CN113667801A - 一种非晶合金的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非晶合金的热处理方法,包括步骤如下:设置一圆环状非晶合金铁芯;在圆环状非晶合金铁芯的内侧空腔内设置铜带卷1,外周围绕圆环状非晶合金铁芯紧密缠绕有铜带卷2;之后置于石英管中,抽真空,再将石英管置于升温至退火温度的退火炉中,进行保温;保温结束后,随炉冷却至563K~583K,之后水冷降温至室温,拆掉铜带卷1和铜带卷2,取出非晶合金铁芯。本发明的热处理方法利用铜良好的导热性改善非晶铁芯的温度分布,提高软磁性能,缩短退火时间,进而提高热处理效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶合金的热处理方法,特别涉及一种铁基非晶合金铜辅助热处理方法,属于金属材料领域。
背景技术
非晶合金带材是二十世纪七十年代问世的一种新型合金材料。利用非晶带材加工而成的非晶电机铁芯或变压器具有高饱和磁感应强度、低磁滞损耗、低涡流损耗、低矫顽力等特点。带材在快速急冷、卷取、运输、切割成型等制备工序中极易产生应力,通过热处理可以有效消除这一缺陷,使磁性能获得较大的提高。对于非晶合金来说,随着热处理温度的升高或保温时间的延长,矫顽力逐渐减小,这是由于应力释放引起的。但传统的未加其他辅助的热处理方法只是对非晶合金做加热和保温处理,导致体积较大的非晶合金不同部位的温度分布不均匀,这会影响其内应力的分布,降低非晶合金的软磁性能。且非晶合金保温时间过短内部难以达到去应力的效果,但是保温时间过长或热处理温度高于初始晶化温度均会使外表面发生晶化,使后续加工过程中极易产生碎片。
目前,很多专利从增加辅助热源或改善热处理炉角度来实现退火温度的均匀化。中国专利文件CN102741957A将作为热源的加热器夹在铁芯叠层的非晶带材之间进行退火,以此来改善退火时温度的分布,但加热器的加入和取出操作较为复杂。中国专利文件CN101993986A、CN104252967A、CN106755792A通过监测非晶合金铁芯的实时温度,相应的调整热处理炉的加热功率,从而保证了非晶铁芯在热处理过程中受热的均匀性。中国专利文件CN104775014A、CN106702111A、CN107365950A通过分段加热保温法,每一阶段升温结束都会进行保温处理。中国专利文件CN103589828A、CN205258526U、CN110527798A采用分区加热法,设置几个独立的热处理腔来实现连续传热。中国专利文件CN207338111U中在非晶磁芯上方与下方均设有加热预热板,使得非晶磁芯的受热均匀,实现均匀加热。但是这些方法有的会增加退火时间,有的对退火设备提出了较高较复杂的要求,不利于退火设备的广泛应用。
总之,虽然这些热处理工艺在均匀退火方面都有所改进,但也存在一些缺点,如实时监测温度或分段加热保温工艺周期长、能量损耗大。因此,需研发一种非晶合金的热处理方法,该热处理方法操作简单,可以改善温度分布的均匀性,降低矫顽力,抑制结晶,能够有效提高热处理工艺的生产效率,可以满足应用需求。为此,提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种非晶合金的热处理方法。本发明的热处理方法利用铜良好的导热性,调节合适的退火温度、退火时间以及合理的非晶合金/铜带卷厚度比例,可以抑制晶化,提高饱和磁感应强度,降低矫顽力,并可以缩短退火时间,进而提高热处理效率。
本发明的技术方案如下:
一种非晶合金的热处理方法,包括步骤如下:
设置一圆环状非晶合金铁芯;
在圆环状非晶合金铁芯的内侧空腔内设置铜带卷1,外周围绕圆环状非晶合金铁芯紧密缠绕有铜带卷2;
之后置于石英管中,抽真空,再将石英管置于升温至退火温度的退火炉中,进行保温;保温结束后,随炉冷却至563K~583K,之后水冷降温至室温,拆掉铜带卷1和铜带卷2,取出非晶合金铁芯。
根据本发明,优选的,所述非晶合金铁芯的内径为10mm,外径为14mm;所述铜带卷1和铜带卷2是由铜带材绕制而成,所述铜带材的厚度为0.1mm。
根据本发明,优选的,所述的铜带卷1和铜带卷2的高度与非晶合金铁芯的高度相同。
根据本发明,优选的,所述的非晶合金铁芯与铜带卷2的厚度比为2:2~5,进一步优选为2:3~4;所述铜带卷2通过点焊固定于非晶合金铁芯外周。
根据本发明,优选的,设置于非晶合金铁芯内侧空腔的铜带卷1为250mm长的铜带材卷绕而成,所述铜带卷1的内径为2mm,外径为10mm,铜带卷1层与层的间距为0.4~0.45mm,所述铜带卷1与非晶合金铁芯内侧接触,通过点焊固定。
根据本发明,优选的,所述的升温速率为100K~200K/min,退火温度为(Tx-85K)~(Tx-95K),进一步优选为Tx-90K,其中Tx为非晶合金的初始晶化温度。
根据本发明,优选的,所述保温时间为10~15min,进一步优选为15min。
本发明的技术特点及有益效果如下:
1、本发明非晶合金的热处理方法,将铜带卷置于非晶合金铁芯的两侧,利用铜辅助退火可以改善温度分布的均匀性,降低矫顽力,抑制结晶。本发明合理设计了非晶合金铁芯/外侧铜带卷的厚度比、退火温度及时间,考虑到样品内部热量的传递方式主要是热传导,将铜带卷置于非晶合金铁芯的内外两侧,使得样品整体的当量导热系数提高,强化传热,减小温差,提高了温度分布的均匀性,从而使得应力分布均匀,退火效率高,所得的铁芯具有较好的软磁性能。
2、本发明的非晶合金的热处理方法操作简单,热处理时间短,有效提高热处理工艺的生产效率,可以满足实际应用需求。
附图说明
图1为本发明铜带卷置于非晶合金铁芯内外两侧的示意图。
图2为实施例1及对比例2热处理后的铁芯不同位置矫顽力(Hc)分析图,其中左上角内插图为铁芯不同位置取点示意图。
图3为实施例1及对比例2热处理后的合金铁芯在50、100、200Hz下,不同磁通密度下的比总铁损变化曲线。
图4为实施例1及对比例2热处理后的铁芯在Bm=1T下,不同频率下的比总铁损变化曲线。
图5为实施例1及对比例2热处理后的铁芯在50Hz、1kHz下的交流磁化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但不限于此。
实施例中所用材料均为常规材料,可市场获得,所述方法如无特殊说明均为现有技术。
实施例1
一种非晶合金的热处理方法,包括步骤如下:
(1)选择牌号为1K101(Tx为783K)的商业非晶合金带材Fe80Si9B11,将宽度为5mm的带材用卷绕机绕制成外径14mm、内径10mm的环形非晶合金铁芯;
(2)选取与非晶合金带材等宽的铜带材(厚度0.1mm),均匀紧密的绕制在非晶合金铁芯外周形成铜带卷2,铜带卷2通过点焊固定于非晶合金铁芯外周,所述铜带卷2的层数是30层,对应的非晶合金铁芯与铜带卷2的厚度比为2:3;将250mm的铜带材(厚度0.1mm)卷绕成内径为2mm,外径为10mm的铜带卷1,铜带卷1的层间距为0.4-0.45mm,将铜带卷1置于非晶合金铁芯内侧空腔,并与非晶合金铁芯内侧接触,通过点焊固定;之后置于石英管中,抽真空至0.5Pa以下,保持真空;将真空退火炉以200K/min的升温速率升温至693K(Tx-90K),放入石英管,保温15min,保温结束后,随炉冷却至573K,之后从真空退火炉中取出,水冷降温至室温,拆掉铜带卷1和铜带卷2,取出非晶合金铁芯。
实施例2
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是非晶合金铁芯与外侧铜带卷2的厚度比为1:1。
实施例3
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是非晶合金铁芯与外侧铜带卷2的厚度比为1:2。
实施例4
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是保温时间为10min。
实施例5
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是退火温度为698K(TX-85K)。
实施例6
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是退火温度为688K(TX-95K)。
实施例7
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是退火温度为688K(TX-95K),非晶合金铁芯与外侧铜带卷2的厚度比为1:2。
对比例1
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是在非晶合金铁芯内外两侧不设置铜带卷。
对比例2
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是在非晶合金铁芯内外两侧不设置铜带卷,并且保温时间为40min。
对比例3
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是非晶合金铁芯与外侧铜带卷2的厚度比为2:1。
对比例4
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是保温时间为20min。
对比例5
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是保温时间为40min,非晶合金铁芯与外侧铜带卷2的厚度比为2:1。
对比例6
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是退火温度为683K(TX-100K)。
对比例7
一种非晶合金的热处理方法如实施例1所述,所不同的是退火温度为703K(TX-80K)。
试验例1
对实施例1~7及对比例1~7的样品进行直流参数和交流参数的检测。
对实施例1~7及对比例1~7退火后的铁芯绕上生料带,分别用0.62mm和0.31mm的漆包线绕制初级线圈和次级线圈,采用冲击法测量其直流测试参数(饱和磁感应强度—Bs、矫顽力—Hc、初始磁导率—μi)和交流测试参数(比总损耗—Ps、交流磁化曲线)。
实施例1~7及对比例1~7退火后的铁芯的μi、Bs、Hc数据如表1所示。
表1实施例1~7及对比例1~7退火后的铁芯的μi、Bs、Hc数据
从表1可以看出,本发明实施例退火处理后得到的非晶合金铁芯均具有较优的软磁性能,尤其是实施例1得到的非晶合金铁芯的饱和磁感应强度达到1.548T,并且其矫顽力最低,具有最优的软磁性能。对比例1与实施例相比,未加铜带卷进行退火处理,所得非晶合金铁芯的饱和磁感应强度较低,并且初始磁导率较低;对比例2未加铜带卷,进行常规热处理,所得铁芯虽然与本发明实施例所得铁芯性能相近,但是其热处理时间较长;对比例3退火处理中,铁芯与外侧铜带卷2的厚度比较大,所得铁芯软磁性能较差,尤其是其初始磁导率较低;对比例4中延长了反应时间,虽然所得铁芯的初始磁导率较高,但是其矫顽力变大,这是由于延长保温时间,非晶铁芯开始发生晶化,而导致矫顽力增加,软磁性能较低;对比例5中,铁芯与外侧铜带卷2的厚度比较大,并且反应时间延长,退火处理所得铁芯的饱和磁感应强度、初始磁导率降低,矫顽力急剧升高,软磁性能下降;对比例6降低了退火温度,造成退火不充分,铁芯内应力没有得到充分释放,所得铁芯的矫顽力较大;对比例7提高了退火温度,所得铁芯的饱和磁感应强度、初始磁导率降低,矫顽力急剧升高,这是由于升高保温温度时,非晶铁芯开始形成晶核发生晶化,而导致矫顽力增加。综上可以看出,合理的非晶/铜厚度比、保温温度及时间是获得高退火效率及好的软磁性能的重要因素。
将实施例1和对比例2热处理后的铁芯拆开,有间隔的选取5段不同位置的带材,测其矫顽力,最外层是位置1,最内层是位置5,5段带材之间的间隔相同。图2为实施例1和对比例2热处理后的非晶合金铁芯不同位置Hc的变化图,从图2中可以看出,与常规热处理工艺相比,本发明将铜带卷置于非晶合金铁芯两侧,使得样品整体的当量导热系数提高,考虑到热量的传递方式是热传导,从而使得铁芯的温差减小,促进其内应力分布的均匀,从而使得热处理后所得铁芯在不同位置的Hc均有明显下降趋势,并且不同位置的Hc相差不大,说明本发明的热处理方法有助于铁芯退火温度均匀化,使非晶合金铁芯在保温阶段不同位置的温差减小,促进其内应力分布的均匀;而对比例2热处理后的非晶合金铁芯不同位置的Hc相差比较大,应力分布不均匀。
图3为实施例1及对比例2热处理后的非晶合金铁芯在50、100、200Hz下,不同磁通密度下的比总铁损变化曲线,从图3中可以看出,两种退火制度下的铁芯比总损耗值相似,当测试频率f不变时,随着磁通密度的增加,合金铁芯的比总损耗值增大,但整体来看,在不同测试频率下,对比例2热处理后所得非晶合金铁芯的比总损耗值高于本发明实施例1热处理后所得非晶合金铁芯。
图4为实施例1及对比例2热处理后的铁芯Bm=1T下,不同频率下的比总铁损变化曲线,由图4可知,当磁感应强度Bm不变时,随着测试频率f的升高,合金磁芯的比总损耗值增大,在频率为50Hz、Bm=1T时,对比例2的铁芯比总损耗为0.209W/kg,实施例1铁芯比总损耗为0.1956W/kg。同样,在频率为1kHz、Bm=1T下,对比例2铁芯比总损耗为8.111W/kg,实施例1铁芯比总损耗为7.5W/kg,实施例1所得铁芯的比总损耗较低。
图5为实施例1及对比例2热处理后的铁芯在50Hz、1kHz下的交流磁化曲线,从图5中可以看出,其磁化曲线差别不大,且在f=50Hz和f=1kHz下的磁化曲线均为基本重合的现象,在f=1kHz,磁场为2000A/m时,对比例3的磁感应强度为1.528T,实施例3为1.539T,本发明实施例得到铁芯其性能还是略优于对比例所得铁芯。通过分析两种退火制度退火后的Fe80Si9B11非晶铁芯的交流磁性能进行分析可知,非晶铁芯覆铜退火的方法是有效的。
综上分析,在非晶铁芯退火的过程中,加铜能有效地控制其温度场的分布,使非晶合金铁芯在保温阶段不同位置的温差减小,促进其内应力分布的均匀,缩短退火时间,进而提高热处理效率。
以上所述仅为本申请的优选实施例,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非晶合金的热处理方法,包括步骤如下:
设置一圆环状非晶合金铁芯;
在圆环状非晶合金铁芯的内侧空腔内设置铜带卷1,外周围绕圆环状非晶合金铁芯紧密缠绕有铜带卷2;
之后置于石英管中,抽真空,再将石英管置于升温至退火温度的退火炉中,进行保温;保温结束后,随炉冷却至563K~583K,之后水冷降温至室温,拆掉铜带卷1和铜带卷2,取出非晶合金铁芯。
2.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述非晶合金铁芯的内径为10mm,外径为14mm。
3.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述铜带卷1和铜带卷2是由铜带材绕制而成,所述铜带材的厚度为0.1mm;所述的铜带卷1和铜带卷2的高度与非晶合金铁芯的高度相同。
4.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述的非晶合金铁芯与铜带卷2的厚度比为2:2~5;所述铜带卷2通过点焊固定于非晶合金铁芯外周。
5.根据权利要求4所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述的非晶合金铁芯与铜带卷2的厚度比为为2:3~4。
6.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,设置于非晶合金铁芯内侧的铜带卷1为250mm长的铜带材卷绕而成,所述铜带卷的内径为2mm,外径为10mm,铜带卷1层与层的间距为0.4-0.45mm,所述铜带卷1与非晶合金铁芯内侧接触,通过点焊固定。
7.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,升温速率为100K~200K/min。
8.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述退火温度为(Tx-85K)~(Tx-95K),其中Tx为非晶合金的初始晶化温度。
9.根据权利要求8所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述退火温度为Tx-90K,其中Tx为非晶合金的初始晶化温度。
10.根据权利要求1所述的非晶合金的热处理方法,其特征在于,所述保温时间为10~15min,优选为15min。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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