CN115602403B - 一种Fe基中高频非晶纳米晶带材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe基中高频非晶纳米晶带材，采用非晶纳米晶材料，应用于磁场强度0.1T—1.4T，频率400Hz—100kHz的中高频变压器，至少有一面具有多个激光照射刻痕，激光刻痕间距1mm—60mm，激光刻痕光束直径在0.1—0.5mm，激光斑点间距0.1mm—0.3mm。通过激光刻痕加工，将带材的磁畴宽度a1设定为原带材磁畴宽度a0的1/10—1/3，且通过S3步骤得出磁畴宽度a1后，根据以下公式确定激光刻痕间距：d*a＝μ/logf。本发明所述的Fe基中高频非晶纳米晶带材及其制备方法，采用创新的激光刻痕间距确定方法与退火工艺，能够迅速确定最佳的激光刻痕工艺参数和退火工艺，提升带材的中高频性能，降低30％—50％的损耗，制造出性能更优的非晶纳米晶带材及器件。
Description
技术领域
本发明属于磁性功能材料领域，具体涉及一种在中频或者高频电力电机电子器件，降低损耗的Fe基中高频非晶纳米晶带材及其制备方法。
背景技术
Fe基非晶纳米晶带材因其具有极高的磁导率和极低的中高频损耗，在中频或者高频电力电机电子器件中，具有广泛的应用场景，正在逐步得到普及。譬如应用频率400—100kHz的非晶纳米晶电机、应用频率1kHz的中频逆变直流点焊机变压器、应用频率16kHz的光伏逆变器变压器、应用频率20kHz的三相绕组高频变压器。Fe基非晶纳米晶带材主要包含以下两种：
1)含有Fe、Si、B和杂质，在将Fe、Si和B的总含量设为100原子％的情况下，Fe的含量为78原子％以上，B和Si的总含量为17原子％～22原子％，代表性成分有FeSiB(牌号1k101),FeSiBC(牌号1k102)等。
2)含有Fe，Si，B和过渡族金属元素，杂质，Fe的含量为78原子％以上，过渡族金属元素包含Cu，Nb，Zr，V，Ti、Ta、Hf、V、W、Mo、Mn、Cr、Zn等一种或者几种，代表性成分有FeSiBCuNb(牌号1k107)等。
以上两种成分带材厚度10—30um，具有较低的铁损和激磁功率。根据软磁材料的损耗理论，软磁材料的损耗分为磁滞损耗和涡流损耗，对于10—30um的薄带，涡流损耗占据损耗的主要成分，而薄带涡流损耗的主要影响因素为材料电阻率，带材厚度和磁畴。因此改善薄带的磁畴能有效的改善带材的软磁性能。改善软磁材料的磁畴方法包括激光刻痕，等离子体刻痕，机械刻痕等方法，由于非晶纳米晶带材的薄和易受应力影响，因此，激光刻痕成为改善非晶纳米晶带材的优选方法。
在日本特开昭61—29103号公报，国际公开第2011/030907号，国际公开第2012/102379号，CN 111801748 A专利中，日立金属公开了一种激光刻痕改善Fe基非晶带材50/60Hz磁性能的方法，采用激光对Fe基非晶合金(主要成分FeSiB的1k101非晶带材)的表面进行局部融化。形成一种在自由面有波状凹凸、波状凹凸，具有沿着长度方向以大致固定间隔排列的宽度方向谷部、上述谷部的平均振幅D为20mm以下的急冷Fe基软磁性合金薄带。然后再对非晶带材退火，改善非晶合金的铁损和激磁功率。此非晶带材在50/60Hz的配电变压器中具有极低的铁损和激磁功率。
然而对于400Hz—20kHz的中高频变压器或者电机来说，如果采用以上工艺，效果不佳，原因有以下两点：
1)日立金属推荐10—60mm激光刻痕间隔对1.2—1.45T，50/60Hz下的工频变压器效果极好，对0.1—1.4T，400Hz—100kHz的中高频变压器来说，因为应用场景要求不同而导致需要的带材成分规格不一样(配电变压器主要用142-213mm宽度的FeSiB非晶带材，中高频电力电机电子器件使用1-120mm宽度的FeSiB,FeCoSiB,FeSiBCuNb等成分的非晶纳米晶带材)，不同激励条件下带材的磁畴结构不一样，因此产生的效果就不一样，日立金属最优推荐的20mm间宽，在1T，1kHz下激励下，FeSiB带材磁性能几乎没有相对原带材的变化，而对于FeCoSiB,FeSiBCuNb等其他成分的非晶纳米晶带材，日立金属推荐的工艺也没有效果；
2)热处理等后续工艺的影响，对工频变压器而言的热处理工艺可有效降低带材的铁损和激磁功率，但对中高频电机和电力电子变压器同样的宽度和刻痕密度效果不佳，特别是对需要520—620℃纳米晶化热处理的纳米晶带材。
因此亟待设计针对中高频工作条件下Fe基非晶纳米晶带材及其加工工艺。
发明内容
针对现有技术所存在的上述不足，本发明的目的是提供一种Fe基中高频非晶纳米晶带材及其制备方法，能够制造出励磁功率小、具备超高性能的中高频非晶纳米晶带材。
为了实现上述目的，本发明提供一种Fe基中高频非晶纳米晶带材，采用铁硅硼材料，应用于磁场强度0.1T—1.4T(T为特斯拉)，频率400Hz—100kHz的中高频变压器，至少有一面具有多个激光照射刻痕，激光刻痕间距1mm—60mm，激光刻痕光束直径在0.1—0.5mm，激光斑点间距0.1mm—0.3mm。
制备上述Fe基中高频非晶纳米晶带材的方法，首先需要确定中高频变压器使用条件：磁场强度0.1T—1.4T，频率400Hz—100kHz；
然后，在上述磁场强度、频率下，采用工具确定带材原料的磁畴结构，确定在该磁场激励下原始带材的磁畴宽度a0；
再次，通过激光刻痕加工，将带材的磁畴宽度a1设定为原带材磁畴宽度a0的1/10—1/3，且通过S3步骤得出磁畴宽度a1后，根据以下公式确定激光刻痕间距：d*a＝μ/logf，其中d为刻痕间距，a为磁畴宽度，μ为带材本身特性参数，f为工作频率；
再然后，进行激光刻痕加工，激光刻痕光束直径在0.1mm—0.5mm，波长采用采用900—1100nm，激光输出在1.5mJ/mm2—4mJ/mm2，激光在非晶纳米晶带材照射形成有规律的波状凹凸点，激光斑点间距0.1mm—0.3mm；
最后，进行退火处理，带材为FeSiB，FeCoSiB等非晶带材时，采用微纳米晶化的退火温度385—400℃，持续1小时；带材为FeSiBCuNb，FeZrB,FeSiBCuP等纳米晶带材时，采用全部纳米晶化的退火温度520—620℃，持续1—2小时；获得超高性能的中高频非晶纳米晶带材。
本发明的有益效果：
本发明所述的Fe基中高频非晶纳米晶带材及其制备方法，采用创新的激光刻痕间距确定方法与退火工艺，能够迅速确定最佳的激光刻痕工艺参数和退火工艺，提升带材的中高频性能，降低30％—50％的损耗，制造出性能更优的非晶纳米晶带材及器件。
附图说明
图1为带材原料在激光刻痕处理前后的磁畴分布示意图；
图2为带材原料在不同频率下的磁畴分布示意图；
图3为激光刻痕加工后的Fe基非晶合金材料的结构示意图及激光斑点布局放大图；
图4为表示王冠状的激光照射痕的的激光斑点排布示意图；
图5为表示甜甜圈状的激光照射痕的的激光斑点排布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。
一种Fe基中高频非晶纳米晶带材，采用铁硅硼等非晶纳米晶材料，应用于磁场强度0.1T—1.4T，T为特斯拉，频率400Hz—100kHz的中高频变压器，至少有一面具有多个激光照射刻痕，激光刻痕间距1mm—60mm，激光刻痕光束直径在0.1—0.5mm，激光斑点间距0.1mm—0.3mm。
相应地，提供一种Fe基中高频非晶纳米晶带材制备方法，包括以下步骤：
第一步，确定中高频电机和电力电子变压器使用条件：磁场强度0.1T—1.4T，频率400Hz—100kHz(T为特斯拉)，
第二步，在上述磁场强度、频率下，采用磁场相机、磁光克尔显微镜，粉纹法等磁畴观察方法确定带材原料的磁畴结构，确定在该磁场激励下原始带材的磁畴宽度a0；
第三步，通过激光刻痕加工，将带材的磁畴宽度a1设定为原带材磁畴宽度a0的1/10—1/3，优选的，将带材的磁畴宽度a1设定为原带材磁畴宽度a0的1/5。
第四步，通过S3步骤得出磁畴宽度a1后，根据以下公式确定激光刻痕间距：
d*a＝μ/logf，
其中d为刻痕间距，a为磁畴宽度，μ为带材本身特性参数，f为工作频率；刻痕间距范围为1mm—60mm，优选为2mm—30mm。
第五步，进行激光刻痕加工，激光刻痕光束直径在0.1mm—0.5mm，波长采用采用900—1100nm，激光输出在1.5mJ/mm2—4mJ/mm2，激光在非晶纳米晶带材照射形成有规律的波状凹凸点，激光斑点间距0.1mm—0.3mm；
第六步，进行退火处理，带材为FeSiB等非晶带材时，采用微纳米晶化的退火温度385—400℃，持续1小时；带材为FeSiBCuNb等纳米晶带材时，采用全部纳米晶化的退火温度520—620℃，持续1—2小时；
最后，获得超高性能的中高频非晶纳米晶带材。
本发明的单位说明：
T：特斯拉，国际单位制中磁感应强度的单位。简称特，符号是T。将带有1A恒定电流的直长导线垂直放在均匀磁场中，若导线每米长度上受到1N的力，则该均匀磁场的磁感应强度定义为1T；
Hz，国际单位制中频率的单位，它是每秒钟的周期性变动重复次数的计量；
本发明的工作原理：
本发明所述的Fe基中高频非晶纳米晶带材，用于高性能电机和电子变压器，磁场强度0.1T—1.4T，频率400Hz—100kHz。通过本发明的方法，如说明书附图1所示，磁畴是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，通过激光刻痕，可以改善薄带的磁畴，从而能有效的改善带材的软磁性能。
一般激光刻痕间距设定原则：20mm间距下，磁畴宽度为原来的1/3，2mm刻痕间距下，磁畴宽度为原带材的1/10，本公司通过研究发现，刻痕间距与磁畴宽度成反比关系，得出刻痕间距*磁畴宽度＝常数，常数与带材本身特性参数μ和工作频率f有关。
如说明书附图2所示，频率越高，原始带材的磁畴宽度越细，根据设定的频率，如果我们采用某刻痕间距，那么刻痕带材的磁畴宽度将为原带材的磁畴的宽度的1/10—1/3之间。由于磁畴宽度不能无限细化，过分细化会导致激磁功率的上升，一般以该激励磁场和频率下，经过刻痕的磁畴宽度在原带材磁畴宽度1/5附近为优，其次1/3—1/10，根据d*a＝μ/logf公式容易计算出最佳刻痕间距。
如说明书附图3所示，根据公司实验，采用900—1100nm激光按最佳刻痕间距处理非晶纳米晶带材，优选的刻痕间距在1mm—60mm间，最优刻痕间距在2mm—30mm之间，图4、5所示，激光在非晶纳米晶带材照射形成有规律的波状凹凸点。非晶合金是亚稳态金属材料，在一定的温度下会发生老化或转变为完全晶态合金，丧失非晶态的优异性能。对特定成分的非晶合金选择合适的温度和热处理工艺时，在晶化温度以上进行特定热处理，可以形成晶粒尺寸为10nm—20nm的纳米晶合金，纳米晶合金与非晶相比而言具有优良的磁特性。本发明为了耐受Fe基非晶带材纳米晶化退火热处理，采用较低的激光斑点间隔(0.1mm—0.3mm)，激光斑点为重叠状态，通过纳米晶化，使材料激磁功率下降，性能得到优化。
采用上述加工方法的实施例1：
采用FeSiBCuNb纳米晶带材原料，激光刻痕间隔5mm，215um宽度磁畴变成75um宽度磁畴，在磁场强度0.5T、频率20kHz的损耗由18.9W/kg，降低到9.2W/kg，降低50％。
采用上述加工方法的实施例2：
采用FeSiB非晶带材，激光刻痕间隔10mm刻痕工艺下，在磁场强度1T、频率400Hz，损耗由1.64W/kg，降低到1.08W/kg；激光刻痕间隔2mm，损耗由3.93W/kg降低到2.54W/kg，降低30—40％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种Fe基中高频非晶纳米晶带材制备方法，
所述Fe基中高频非晶纳米晶带材采用非晶纳米晶材料，所述非晶纳米晶材料组分包括FeB、Nb、Cu、Zr、Mo、Co、Si、P；应用于磁场强度0.1 T—1.4T，T为特斯拉，频率400Hz—100kHz的中高频电机和电力电子变压器，至少有一面具有多个激光照射刻痕，激光刻痕间距1mm—60mm，激光刻痕光束直径在0.1—0.5mm，激光斑点间距0.1mm—0.3mm，
其特征在于：包括以下步骤：
S1.确定中高频变压器使用条件：磁场强度0.1 T—1.4T，频率400Hz—100kHz；T为特斯拉，
S2.在上述磁场强度、频率下，采用工具确定带材原料的磁畴结构，确定在该磁场激励下原始带材的磁畴宽度a0；
S3.通过激光刻痕加工，将带材的磁畴宽度a1设定为原带材磁畴宽度a0的1/10—1/3，
S4.通过S3步骤得出磁畴宽度a1后，根据以下公式确定激光刻痕间距：
d* a=μ/logf，
其中d为刻痕间距，a为磁畴宽度，μ为带材本身特性参数，f为工作频率；
S5.进行激光刻痕加工，激光刻痕光束直径在0.1 mm—0.5mm，波长采用900—1100nm，激光输出在1.5 mJ/mm2—4mJ/mm2，激光在非晶纳米晶带材照射形成有规律的波状凹凸点，激光斑点间距0.1mm—0.3mm；
S6.进行退火处理，带材为FeSiB，FeCoSiB非晶带材时，采用微纳米晶化的退火温度385—400℃，持续1小时；带材为FeSiBCuNb,FeZrB,FeSiBCuP纳米晶带材之一时，采用全部纳米晶化的退火温度520—620℃，持续1—2小时；
S7.处理后获得超高性能的中高频非晶纳米晶带材。
2.根据权利要求1所述的一种Fe基中高频非晶纳米晶带材制备方法，其特征在于：S2步骤中，测量工具包括以下之一：磁场相机、磁光克尔显微镜、粉纹法观测磁畴设备。
3.根据权利要求1所述的一种Fe基中高频非晶纳米晶带材制备方法，其特征在于：S3步骤中，将带材的磁畴宽度a1设定为原带材磁畴宽度a0的1/5。
4.根据权利要求1所述的一种Fe基中高频非晶纳米晶带材制备方法，其特征在于：S4步骤中，刻痕间距范围为1mm—60mm。
5.根据权利要求1所述的一种Fe基中高频非晶纳米晶带材制备方法，其特征在于：S4步骤中，刻痕间距范围为2mm—30mm。
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