发明的具有高Bs、低矫顽力、高磁导率的用于智能电表的磁芯由纳米晶软磁合金制成，具有线性的B-H回线；其中该纳米晶软磁合金的化学通式为磁芯的分子式为Fe_{100-a-b-c-d-e}Si_aB_bM_cCu_dNb_eM’_f，a、b、c、d、e、f为原子百分比，取值范围分别为：8≤a≤14，2≤b≤10，0.8≤c≤3，1≤d≤4，0.5≤e≤2，0.02≤f≤0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M为Al或Zn，M’选自Y、Gd、V、Mo、Mn、Ge、Er、Ga、Sn中的一种或几种。本发明的具有高Bs、低矫顽力、高磁导率的用于智能电表的磁芯由纳米晶软磁合金制成，具有线性的B-H回线。

实施例1

本实施例中的纳米晶软磁合金的化学通式为Fe₈₂Si₁₀B_2.5Al_1.2Cu_2.3Nb₂Y_0.02V_0.02。

制备方法如下：首先按照上述软磁合金的化学式中的原子百分比配比工业原料，得到母合金原料。将上述配比好的母合金原料加入至在中频熔炼炉中，中频熔炼炉的起始熔炼功率为35KW，以0.5-2KW/min的速率升至130-140KW，至母合金原料完全熔化，停止加热，将炼钢造渣剂覆盖在熔融的合金溶液上，5-10min后捞渣，然后将中频熔炼炉翻转重复熔炼3-5次，随后中频熔炼炉的功率迅速降至起始熔炼功率，合金溶液凝固后得到成分均匀一致的母合金铸锭。

将母合金铸锭破碎后，加入制带机的中频感应加热熔炼炉内重熔，重熔过程中采用炼钢造渣剂覆盖在熔融的合金溶液上防止氧化，捞渣，然后将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上，以106℃/s的冷却速率快速冷却甩带制得非晶合金薄带。带材宽度为10±0.1mm、厚度为30±1μm，可紧贴直径4mm的抛光钢棒回折180°通过，韧性良好，带材平整光滑边缘无裂口和毛刺。表面无呈周期性的波浪形缺陷和少量褶皱。将得到的非晶合金薄带卷绕成外径21.4±0.1mm，内径13.2±0.1mm的非晶磁芯，磁芯整体完好，叠片致密。

将卷绕好的非晶磁芯在N₂中以10℃/min的升温速率升至500-550℃进行去应力热处理2-5h，然后以20-50℃/min的速率冷却至200℃取出空冷至室温；再放入磁场热处理管式炉中，磁场热处理管式炉的炉体用环形螺旋管线圈包覆，内部通冷却水降温、铜棒穿过非晶磁芯，炉内真空度先抽至1×10^-3Pa，再通入0.02-0.05MPa N₂防止磁芯氧化。环形螺旋管线圈通入直流电后即产生一个与磁芯断面垂直的10mT横向磁场，铜棒通入直流电后将产生一个与磁芯绕制方向平行的2mT纵向磁场，在550-600℃下施加横向磁场和纵向磁场进行复合磁场退火处理0.5-2h，冷却至室温后既得产品。

实施例2

本实施例中磁芯的制备方法与实施例1基本相同，所不同之处在于磁芯的化学式为Fe₈₂Si₉B₃Zn₂Cu_2.3Nb_1.5Y_0.02V_0.02Sn_0.2。

实施例3

本实施例中磁芯的制备方法与实施例1基本相同，所不同之处在于磁芯的化学式为Fe₈₂Si₉B₃Zn₂Cu₃Nb_0.8Mo_0.1V_0.1，所使用的气体为H₂。

磁芯的饱和磁感应强度Bs采用振动样品磁强仪(VSM)进行测定，损耗测量采用MATS-2010SA测量装置在0.88T，50Hz时检测P_0.87/50，初始磁导率μ₀(H＝0.08A/m时)采用伏安法测量并计算。实施例1-3所制备的产品的性能测试结果如表1所示。本发明制备出的产品Bs在1.5-1.68T之间，铁损P_0.88/50小于0.04W/Kg，初始磁导率大于14万Gs/Oe，矫顽力低于1.3A/m，优异的软磁性能可以降低磁滞损耗和涡流损耗，满足智能电表用互感器高精度测量的要求。

表1实施例1-3所制备的产品的性能测试结果

编号	Bs(T)	P0.88/50(W/Kg)	μ0(Gs/Oe)	Hc(A/m)
					实施例1	1.584	0.037	14.2万	1.3
实施例2	1.632	0.037	14.8万	1.2
					实施例3	1.651	0.039	14.9万	1.0

以上描述是用于实施本发明的一些最佳模式和其他实施方式，只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改、等同替换或组合，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，其特征在于：所述磁芯的分子式为Fe_{100-a-b-c-d-e}Si_aB_bM_cCu_dNb_eM’_f，a、b、c、d、e、f为原子百分比，取值范围分别为：8≤a≤14，2≤b≤10，0.8≤c≤3，1≤d≤4，0.5≤e≤2，0.02≤f≤0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M为Al或Zn，M’选自Y、Gd、V、Mo、Mn、Ge、Er、Ga、Sn中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，其特征在于：所述磁芯中的纳米晶晶粒为11nm以下。

3.根据权利要求1所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，其特征在于：所述磁芯由宽度为10±0.1mm、厚度为30±1μm的非晶磁合金薄带卷绕成环状或矩形后晶化退火制得。

4.一种如权利要求1所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

(1)原材料配比：按照所述软磁合金分子式Fe_{100-a-b-c-d-e}Si_aB_bM_cCu_dM’_e中各元素的原子百分比进行配料，得到母合金原料；

(2)母合金原料熔炼：将配比好的母合金原料加入中频熔炼炉内在大气环境下进行熔炼，反复熔炼若干次，得到母合金铸锭；

(3)制备非晶薄带：将步骤(2)得到的母合金铸锭破碎进行二次熔炼，重新熔融后将合金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上，以106℃/s的冷却速率快速冷却甩带制得非晶合金薄带；

(4)制备非晶磁芯：将步骤(3)得到的非晶合金薄带卷绕成外径21.4±0.1mm，内径13.2±0.1mm的非晶磁芯；

(5)去应力热处理：将步骤(4)得到的非晶磁芯在真空、惰性气氛或还原气氛中以10℃/min的升温速率升至500-550℃进行去应力热处理2-5h，然后以20-50℃/min的速率冷却至200℃取出空冷至室温；

(6)复合磁场退火：将步骤(5)去应力后的非晶磁芯放入磁场热处理管式炉中施加横向磁场和纵向磁场进行复合磁场退火处理，冷却至室温后既得产品。

5.根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)所述熔炼的过程中均采用炼钢造渣剂覆盖进行保护。

6.根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的反复熔炼的次数为3-5次。

7.根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述的磁场热处理管式炉的炉体用螺旋管线圈包覆，内部通冷却水降温、通入惰性气体或还原性气体防止氧化，所述去应力后的非晶磁芯内部穿过铜棒。

8.根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述的横向磁场的强度为10mT，纵向磁场的强度为2mT。

9.根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征在于：步骤(6)所述的退火温度为550-600℃，时间为0.5-2h。