CN1092201A - 铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高频大功率逆变直流弧焊 机单极性和双极性脉冲主变压器铁芯的制造方法。 该方法选用高含铁的超微晶和非晶合金带卷绕成环 形铁芯，然后根据所选带材的化学成分采用相应的退 火温度，用于单极性脉冲变压器的铁芯退火时加横向 磁场，用于双极性脉冲变压器的铁芯子加磁场，退火 后再装入保护盒中，至此就获得了高磁感低损耗体积 小和重量轻的主变压器铁芯。

Description

本发明涉及一种铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法，主要是一种用于高频大功率逆变直流弧焊机单极性和双极性脉冲主变压器铁芯的制造方法，该方法主要包括如下步骤：选择铁芯用材，卷铁芯和铁芯热处理。

用于逆变直流弧焊机高频大功率脉冲主变压器的铁芯，其工作频率一般为10～50KHz，输出功率1～10KW。众所周知，这种高频大功率的变压器铁芯目前一般都选用Mn-Zn铁氧体或薄硅钢带材料。日本专利平3-41708（1991年2月22日公开特许公报）公开了采用铁和锰的氧化物粉末压型后再烧结的粉末冶金方法来制作Mn-Zn铁氧体铁芯的工艺，如果选用采用这种方法制成的Mn-Zn铁氧体铁芯来制作逆变直流弧焊机的高频大功率脉冲变压器铁芯，虽然其损耗很低，在高频下使用温升较小，但由于这种铁芯饱和磁感强度很低，结果必须把铁芯作成很大的体积，或增加绕线匝数，最后的直流弧焊机就很笨重。相反，如果选用市售的薄硅钢带来卷绕这种铁芯，铁芯的磁感应强度的确很高，但由于薄硅钢带的高频损耗太高，不能工作在很高的频率下，很容易发热。欧洲专利EP0435680A2提供了一种利用铁基快淬软磁合金薄带卷绕的铁芯，在工艺上通过薄带之间涂加绝缘涂层来提高铁芯的性能，但未具体涉及本发明所提供的弧焊机主变压器铁芯性能提高的方法。

本发明的目的是避免上述现存技术中的不足之处，提供一种对于高频大功率脉冲主变压器铁芯来说，既具有低损耗又具有高磁感的快淬软磁合金铁芯的制造方法，把采用这种方法制得的铁芯应用于高频大功率逆变直流弧焊机脉冲主变压器，可以使变压器体积和重量显著减小，同时其效率大大提高。

本发明的目的可以通过以下的措施来达到，首先是通过选用快淬软磁合金中铁含量高的超微晶合金带和非晶合金带，依靠这种高含铁合金带的高饱和磁感强度的特性，来提高铁芯的最大磁感强度Bm，从而达到提高铁芯工作磁感△B（对于双极性脉冲变压器铁芯△B＝2Bm，对于单极性脉冲变压器△B＝Bm-Br，其中Br是铁芯的剩余磁感强度）的目的，对于变压器来说就可以缩小体积和重量。然后将此两种带材卷绕成矩形截面的环形铁芯，并分别在高于（超微晶铁芯）和低于（非晶铁芯）各自晶化温度的温度下，保温一段时间，随炉冷却。从而使构成铁芯的薄带中在淬火时出现的内应力得以消除，同时分别形成超微晶和部分晶化的组织状态，使得铁芯高频损耗下降，导磁率提高。而对于单极性脉冲变压器的铁芯尚要在退火时施加横向磁场，处理后合金带中的磁畴结构为与带轴成45°～90°角的平行条状畴，从而铁芯的Br得以下降，铁芯工作磁感△B＝Bm-Br增大，有利于铁芯体积和重量的减小。最后将铁芯装入一种无磁材料制成的保护盒中，保护铁芯不致由于铁芯热处理后产生的脆性导致破损和受应力后磁性下降，因为这种快淬软磁合金卷铁芯材质脆，且磁性的应力敏感性很大。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到，就是选用的超微晶合金带的具体成分和含量（原子%，以下相同）为：Fe71～77，M2～4，Cu1～3，Si9～15，B8～12，其中M可以是No，Mo，W，Ta，Zr，Hf，Ti，Cr中的一种或两种。非晶合金带的具体成分和含量对于高磁感是一个关键的因素。研究表明，如超微晶合金带，当合金中铁含量由72%增加到76%时，合金带的B10（磁场为100e时的磁感强度）慢慢地由1.23T增加到1.29T，并且导磁率和损耗都无大变化。双极性脉冲特性测试结果表明，在其他条件相同情况下（频率铁芯重量、大小及匝数相同），含铁76%的铁芯可以施加的最大工作电压为200伏，而含铁73.5%的铁芯才能加148伏。但铁含量过高，也将导致磁性恶化，如当铁含量增加到79.5%时，铁芯的导磁率大幅度下降，损耗大幅度增加。因此本发明选用的超微晶合金带的最佳成分和含量，与合金中铁的含量相适应，应当是Fe76Nb3Cu1Si10B10。而最佳的非晶合金带的成分和含量应当是Fe82Si3B14C1。

根据上述成分和含量的铁基快淬软磁合金带的选择，对于超微晶合金铁芯而言，其退火保温的温度范围应是高于材料的晶化温度，其范围为460～580℃。因为在原始快淬状态，合金带并不是超微晶状态，只有在高于晶化温度（并且对不同的成分和含量其处理温度不同）退火后才能出现超微晶组织状态，这种bcc结构的超微晶晶粒组织的出现再加上快淬时应力的消除，才能使铁芯具有低损耗和高导磁的优异性能。对于上述最佳成分超微晶合金带（Fe76Nb3Cu1Si10B10）卷绕的铁芯其最佳的退火温度为550℃。而对于本发明成分范围内铁基非晶合金带卷绕的铁芯，退火保温的温度范围应是低于材料的晶化温度，其范围为350～450℃。本发明者发现保温温度对获得良好的铁芯磁性至关重要，对超微晶来说温度过高会在合金中析出使磁性恶化的FeB化合物，且晶粒长大;温度过低，则淬火应力消除不完全，且原子不能充分扩散，磁场处理效果不明显。在非晶合金带中，制得的铁芯表现出最佳磁性的合金带是成分为Fe82Si3B14C1，它的最佳退火保温温度为400℃。

本发明单极性脉冲主变压器铁芯为了获得低Br值，以提高工作磁感△B，必须在退火时施加300～600℃Oe的横向磁场，退火后铁芯合金带的畴结构由淬态迷宫畴转变为与带轴成45～90°角的平等条状畴，从而铁芯获得＜0.2T的低Br值。而双极性脉冲变压器铁芯要求除具有高饱和磁感Bs外，尚应具备高导磁率和低损耗，它必须在退火时不加任何种类的磁场。如果施加纵向磁场，处理后虽然静态导磁率较高，但由于带中产生粗大的条状畴结构，又使高频损耗增大，如果施加横向磁场，处理后铁芯的导磁率不高，使变压器工作激磁电流增大，是不理想的。

下面结合实施例进一步详述本发明。

实施例1：

选用最佳成分（原子Fe76Cu1Nb3Si10B10超微晶合金带（带厚25μm，带宽20mm）卷绕成内径60mm，外径100mm，高20mm的单极性脉冲变压器铁芯，放入管式炉中进行横向磁场退火，磁场强度为500Oe，在氢气保护下以5℃/分的速度升温至550℃，保温1小时后随炉冷却，使铁芯中的应力消除，并使其产生超微晶组织和所需的畴结构。本发明例环形超微晶合金铁芯与对比例铁芯性能对比列于表1.2。由实验数据得知，铁基超微晶合金铁芯综合性能大大优于MnZn铁氧体铁芯，其饱和磁感为铁氧体的4倍，工作磁感为铁氧体的2倍以上，在体积相同情况下，频率f＝20KHz时的损耗仅为铁氧体1/4～1/5。结果使逆变直流焊机主变压器重量和体积减小，效率提高。

表1.

本发明实施例与本发明所选超微晶成分范围以外成分合金单极性脉冲变压器铁芯性能对比列于表2。由表数据可见由于本发明实施例采用Fe含量达76%的高含铁合金带，在匝数和截面积相同条件下，与对比例比较，可输出较大电压，反之，由于输出电压与△B及铁芯截面积S成正比，所以对于一定的输出电压来说，△B越大，则S可减小，从而达到减小体积及重量的目的。

表2.

实施例2：

选用最佳成分（原子%）Fe82B14Si3C1铁基非晶合金带（带厚25μm、宽20mm）卷绕成内径60mm，外径100mm，高20mm的单极性脉冲变压器铁芯，放入管式电炉，施加横向磁场500Oe，在氢气保护下以5℃/分的速度升温至400℃，保温1小时后随炉冷却。其磁性列于表3，并与适用于一般高频变压器的Fe75Ni4Mo3Si2B16非晶合金带卷绕的单极性脉冲变压器铁芯相比。由表3数据可知，本发明高含铁非晶合金带Fe80B14Si3C1卷绕的铁芯，由于其具有高的饱和磁感值，在较大的工作磁感△B下工作时，其脉冲导磁率μ和损耗P都明显的优于对比例的铁芯，有利于铁芯体积和重量下降，提高变压器效率。

表3.

＊    B10相当于Bs，已近饱和

实施例3.

选用最佳成分Fe76Cu1Nb3Si10B10超微晶合金带，与实施例1相同卷绕成单极性脉冲变压器铁芯，其铁芯尺寸规格都相同，分成三组进行退火处理，处理的条件和所得性能结果列于表4。由表4可以看出，在频率f＝30KHz时实施例铁芯剩磁Br和损耗都相当低，导磁率μ较高，而退火温度为520℃较低温退火的对比例1，由于温度过低未达到纳米晶析出的最佳晶化程度，因而导磁率很低，且损耗大大高于经最佳温度退火的实施例铁芯。对比例2虽退火温度为最佳值，但未加横磁场退火，结果Br较高，虽然在低△B条件下，其导磁率与实施例相当，但在△B较高时，由于接近饱和，导磁率下降，在△B＝0.9T时，铁芯已饱和，因而只有在最佳退火温度和施加横向磁场的条件下才能保证铁芯体积和重量下降。

表4.

实施例4.

选用成分Fe73Cu1Nb3Si13B10超微晶合金带卷绕为内径60mm，外径100mm，高20mm的双极性脉冲铁芯，放入管式电炉中分别在不加磁场，施加横向和纵向磁场的条件下，以5℃/分速度升温至560℃，保温1小时，随炉缓冷制成三种铁芯，经测试其性能示于表5。

表5.

由表5得知经无磁场退火的本发明实施例双极性脉冲变压器铁芯其脉冲导磁率和损耗都明显地优于经纵向和横向磁场退火的对比例铁芯，且工艺比较简单。故作为双极性脉冲变压器铁芯而言，本发明认为其铁芯退火时不施加任何形式的磁场会得到更好的效果。

实施例5.

采用与实施例1.一样的工艺制备的单极性脉冲变压器铁芯，装入保护盒保持园环状和未装入保护盒径向受力使铁芯呈椭园状两种铁芯经测试，损耗示于表6。

表6.

由表6所示在△B＝0.5T，f＝30KHz条件下测得的本发明实施例铁芯性能数据表明，由于铁芯装入保护盒中没有受到径向应力作用，其损耗明显低于受径向应力变形为椭园形的对比例。故本发明认为铁芯装入保护盒能防止绕线或安装过程中受挤压而使性能恶化，同时由于退火后铁芯的脆性，装入保护盒后可避免铁芯破损。

本发明与已有技术相比其优点如下：

（1）本发明由于选用高含铁的超微晶和非晶合金带卷绕铁芯，并相应地将铁芯在最佳退火温度下退火和经其他工序，消除应力和形成最佳组织状态，使得这种高频大功率逆变直流弧焊机脉冲主变压器铁芯既具有高磁感又具有低损耗的优异综合性能。因而这种铁芯与铁氧体铁芯相比，饱和磁感提高4倍，工作磁感提高到2倍以上，频率为20KHz时的损耗仅为铁氧体铁芯的1/4～1/5。结果使该种主变压器的体积和重量大减小，同时效率提高。

（2）由于选用高含铁的超微晶和非晶合金带卷绕单极性脉冲主变压器铁芯，并在最佳退火温度和施加横向磁场条件下退火，使得成品铁芯具有相当低的剩磁Br和损耗，同时导磁率相当高。结果保证了变压器体积和重量的减小和效率的提高。

（3）由于本发明将卷铁芯装入保护盒中防止绕线和安装过程中受挤压而使铁芯磁性恶化，使这种材质较脆和应力很敏感的材料制得的铁芯得以工业应用，并且综合性能大大优于现有的铁芯。

Claims (5)

1、一种用于高频大功率逆变直流弧焊机单极性脉冲和双极性脉冲主变压器铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法，其中主要包括快淬软磁合金带材的选择，铁芯的成形和铁芯热处理，其特征是选用的快淬软磁合金带为铁含量高的超微晶合金带和非晶合金带，超微晶合金带的成分和含量(原子%)为：Fe71～77，M2～4，Cu1～3，Si9～15，B8～12，其中M可以是Nb，Mo，W，Ta，Zr，Hf，Ti，Cr的一种或两种，非晶合金带的成分和含量(原子%)为：Fe80～83，M0～8，Si3～8，B11～15，C0～3，其中M可以是Mo，Ni，Nb，Mn，W，V，Cr，Co中一种或两种，然后将此两种带材卷绕成截面积为矩形的环形卷铁芯，接着将卷铁芯进行退火处理，超微晶合金带铁芯在高于晶化温度Tx的温度下保温一定时间，非晶合金带铁芯在低于晶化温度Tx的温度下保温一定时间，对于单极性脉冲主变压器的超微晶和非晶合金带铁芯还要在退火时施加横向磁场，最后将退火后的铁芯装入无磁材料制成的保护盒中。

2、根据权利要求1.所述的铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法，其特征是选用的铁基超微晶合金带的最佳成分和含量（原子%）为：Fe76，Nb3，Cu1，Si10，B10，选用的铁基非晶合金带的最佳成分和含量（原子%）为：Fe82Si3B14C1。

3、根据权利要求1所述的铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法，其特征是铁基超微晶合金带卷绕的铁芯退火时的保温温度为460～580℃，铁基非晶合金带卷绕的铁芯退火时的保温温度为350～450℃。

4、根据权利要求1所述的铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法，其特征是单极性脉冲主变压器铁芯退火时在保温阶段和炉冷阶段施加300～600奥斯特的横向磁场，而双极性脉冲主变压器铁芯退火时不加磁场。

5、根据权利要求2所述的铁基快淬软磁合金铁芯的制造方法，其特征是成分为Fe76Nb3Cu1Si10B10铁基超微晶合金带卷绕的环形铁芯的最佳退火保温温度为550℃，成分为Fe82Si3B14C1的铁基非晶合金带卷绕的环形铁芯的最佳退火温度为400℃。