本發(fā)明涉及鐵基非晶合金技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鐵基非晶合金。

背景技術(shù)：

鐵基非晶帶材是一種新型節(jié)能材料，一般采用快速急冷凝固生產(chǎn)工藝制備。與傳統(tǒng)硅鋼變壓器相比，鐵基非晶帶材用于變壓器鐵芯，磁化過程相當(dāng)容易，從而大幅度降低變壓器的空載損耗，若用于油浸變壓器還可減少co、so、nox等有害氣體的排放，被稱為21世紀(jì)的“綠色材料”。

目前，國內(nèi)外在非晶變壓器的制備過程中，普遍使用的均為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.56t左右的鐵基非晶帶材，與硅鋼接近2.0t的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度相比，鐵基非晶在制備變壓器時存在著體積增大的缺點。為了增強(qiáng)鐵基非晶材料在變壓器行業(yè)的競爭力，需開發(fā)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1.6t的鐵基非晶材料。

對于具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的非晶材料研發(fā)，已經(jīng)開展了很多年。最具有代表性的是美國allied-signal公司開發(fā)的一款牌號為metglas2605co的合金，這種合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.8t，但其合金中包含18％的co元素使其成本過高無法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。

日立公司在公開號為cn1721563a的中國專利中公開了一種fe-si-b-c合金，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.64t，但其公開的工藝條件中提到了在制備過程中通過吹含c氣體而控制帶材表面c元素含量分布的工藝，這將直接導(dǎo)致其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝條件難以控制，工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性無法保證。新日本制鐵公司在專利cn1356403a中公布了一種fe-si-b-p-c的合金，雖然其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.75t，但由于其fe含量過高非晶形成能力較差導(dǎo)致在其工業(yè)化生產(chǎn)中無法形成非晶態(tài)，帶材磁性能較差。

中國科學(xué)院寧波材料研究所在公開號為cn101840764a的中國專利中公布了一種fe-si-b-p-c合金，但其專利中使用的均為實驗室原材料制備非晶帶材，在其工業(yè)化過程中有以下問題：在此合金體系中添加了c元素，雖然c的添加能提高合金體系的非晶形成能力，但在工業(yè)化過程中，c元素的引入主要通過兩個途徑，一是使用生鐵，二是使用石墨，但這兩種原材料均不適用于非晶帶材的冶煉過程；生鐵雜質(zhì)含量過高過多引入會導(dǎo)致帶材在制備過程中晶化進(jìn)而影響磁性嫩；石墨熔點過高，在目前的冶煉過程中若使用石墨必須優(yōu)化或增加冶煉流程，使工業(yè)化生產(chǎn)難度增大。

從以上問題出發(fā)，本發(fā)明從合金成分優(yōu)化設(shè)計、熱處理工藝優(yōu)化方面入手，采用fesibp四元合金體系發(fā)明了具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗的適用于工業(yè)生產(chǎn)的鐵基非晶合金帶材。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵基非晶合金。

有鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N如式(ⅰ)所示的鐵基非晶合金，

feasibbcpd(ⅰ)；

其中，a、b、c與d分別表示對應(yīng)組分的原子百分含量；81.0≤a≤84.0，1.0≤b≤6.0，9.0≤c≤14.0，0.05≤d≤3，a+b+c+d＝100。

優(yōu)選的，所述b的原子百分含量為11.0≤c≤13.0。

優(yōu)選的，所述p的原子百分含量為1≤d≤3。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金中，83.0≤a≤84.0，3.0≤b≤6.0，9.0≤c≤13.0，1≤d≤3。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金中，81.5≤a≤82.5，b＝3.0，12.5≤c≤14.0，1≤d≤3。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度≥1.62t。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金的熱處理工藝在h2氣氛下進(jìn)行，保溫溫度為300～360℃，時間為60～120min，磁場強(qiáng)度為800～1400a/m。

優(yōu)選的，經(jīng)過熱處理后，所述鐵基非晶合金的矯頑力≤4a/m，鐵芯損耗≤0.18w/kg，激磁功率≤0.22va/kg。

優(yōu)選的，經(jīng)過熱處理后，所述鐵基非晶合金的寬度為100～200mm，厚度為23～28μm。

本申請還提供了所述的鐵基非晶合金在電力配電變壓器鐵芯中的應(yīng)用。

本申請?zhí)峁┝艘环N鐵基非晶合金，其具有如式feasibbcpd的鐵基非晶合金，其中，a、b、c與d分別表示對應(yīng)組分的原子百分含量；81.0≤a≤84.0，1.0≤b≤6.0，9.0≤c≤14.0，0.05≤d≤3，a+b+c+d＝100；本申請?zhí)峁┑蔫F基非晶合金中fe元素為鐵磁性元素，為鐵基非晶合金磁性的主要來源，高的fe含量是鐵基非晶合金帶材具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的重要保證；si和b是非晶形成元素，是形成非晶的必要條件；p同樣也為非晶形成元素，且p和fe具有較大的負(fù)的混合熱，其有利于提高合金系統(tǒng)過冷液相區(qū)的穩(wěn)定性，但會引入雜質(zhì)，因此，本申請通過添加上述元素并控制其含量，使鐵基非晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高。進(jìn)一步的，本申請通過在氫氣氣氛下進(jìn)行磁場熱處理，消除了鐵基非晶合金的磁性應(yīng)力，降低了矯頑力，提高了磁導(dǎo)率，最終獲得了磁性能優(yōu)良的鐵基非晶合金。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例與對比例制備態(tài)的xrd圖譜；

圖2為本發(fā)明實施例與對比例的熱處理后的帶面氧化情況；

圖3為本發(fā)明實施例與對比例的磁性能與熱處理溫度的關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實施例與對比例的50hz條件下的損耗曲線對比圖。

具體實施方式

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

為了得到具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵基非晶合金，本申請通過選擇適當(dāng)?shù)脑夭⒖刂破浜康玫搅艘环N鐵基非晶合金，具體的，所述鐵基非晶合金具體為一種如式(ⅰ)所示的鐵基非晶合金，

feasibbcpd(ⅰ)；

其中，a、b、c與d分別表示對應(yīng)組分的原子百分含量；81.0≤a≤84.0，1.0≤b≤6.0，9.0≤c≤14.0，0.05≤d≤3，a+b+c+d＝100。

本發(fā)明提供了一種具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的、低損耗的fesibp四元體系的鐵基非晶合金，進(jìn)一步的，在熱處理過程中通過使用氫氣氣氛，改善帶材氧化情況以及提高了帶材的磁性能。

具體的，在上述鐵基非晶合金中，所述fe元素為鐵磁性元素，為鐵基非晶合金帶材磁性的主要來源，高的fe含量是帶材具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值的重要保障；但過高的fe元素會導(dǎo)致合金的非晶形成能力下降，使工業(yè)生產(chǎn)難以實現(xiàn)。本申請中fe的原子百分含量為81.0≤a≤84.0，在具體實施例中，所述fe的原子百分含量為81.5～83，更具體的，所述fe的原子百分含量為81.5、82、82.5、83、83.5或84。

si和b元素為非晶形成元素，是合金系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)條件下能形成非晶的必要條件。si元素的原子百分含量為1.0～6.0，過低會導(dǎo)致非晶形成能力下降，且影響帶材的磁性能，過高會偏離共晶點同樣會降低非晶形成能力；在具體實施例中，si的含量為2.0～6.0，具體的，所述si的含量為2.0、3.0、4.0、5.0或6.0。b元素的范圍為9.0～14.0，小于9時，合金非晶形成能力偏低，大于14時，偏離共晶點，合金非晶形成能力降低；在具體實施例中，所述b的含量為11.0～13.0。

p元素與si、b元素一樣，同為非晶形成元素，且p和fe有較大的負(fù)的混合熱。p的添加有利于提高合金系統(tǒng)的過冷液相區(qū)的穩(wěn)定性，起非晶形成元素的作用。但在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，p元素的添加主要通過磷鐵實現(xiàn)，大量添加會在鋼水中引入大量雜質(zhì)，使鋼水質(zhì)量嚴(yán)重下降，一方面影響帶材的制備成功率，帶材無法形成非晶，另一方面也會影響帶材的磁性能，大量夾雜固化在帶材中，會在帶材內(nèi)部形成內(nèi)部缺陷及質(zhì)點，熱處理過程中對磁疇有釘軋作用，從而使帶材的磁性能惡化；當(dāng)p含量的添加小于0.05時，p元素在整個合金系統(tǒng)中是以微量元素的形式存在，無法起到提高合金系統(tǒng)過冷液相區(qū)的作用，也無法改善鐵基非晶帶材的磁性能。因此，本申請中p元素的范圍為0.05～3，一方面控制雜質(zhì)的引入，另一方面能提高整個合金系統(tǒng)的非晶形成能力；在某些具體實施例中，所述p的含量為1～3，更具體的，所述p的含量為1.0、2.0或3.0。本申請鐵基非晶合金中不可避免的含有雜質(zhì)元素。

在某些具體實施例中，所述鐵基非晶合金各組分的含量為：83.0≤a≤84.0，3.0≤b≤6.0，9.0≤c≤13.0，1≤d≤3；在某些具體實施例中，所述鐵基非晶合金各組分的含量為：81.5≤a≤82.5，b＝3.0，12.5≤c≤14.0，1≤d≤3。具有上述組分含量的鐵基非晶合金具有更好的磁性能。

本申請所述鐵基非晶合金的制備方法按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式制備得到，具體流程此處不進(jìn)行特別的贅述；但是在熱處理階段，本申請的熱處理工藝條件為：保護(hù)氣氛h2，保溫溫度為320～380℃，保溫時間為60～120min，磁場強(qiáng)度為800～1400a/m。

非晶、納米晶軟磁材料磁性能的影響因素除自身合金成分外，熱處理工藝也是一個關(guān)鍵因素，通過退火處理可以消除非晶磁性材料的應(yīng)力，降低矯頑力，提高磁導(dǎo)率，獲得優(yōu)良的磁性能。對于本發(fā)明而言，若采用常規(guī)帶材的氣氛條件進(jìn)行熱處理，會導(dǎo)致帶材表面氧化，進(jìn)而磁性惡化，故本發(fā)明純氫氣氣氛下進(jìn)行磁場熱處理，見附圖1對比。根據(jù)大量的實驗結(jié)果得出，經(jīng)過上述熱處理工藝的鐵基非晶合金帶材帶面無氧化，磁性能優(yōu)良。對于鐵基非晶帶材而言，其熱處理工藝除了氣氛條件外還主要包含三個參數(shù)：保溫溫度、保溫時間、磁場強(qiáng)度。首先對于保溫溫度必須低于晶化溫度，一旦高于晶化溫度，非晶帶材會發(fā)生晶化，磁性能急劇惡化，本發(fā)明所述合金的晶化溫度均小于500℃，在低于晶化溫度的前提下，合適的保溫溫度區(qū)間是非晶帶材獲得優(yōu)良磁性能的保障，根據(jù)本發(fā)明實施例的效果數(shù)據(jù)可知，帶材的鐵芯損耗、激磁功率與保溫溫度的關(guān)系是隨著保溫溫度的提高，此兩項參數(shù)有先降低后增大的趨勢。因此對于本發(fā)明而言，當(dāng)保溫溫度小于300℃或大于360℃時，都會出現(xiàn)性能惡化的現(xiàn)象，在300～360℃之間能獲得合格的磁性能。其次，對于保溫時間，其原理與保溫溫度相似，有一合適的時間區(qū)間，保溫時間過短或過長，均不能使本發(fā)明達(dá)到最優(yōu)的性能。最后，合適的磁場強(qiáng)度是材料磁化的必要保證；對非晶材料進(jìn)行磁場退火的主要原因是固定方向、固定強(qiáng)度的磁場促使材料的磁疇偏轉(zhuǎn)向磁場方向，降低材料的磁各向異性，優(yōu)化軟磁性能；對于本發(fā)明而言，當(dāng)磁場強(qiáng)度小于800a/m時，材料磁化過程不完全，無法達(dá)到最佳的效果，當(dāng)磁場強(qiáng)度＞1400a/m時，材料磁化完全，磁性能不會因磁場強(qiáng)度的增大而優(yōu)化，反而會增加熱處理過程的難度及成本。

因此，本申請?zhí)峁┑蔫F基非晶合金經(jīng)過熱處理后鐵芯損耗p≤0.1800w/kg，激磁功率pe≤0.2200va/kg，矯頑力hc≤4a/m。矯頑力為評價軟磁材料性能的一項重要指標(biāo)，矯頑力越小，軟磁性能越好。對于應(yīng)用于配電變壓器行業(yè)的非晶帶材而言，評價其磁性能的參數(shù)主要包含兩個參數(shù)：鐵芯損耗、激磁功率。此兩項參數(shù)越小，對后續(xù)鐵芯及變壓器的性能越好。

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明提供的鐵基非晶合金帶材進(jìn)行詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實施例的限制。

實施例

本發(fā)明按feasibbcpdmf的合金組成進(jìn)行配料，使用中頻冶煉爐將金屬原材料重熔，所述熔煉的溫度為1300～1500℃，時間為80～120min；在熔煉之后，將熔煉后的熔液升溫保溫后采用單輥快淬，而得到了寬度為142mm，厚度為23～28μm的鐵基非晶寬帶，所述升溫的溫度為1350～1470℃，所述保溫的時間為20～50min。表1中列舉了本發(fā)明例與對比例的合金成分、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、1.35t/50hz條件下的激磁功率及鐵芯損耗數(shù)據(jù)；其中實施例1～10為本發(fā)明例，對比例11～15為對比例。

表1實施例與對比例的組分與性能數(shù)據(jù)表

備注：a：表1中磁性能為各發(fā)明例在最佳的保溫溫度及保溫時間點熱處理得到的磁性能。

b：表1中熱處理范圍指的是各實施例在此溫度范圍及時間范圍處理可得到穩(wěn)定的磁性能，即pe與p的波動在最佳性能值±0.01范圍內(nèi)。

由表1可知，符合本發(fā)明實施例的合金成分均能獲得較好的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，數(shù)值不小于1.62t，超過目前電力變壓器常規(guī)使用的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.56t的常規(guī)鐵基非晶材料(對比例13)。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的提高可進(jìn)一步優(yōu)化變壓器鐵芯的設(shè)計，降低變壓器的體積，減少成本；還可以看出，符合本發(fā)明實施例的合金成分均能制備出完全非晶的帶材，符合本發(fā)明實施例的合金成分具有較好的磁性能，在50hz，1.35t的條件下，熱處理后的鐵芯的激磁功率≤0.2200va/kg、鐵芯損耗≤0.1800w/g，與常規(guī)非晶材料(對比例13)相比，達(dá)到了使用要求。

結(jié)合表1及附圖1(從實施例1～10與對比例11)可以看出，過量添加p的合金成分會導(dǎo)致帶材出現(xiàn)晶化的現(xiàn)象，主要是由于工業(yè)制備的磷鐵雜質(zhì)含量過高，當(dāng)p元素添加＞3時，會引入過量的雜質(zhì)，使本發(fā)明在實際工業(yè)生產(chǎn)中無法制備出完全非晶的帶材。從實施例1～10與對比例12可以看出，當(dāng)fe含量過高時，合金的非晶形成能力較差，帶材會出現(xiàn)晶化的現(xiàn)象。

結(jié)合表1及附圖2(從實施例1～10與比較例13、比較例14、15對比，附圖2中左圖為氫氣氣氛處理的鐵基非晶合金，右圖為氬氣氣氛處理的鐵基非晶合金)可以看出，本發(fā)明例只有使用氫氣氣氛才能在熱處理后不出現(xiàn)氧化情況，比較例14、15使用純氬氣處理，表面出現(xiàn)氧化(發(fā)藍(lán))情況，且磁性能惡化相當(dāng)嚴(yán)重。

附圖3說明了本發(fā)明合金在較寬的溫度范圍內(nèi)，至少20℃，均有穩(wěn)定的磁性能，即pe與p的波動在±0.01范圍內(nèi)；與常規(guī)1.56t的非晶帶材相比，其最佳熱處理溫度偏低至少20℃，可以降低對熱處理設(shè)備的溫控要求，增加熱處理設(shè)備的使用壽命，間接降低熱處理過程的成本。

附圖4說明本發(fā)明合金與常規(guī)鐵基非晶對比，在較高的工作磁密條件下有較好的性能優(yōu)勢；也就是說，由本發(fā)明合金成分制備的鐵基非晶材料制備的鐵芯及變壓器可在更高的工作磁密條件下運行。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。