CN114411069A - 纳米晶合金的前体的宽的铁基非晶态合金 - Google Patents

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Abstract

一种宽度大于63.5mm，厚度在13到20微米之间，且具有由以下表达式表示的成分的铁基软磁合金：(Fe1‑aMa)100‑x‑y‑z‑p‑q‑rCuxSiyBzM'pM"qXr其中，M是Co和/或Ni，M'是从由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组合中选出的至少一种元素；M"是从由V、Cr、Mn、Al、铂系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re组成的组合中选出的至少一种元素；X是从由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As构成的组合中选出的至少一种元素；并且a、x、y、z、p、q和r分别满足0≤a≤0.5，0.1≤x≤3，0≤y≤30，1≤z≤25，5≤y+z≤30，0.1≤p≤30，q≤10和r≤10，合金至少50％结晶，平均颗粒尺寸为100nm以下。该合金具有低芯损耗、高磁导率和低磁致伸缩。

Description

纳米晶合金的前体的宽的铁基非晶态合金
本申请是2015年10月19日所提出的申请号为201510679506.4、发明名称为“纳米晶合金的前体的宽的铁基非晶态合金”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种宽度大于63.5mm的铁基纳米晶软磁合金带。铸造的非晶态合金被热处理以获得纳米晶结构。这种热处理带可以用在电流传感器、饱和感应器、变压器、磁屏蔽和各种其他的动力调节装置中。
背景技术
许多制造商，例如日立金属(Hitachi Metals)和瓦克华(Vacuumschmelze)销售最大宽度达到63.5mm的非晶态合金带，其是纳米晶合金的前体。当前的最大宽度受限于铸造技术，其导致了铸造期间磁性差，带的宽度上厚度变化大和缠绕性能差。
对电力电子器件中使用的纳米箔合金有巨大的需求。纳米晶带的低损耗特性使其适用于宽范围的高频率(千赫兹)变压器应用中。纳米晶带还用在阻流线圈中，以减少高频谐波。纳米晶带还可用在脉冲电源应用中。
纳米晶合金通过平流铸造工艺生产，其中融化的金属被输送到旋转淬火轮上，金属在大约106摄氏度每秒的冷却率下被迅速地冷却到非晶体状态。铸造带的优选厚度在13和20微米之间。旋转淬火轮的线速度通常在25和35m/s之间。带被连续地铸造并从淬火轮取出，且机械地传送到以相同速度运动大卷轴，在此处其被连续地缠绕。
传统的铁基完全非晶态合金通常用在变压器芯中，并且带的宽度为5.6”、6.7”和8.4”，厚度为25微米是可用的。这种厚度仅为13到20微米的纳米晶合金使得在超过63.5mm的宽度时难以抓住和缠绕带。较薄的带使其在高速度下难以机械地抓住带而不将其破坏，因此带不能连续地缠绕在卷轴上。
宽度方向上的厚度均匀性也限制了将带持续缠绕到卷轴上的能力。由于卷轴根据逐渐重叠的带的高低部分而建立，厚度变化可能会引起卷轴缠绕不佳。例如，包含宽度上具有大的厚度变化的带的卷轴在带较薄的位置会非常松，而在带较厚的位置会非常紧，导致带在缠绕期间容易断裂。
难以连续地缠绕带是较宽的纳米晶合金商业上不适用的一个原因。虽然有可能铸造带并且带在两个不同的阶段缠绕在卷轴上，但由于引入了许多可能减损软磁性能的折叠和皱纹进入带中，这是实际中的难点。还需要带的连续铸造和同步缠绕以减少生产带的成本，因为其消除了中间处理步骤。
完全非晶态带之后被热处理，进入纳米晶状态。名称为“铁基软磁合金及其制备方法”的美国专利No.4,881,989的内容通过引用而被结合，其公开了在热处理期间从非晶态铸造带到纳米晶合金的物理转变。
窄的可用宽度限制了在主要的小带绕芯材料中的应用。生产宽的高频变压器当前需要将多个窄的绕芯堆叠在一起。窄的带宽度也限制纳米晶带的生产率，其在许多应用中保持了带的过高成本。箔的厚度小于20微米会使缠绕大于63.5mm的带变得困难，并且这种更宽的带商业上不适用。
发明内容
鉴于当前技术的缺点，本发明的目的是提供一种厚度在13到20微米，宽度大于63.5mm的铁基前体带，其能够被热处理进入具有极好软磁特性的纳米晶状态，和提供一种制造宽于63.5mm的带的制造方法。
为了实现上述目的，本发明包含以下技术方案：
一种厚度在13到20微米之间且宽度大于63.5mm的铁基前体带，其能够被热处理进入纳米晶状态，其具有饱和磁感应大于1.15T且在1千赫兹下测试的初始磁导率大于75000的软磁特性。另外，生产宽于63.5mm的制造方法被公开。带厚度优选地在13到20微米之间，16到18微米之间更优选。宽度方向上的带厚度的均匀度优选地呈现小于整个带厚度的+/-15％的变化。25微米厚度的标准非晶态带可选用5.6”、6.7”和8.4”宽度。本发明的厚度在13到20微米的前体纳米晶带也可以以这些宽度被铸造。本发明的前体纳米晶带可以以从63.5mm到生产它的机器所允许的宽度的范围内被铸造。
宽的铁基软磁合金的成分具有由以下表达式表示的成分：(Fe1-aMa)100-x-y-z-p-q- rCuxSiyBzM'pM"qXr，其中，M是Co和/或Ni，M'是从由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组合中选出的至少一种元素；M"是从由V、Cr、Mn、Al、铂系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re组成的组合中选出的至少一种元素；X是从由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As组成的组合中选出的至少一种元素；并且a、x、y、z、p、q和r分别满足0≤a≤0.5，0.1≤x≤3，0≤y≤30，1≤z≤25，5≤y+z≤30，0.1≤p≤30，q≤10和r≤10，合金至少50％结晶，平均颗粒尺寸为100nm以下。宽的铁基软磁合金优选的成分满足：0≤a≤0.05，0.8≤x≤1.1，12≤y≤16，6≤z≤10，1≤p≤5，q≤1和r≤1。另外，宽的铁基软磁合金的优选成分中，M'为Nb或Mo。
合金优选地使用单辊淬火生产。在一个实施例中，合金使用平流熔融旋转(spinning)工艺生产，其中融化原材料发生在无芯感应熔炉中，产生均匀成分的熔融合金。熔化的金属被传送到保温炉，其使熔化的金属保温并通过陶瓷喷嘴将该液体连续地供应到旋转淬火轮上。淬火轮内部地被水冷却，以从带上除热。陶瓷喷嘴离旋转轮足够近，使得熔化的金属形成桥接喷嘴和轮的熔池。连续的带从熔化的金属熔池拉出，并且带在与轮接触时被迅速地冷却。
带的宽度方向上的厚度的均匀度取决于熔化的金属沿着陶瓷喷嘴的宽度方向均匀流动的能力。影响熔化的金属的流速的参数为喷嘴和轮之间的间隙间距，沿喷嘴的宽度的槽尺寸，以及熔炉和喷嘴之间的金属静压力。
在淬火轮处于室温的铸造工序开始到热量被传导到轮的稳定状态处理之间，淬火轮表面发生热变形。淬火轮的热变形引起喷嘴和轮之间的间隙间距的变化。陶瓷喷嘴在沿着宽度方向的各个位置被机械地钉住，以修改喷嘴的槽开口，在到达稳定状态之前的过度时期补偿轮的热变形。喷嘴槽在多个位置被机械钉住，维持熔化的金属的均匀流动和带宽度方向的均匀厚度。这允许带的宽度大于63.5mm。
带利用气流剥离机从轮机械地移除。带与淬火轮形成近似180度的包角，允许带冷却到250摄氏度以下。淬火表面在铸造期间被连续地抛光，以保持平均粗燥度Ra小于1微米的表面清洁。
在带从淬火轮被移除后，机械钉住、双向旋转刷系统捕捉带并将其送到缠绕卷轴上。然后刷系统将带传送到缠绕台，在那里其被传送到与旋转淬火轮相同速度运动的卷轴上。
带的厚度仅在13到20微米，使带在淬火轮和缠绕器之间传动期间容易机械地断裂。使用超细线丝的改良双刷系统用于在传送到缠绕器期间减少带的断裂。
缠绕器几何形状也被修改以使带在13到20微米之间行进。缠绕器必须以与淬火轮相同的速度移动，从而更好地使围绕缠绕器的气流最小化，防止任何不均匀的力施加在带上使其断裂。
附图说明
图1是本发明的铁基非晶态前体带的制造方法的示意图，其中1是感应熔炉，2是保温炉，3是旋转淬火轮，4是螺旋刷(thread up brush)和5是缠绕器和卷轴；
图2是本发明的使用喷嘴槽扩张(nozzle slot expansion)控制方法时带的宽度方向上的厚度变化的图；
图3是使用现有技术而不使喷嘴和铸造轮的热变形时带的宽度方向上的厚度变化的图。
具体实施方式
将结合附图和实施例进一步详细描述本发明。
对于铸造作为纳米晶带的前体的铁基非晶态合金的成分，原材料包含纯铁、硼铁、硅铁合金、铁铌合金和纯铜。这些原材料在优选地加热到1400摄氏度的感应熔炉中被融化，熔化的金属被保温和精炼，允许附带的杂质上升到熔化物的顶部，其可作为固态废渣被移除，如图1中步骤1所示。熔化的金属之后被传送到保温炉，如图1中步骤2所示。
熔化的金属从保温炉通过陶瓷铸造喷嘴以控制的恒定压力流速被输送。喷嘴到淬火轮距离优选地在150到300微米的距离。熔化的金属熔池(puddle)桥接了这个距离，且稳定的熔化的熔池被形成，从该熔池，金属凝固并且连续的带被铸造，如图1中步骤3所示。
带被从淬火轮移开并在螺旋刷中被捕获，如图1中步骤4所示。然后，带以淬火轮旋转的同步速度被转移到缠绕装置，如图1中步骤5所示。
推荐的铸造速度优选地在25和35m/s之间，28到30m/s之间更优选。带厚度优选地在13和20微米之间，16到18微米更优选。宽度方向上的带厚度均匀度优选地呈现小于整个带厚度的+/-15％的变化。图2显示在带的宽度方向上用1cm的基准件(anvil)每隔1cm测量到的铸造带的典型厚度。陶瓷喷嘴优选地在喷嘴宽度上的多个位置被机械地夹持，以控制喷嘴槽开口，从而其匹配淬火轮变形和维持平坦的带轮廓。图3显示当喷嘴没有被机械地夹持并且大的厚度变化发生在带宽度上的中心时的类似铸造带轮廓。
喷嘴也可以具有与匹配淬火轮形状的轮廓，以减少带轮廓变化。此处，喷嘴和轮之间的间隙高度间距被控制，以维持平坦的带轮廓。但是，由于增加了劳动且需要使喷嘴形成该形状的加工工艺，夹持喷嘴是优选的。
通过执行本技术方案，宽度大于63.5mm的铁基非晶态前体带可被热处理，进入具有极好软磁性能的纳米晶状态。图2中所示的带从142mm的母材料中被切割，从中心和从每个边以20mm的宽度切割且形成小的环形圈(toroid)，用于磁性测试。带在熔炉中在550摄氏度下被退火一个小时，以导致纳米晶状态。
表1显示在惰性气体炉中在550摄氏度下被退火后的三个环形圈的平均磁特性结果以及带边缘和中心部分之间的变化。在作用场800A/m的平均感应水平是1.2T，具有0.5T的变化。矫顽力是0.71A/m，具有0.25A/m的变化。当分别在1千赫兹(kHz)、10千赫兹和100千赫兹下测试时，磁导率是104000、75000和13000，具有10000、5000和3000的变化。
表1本发明的实施例的在铸造宽度方向上具有典型变化的纳米晶环形芯的磁特性。
Figure BDA0003480415630000051
表2显示本发明的实施例的化学成分的重量百分比、带宽度和带厚度。
表2本发明的实施例的带的化学成分、带宽度和带厚度。
合金化学成分 带宽度 带厚度
(wt％) (mm) (微米)
Fe83Si8.6B1.4Nb5.5Cu1.3 142 18
表3显示本发明的实施例的化学成分的重量百分比、带宽度和带厚度。
表3本发明的实施例的带的化学成分、带宽度和带厚度。
Figure BDA0003480415630000061
表4显示本发明的实施例的初始和次级阶段的化学成分和晶体化温度。典型地，在电子应用中，带被缠绕到环形芯或者被切割并堆叠成一定形状，且可能被胶合物浸渍。芯或堆叠的形状然后在初始结晶点之上但在次要结晶点以下的温度下被退火，以导致纳米晶阶段。
表4本发明的实施例的初始和次级阶段的带化学成分和晶体化温度。
Figure BDA0003480415630000062

Claims (7)

1.一种纳米晶合金的前体的铁基非晶态合金，其特征在于，成分为
(Fe1-aMa)100-x-y-z-p-q-rCuxSiyBzM'pM"qXr
其中，M是Co和/或Ni，M'是从由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组合中选出的至少一种元素；M"是从由V、Cr、Mn、Al、铂系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re组成的组合中选出的至少一种元素；X是从由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As组成的组合中选出的至少一种元素；并且a、x、y、z、p、q和r分别满足0≤a≤0.5，0.1≤x≤3，0≤y≤30，1≤z≤25，5≤y+z≤30，0.1≤p≤30，q≤10和r≤10；当退火以获得纳米晶结构时，利用单辊淬火制造宽度大于63.5mm，厚度在13到小于20μm的范围内，饱和磁感应大于1.15T的所述铁基非晶态合金，其中所述铁基非晶态合金的宽度方向上的厚度变化小于整个厚度的+/-15％。
2.如权利要求1所述的铁基非晶态合金，其特征在于，所述铁基非晶态合金具有两个晶体化活动或温度，且在第一晶体化温度和第二晶体化温度之间被退火时，产生具有结晶颗粒尺寸小于100nm的纳米晶合金。
3.如权利要求1所述的铁基非晶态合金，其特征在于，所述铁基非晶态合金被缠绕到环形芯，或者被切割并堆叠成一定形状。
4.如权利要求1所述的铁基非晶态合金，其特征在于，当所述铁基非晶态合金被缠绕到环形芯时，所述铁基非晶态合金用作饱和感应器、变压器和电流传感器，其宽度大于63.5mm。
5.一种纳米晶合金的前体的铁基非晶态合金，其特征在于，成分为
(Fe1-aMa)100-x-y-z-p-q-rCuxSiyBzM'pM"qXr
其中，M是Co和/或Ni，M'是从由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组合中选出的至少一种元素；M"是从由V、Cr、Mn、Al、铂系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re组成的组合中选出的至少一种元素；X是从由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As组成的组合中选出的至少一种元素；并且a、x、y、z、p、q和r分别满足0≤a≤0.5，0.1≤x≤3，0≤y≤30，1≤z≤25，5≤y+z≤30，0.1≤p≤30，q≤10和r≤10；
其中，所述铁基非晶态合金具有两个晶体化活动和温度，当在第一晶体化温度和第二晶体化温度之间被退火以获得结晶颗粒尺寸小于100nm的纳米晶合金时，宽度大于63.5mm，厚度在13到小于20μm的范围内，饱和磁感应大于1.15T，其中所述铁基非晶态合金的宽度方向上的厚度变化小于整个厚度的+/-15％。
6.一种制造纳米晶合金的前体的铁基非晶态合金的方法，其特征在于，成分为
(Fe1-aMa)100-x-y-z-p-q-rCuxSiyBzM'pM"qXr
其中，M是Co和/或Ni，M'是从由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo组成的组合中选出的至少一种元素；M"是从由V、Cr、Mn、Al、铂系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re组成的组合中选出的至少一种元素；X是从由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As组成的组合中选出的至少一种元素；并且a、x、y、z、p、q和r分别地满足0≤a≤0.5，0.1≤x≤3，0≤y≤30，1≤z≤25，5≤y+z≤30，0.1≤p≤30，q≤10和r≤10；所述方法包含：
使用单辊淬火；
其中，所述铁基非晶态合金的宽度大于63.5mm，厚度在13到小于20μm的范围内，饱和磁感应大于1.15T，并且所述铁基非晶态合金被退火以获得纳米晶结构，其中所述铁基非晶态合金的宽度方向上的厚度变化小于整个厚度的+/-15％。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铁基非晶态合金具有两个晶体化活动或温度，且在第一晶体化温度和第二晶体化温度之间被退火一定时间时，产生具有结晶颗粒尺寸小于100nm的纳米晶合金，所述一定时间为1小时。
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