納米晶合金的前體的寬的鐵基非晶態(tài)合金的制作方法
【專利摘要】一種寬度大于63.5mm，厚度在13到20微米之間，且具有由以下表達(dá)式表示的成分的鐵基軟磁合金：(Fe1-aMa)100-x-y-z-p-q-rCuxSiyBzM'pM"qXr其中，M是Co和/或Ni，M'是從由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo組成的組合中選出的至少一種元素；M"是從由V、Cr、Mn、Al、鉑系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re組成的組合中選出的至少一種元素；X是從由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As構(gòu)成的組合中選出的至少一種元素；并且a、x、y、z、p、q和r分別滿足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％結(jié)晶，平均顆粒尺寸為100nm以下。該合金具有低芯損耗、高磁導(dǎo)率和低磁致伸縮。
【專利說明】
納米晶合金的前體的寬的鐵基非晶態(tài)合金
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬度大于63. 5mm的鐵基納米晶軟磁合金帶。鑄造的非晶態(tài)合金 被熱處理以獲得納米晶結(jié)構(gòu)。這種熱處理帶可以用在電流傳感器、飽和感應(yīng)器、變壓器、磁 屏蔽和各種其他的動力調(diào)節(jié)裝置中。
【背景技術(shù)】
[0002] 許多制造商，例如日立金屬（Hitachi Metals)和瓦克華（Vacuumschmelze)銷售 最大寬度達(dá)到63. 5_的非晶態(tài)合金帶，其是納米晶合金的前體。當(dāng)前的最大寬度受限于鑄 造技術(shù)，其導(dǎo)致了鑄造期間磁性差，帶的寬度上厚度變化大和纏繞性能差。
[0003] 對電力電子器件中使用的納米箱合金有巨大的需求。納米晶帶的低損耗特性使其 適用于寬范圍的高頻率（千赫茲）變壓器應(yīng)用中。納米晶帶還用在阻流線圈中，以減少高 頻諧波。納米晶帶還可用在脈沖電源應(yīng)用中。
[0004] 納米晶合金通過平流鑄造工藝生產(chǎn)，其中融化的金屬被輸送到旋轉(zhuǎn)淬火輪上，金 屬在大約IO 6攝氏度每秒的冷卻率下被迅速地冷卻到非晶體狀態(tài)。鑄造帶的優(yōu)選厚度在13 和20微米之間。旋轉(zhuǎn)淬火輪的線速度通常在25和35m/s之間。帶被連續(xù)地鑄造并從淬火 輪取出，且機(jī)械地傳送到以相同速度運(yùn)動大卷軸，在此處其被連續(xù)地纏繞。
[0005] 傳統(tǒng)的鐵基完全非晶態(tài)合金通常用在變壓器芯中，并且?guī)У膶挾葹?. 6"、6. 7" 和8. 4"，厚度為25微米是可用的。這種厚度僅為13到20微米的納米晶合金使得在超過 63. 5mm的寬度時難以抓住和纏繞帶。較薄的帶使其在高速度下難以機(jī)械地抓住帶而不將其 破壞，因此帶不能連續(xù)地纏繞在卷軸上。
[0006] 寬度方向上的厚度均勻性也限制了將帶持續(xù)纏繞到卷軸上的能力。由于卷軸根據(jù) 逐漸重疊的帶的高低部分而建立，厚度變化可能會引起卷軸纏繞不佳。例如，包含寬度上具 有大的厚度變化的帶的卷軸在帶較薄的位置會非常松，而在帶較厚的位置會非常緊，導(dǎo)致 帶在纏繞期間容易斷裂。
[0007] 難以連續(xù)地纏繞帶是較寬的納米晶合金商業(yè)上不適用的一個原因。雖然有可能鑄 造帶并且?guī)г趦蓚€不同的階段纏繞在卷軸上，但由于引入了許多可能減損軟磁性能的折疊 和皺紋進(jìn)入帶中，這是實際中的難點。還需要帶的連續(xù)鑄造和同步纏繞以減少生產(chǎn)帶的成 本，因為其消除了中間處理步驟。
[0008] 完全非晶態(tài)帶之后被熱處理，進(jìn)入納米晶狀態(tài)。名稱為"鐵基軟磁合金及其制備方 法"的美國專利No. 4, 881，989的內(nèi)容通過引用而被結(jié)合，其公開了在熱處理期間從非晶態(tài) 鑄造帶到納米晶合金的物理轉(zhuǎn)變。
[0009] 窄的可用寬度限制了在主要的小帶繞芯材料中的應(yīng)用。生產(chǎn)寬的高頻變壓器當(dāng)前 需要將多個窄的繞芯堆疊在一起。窄的帶寬度也限制納米晶帶的生產(chǎn)率，其在許多應(yīng)用中 保持了帶的過高成本。箱的厚度小于20微米會使纏繞大于63. 5mm的帶變得困難，并且這 種更寬的帶商業(yè)上不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 鑒于當(dāng)前技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種厚度在13到20微米，寬度大于 63. 5mm的鐵基前體帶，其能夠被熱處理進(jìn)入具有極好軟磁特性的納米晶狀態(tài)，和提供一種 制造寬于63. 5mm的帶的制造方法。
[0011] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包含以下技術(shù)方案：
[0012] -種厚度在13到20微米之間且寬度大于63. 5mm的鐵基前體帶，其能夠被熱處理 進(jìn)入納米晶狀態(tài)，其具有飽和磁通密度大于I. 15T且在1千赫茲下測試的初始磁導(dǎo)率大于 75000的軟磁特性。另外，生產(chǎn)寬于63. 5mm的制造方法被公開。帶厚度優(yōu)選地在13到20 微米之間，16到18微米之間更優(yōu)選。寬度方向上的帶厚度的均勻度優(yōu)選地呈現(xiàn)小于整個帶 厚度的+/-15%的變化。25微米厚度的標(biāo)準(zhǔn)非晶態(tài)帶可選用5. 6"、6. 7"和8. 4"寬度。本 發(fā)明的厚度在13到20微米的前體納米晶帶也可以以這些寬度被鑄造。本發(fā)明的前體納米 晶帶可以以從63. 5mm到生產(chǎn)它的機(jī)器所允許的寬度的范圍內(nèi)被鑄造。
[0013] 寬的鐵基軟磁合金的成分具有由以下表達(dá)式表不的成分：(Fe1 aMa) 1Q。x y z p q J^CuxS iyBzM'pM〃 qXr，其中，M是Co和/或Ni，M'是從由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo組成的組合中選 出的至少一種元素；M〃是從由￥、0、]\111、41、鉬系元素、5(3、￥、稀土元素、411、211、511和1^組成 的組合中選出的至少一種元素；X是從由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As組成的組合中選出的 至少一種元素；并且 a、X、y、z、p、q 和 r 分別滿足 0 < a < 0· 5,0· I < X < 3,0 < y < 30， 1彡z彡25,5彡y+z彡30,0· 1彡p彡30, q彡10和r彡10,合金至少50%結(jié)晶，平均顆 粒尺寸為IOOnm以下。寬的鐵基軟磁合金優(yōu)選的成分滿足：0彡a彡0. 05,0. 8彡X彡1. 1， 12彡y彡16,6彡z彡10,1彡p彡5, q彡1和r彡1。另外，寬的鐵基軟磁合金的優(yōu)選成 分中，M'為Nb或Mo。
[0014] 合金優(yōu)選地使用單輥淬火生產(chǎn)。在一個實施例中，合金使用平流熔融旋轉(zhuǎn) (spinning)工藝生產(chǎn)，其中融化原材料發(fā)生在無芯感應(yīng)恪爐中，產(chǎn)生均勾成分的恪融合金。 熔化的金屬被傳送到保溫爐，其使熔化的金屬保溫并通過陶瓷噴嘴將該液體連續(xù)地供應(yīng)到 旋轉(zhuǎn)淬火輪上。淬火輪內(nèi)部地被水冷卻，以從帶上除熱。陶瓷噴嘴離旋轉(zhuǎn)輪足夠近，使得熔 化的金屬形成橋接噴嘴和輪的熔池。連續(xù)的帶從熔化的金屬熔池拉出，并且?guī)г谂c輪接觸 時被迅速地冷卻。
[0015] 帶的寬度方向上的厚度的均勻度取決于熔化的金屬沿著陶瓷噴嘴的寬度方向均 勻流動的能力。影響熔化的金屬的流速的參數(shù)為噴嘴和輪之間的間隙間距，沿噴嘴的寬度 的槽尺寸，以及熔爐和噴嘴之間的金屬靜壓力。
[0016] 在淬火輪處于室溫的鑄造工序開始到熱量被傳導(dǎo)到輪的穩(wěn)定狀態(tài)處理之間，淬火 輪表面發(fā)生熱變形。淬火輪的熱變形引起噴嘴和輪之間的間隙間距的變化。陶瓷噴嘴在沿 著寬度方向的各個位置被機(jī)械地釘住，以修改噴嘴的槽開口，在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)之前的過度 時期補(bǔ)償輪的熱變形。噴嘴槽在多個位置被機(jī)械釘住，維持熔化的金屬的均勻流動和帶寬 度方向的均勻厚度。這允許帶的寬度大于63. 5_。
[0017] 帶利用氣流剝離機(jī)從輪機(jī)械地移除。帶與淬火輪形成近似180度的包角，允許帶 冷卻到250攝氏度以下。淬火表面在鑄造期間被連續(xù)地拋光，以保持平均粗燥度Ra小于1 微米的表面清潔。
[0018] 在帶從淬火輪被移除后，機(jī)械釘住、雙向旋轉(zhuǎn)刷系統(tǒng)捕捉帶并將其送到纏繞卷軸 上。然后刷系統(tǒng)將帶傳送到纏繞臺，在那里其被傳送到與旋轉(zhuǎn)淬火輪相同速度運(yùn)動的卷軸 上。
[0019] 帶的厚度僅在13到20微米，使帶在淬火輪和纏繞器之間傳動期間容易機(jī)械地斷 裂。使用超細(xì)線絲的改良雙刷系統(tǒng)用于在傳送到纏繞器期間減少帶的斷裂。
[0020] 纏繞器幾何形狀也被修改以使帶在13到20微米之間行進(jìn)。纏繞器必須以與淬火 輪相同的速度移動，從而更好地使圍繞纏繞器的氣流最小化，防止任何不均勻的力施加在 帶上使其斷裂。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的鐵基非晶態(tài)前體帶的制造方法的示意圖，其中1是感應(yīng)熔爐，2是 保溫爐，3是旋轉(zhuǎn)淬火輪，4是螺旋刷（thread up brush)和5是纏繞器和卷軸；
[0022] 圖2是本發(fā)明的使用噴嘴槽擴(kuò)張 （nozzle slot expansion)控制方法時帶的寬度 方向上的厚度變化的圖；
[0023] 圖3是使用現(xiàn)有技術(shù)而不使噴嘴和鑄造輪的熱變形時帶的寬度方向上的厚度變 化的圖。
【具體實施方式】
[0024] 將結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0025] 對于鑄造作為納米晶帶的前體的鐵基非晶態(tài)合金的成分，原材料包含純鐵、硼鐵、 硅鐵合金、鐵鈮合金和純銅。這些原材料在優(yōu)選地加熱到1400攝氏度的感應(yīng)熔爐中被融 化，熔化的金屬被保溫和精煉，允許附帶的雜質(zhì)上升到熔化物的頂部，其可作為固態(tài)廢渣被 移除，如圖1中步驟1所示。熔化的金屬之后被傳送到保溫爐，如圖1中步驟2所示。
[0026] 熔化的金屬從保溫爐通過陶瓷鑄造噴嘴以控制的恒定壓力流速被輸送。噴嘴到淬 火輪距離優(yōu)選地在150到300微米的距離。熔化的金屬熔池（puddle)橋接了這個距離，且 穩(wěn)定的熔化的熔池被形成，從該熔池，金屬凝固并且連續(xù)的帶被鑄造，如圖1中步驟3所示。
[0027] 帶被從淬火輪移開并在螺旋刷中被捕獲，如圖1中步驟4所示。然后，帶以淬火輪 旋轉(zhuǎn)的同步速度被轉(zhuǎn)移到纏繞裝置，如圖1中步驟5所示。
[0028] 推薦的鑄造速度優(yōu)選地在25和35m/s之間，28到30m/s之間更優(yōu)選。帶厚度優(yōu)選 地在13和20微米之間，16到18微米更優(yōu)選。寬度方向上的帶厚度均勻度優(yōu)選地呈現(xiàn)小 于整個帶厚度的+/-15%的變化。圖2顯示在帶的寬度方向上用Icm的基準(zhǔn)件（anvil)每 隔Icm測量到的鑄造帶的典型厚度。陶瓷噴嘴優(yōu)選地在噴嘴寬度上的多個位置被機(jī)械地夾 持，以控制噴嘴槽開口，從而其匹配淬火輪變形和維持平坦的帶輪廓。圖3顯示當(dāng)噴嘴沒有 被機(jī)械地夾持并且大的厚度變化發(fā)生在帶寬度上的中心時的類似鑄造帶輪廓。
[0029] 噴嘴也可以具有與匹配淬火輪形狀的輪廓，以減少帶輪廓變化。此處，噴嘴和輪之 間的間隙高度間距被控制，以維持平坦的帶輪廓。但是，由于增加了勞動且需要使噴嘴形成 該形狀的加工工藝，夾持噴嘴是優(yōu)選的。
[0030] 通過執(zhí)行本技術(shù)方案，寬度大于63. 5mm的鐵基非晶態(tài)前體帶可被熱處理，進(jìn)入具 有極好軟磁性能的納米晶狀態(tài)。圖2中所示的帶從142mm的母材料中被切割，從中心和從 每個邊以20mm的寬度切割且形成小的環(huán)形圈（toroid)，用于磁性測試。帶在恪爐中在550 攝氏度下被退火一個小時，以導(dǎo)致納米晶狀態(tài)。
[0031] 表1顯示在惰性氣體爐中在550攝氏度下被退火后的三個環(huán)形圈的平均磁特性結(jié) 果以及帶邊緣和中心部分之間的變化。在作用場800A/m的平均感應(yīng)水平是I. 2T，具有0. 5T 的變化。矯頑力是〇. 71A/m，具有0. 25A/m的變化。當(dāng)分別在1千赫茲（kHz)、10千赫茲和 100千赫茲下測試時，磁導(dǎo)率是104000、75000和13000,具有10000、5000和3000的變化。
[0032] 表1本發(fā)明的實施例的在鑄造寬度方向上具有典型變化的納米晶環(huán)形芯的磁特 性。
[0034] 表2顯示本發(fā)明的實施例的化學(xué)成分的重量百分比、帶寬度和帶厚度。
[0035] 表2本發(fā)明的實施例的帶的化學(xué)成分、帶寬度和帶厚度。
[0037] 表3顯示本發(fā)明的實施例的化學(xué)成分的重量百分比、帶寬度和帶厚度。
[0038] 表3本發(fā)明的實施例的帶的化學(xué)成分、帶寬度和帶厚度。
[0040] 表4顯示本發(fā)明的實施例的初始和次級階段的化學(xué)成分和晶體化溫度。典型地， 在電子應(yīng)用中，帶被纏繞到環(huán)形芯或者被切割并堆疊成一定形狀，且可能被膠合物浸漬。芯 或堆疊的形狀然后在初始結(jié)晶點之上但在次要結(jié)晶點以下的溫度下被退火，以導(dǎo)致納米晶 階段。
[0041] 表4本發(fā)明的實施例的初始和次級階段的帶化學(xué)成分和晶體化溫度。
[0042]
【主權(quán)項】
1. 一種納米晶合金的前體的鐵基非晶態(tài)合金，其特征在于，成分為 (Fe! aMa) 10。x y z p q rCuxSiyBzM' pM"qXr 其中，M是Co和/或Ni，M'是從由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo組成的組合中選出的至 少一種元素；Μ〃是從由V、Cr、Μη、A1、鉬系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re組成的組 合中選出的至少一種元素；X是從由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As組成的組合中選出的至 少一種元素；并且 a、X、y、z、p、q 和 r 分別滿足 0 < a < 0· 5,0· 1 < X < 3,0 < y < 30， 1彡z彡25, 5彡y+z彡30, (λ 1彡p彡30, q彡10和r彡10 ;當(dāng)退火以獲得納米晶結(jié)構(gòu)時， 利用單輥淬火制造寬度大于63. 5mm，厚度在13到20 μ m的范圍內(nèi)，飽和磁感應(yīng)大于1. 15T 的所述合金。2. 如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金具有至少兩個晶體化活動或溫度， 且在第一晶體化溫度和第二晶體化溫度之間被退火時，產(chǎn)生具有結(jié)晶顆粒尺寸小于l〇〇nm 的納米晶合金。3. 如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金被纏繞到環(huán)形圈，堆疊且層壓，然 后切割成一定形狀，或者纏繞到環(huán)形圈，然后切割成寬度大于63. 5mm的其他形狀。4. 如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于，當(dāng)所述合金被纏繞到環(huán)形芯時，所述合金用 作飽和感應(yīng)器或磁性開關(guān)、電磁干擾濾波器、變壓器、電流傳感器和接地故障電流傳感器， 其寬度大于63. 5mm。5. -種納米晶合金的前體的鐵基非晶態(tài)合金，其特征在于，成分為 (Fe! aMa) 10。x y z p q rCuxSiyBzM' pM"qXr 其中，M是Co和/或Ni，M'是從由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo組成的組合中選出的至 少一種元素；Μ〃是從由V、Cr、Μη、A1、鉬系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re組成的組 合中選出的至少一種元素；X是從由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As組成的組合中選出的至 少一種元素；并且 a、X、y、z、p、q 和 r 分別滿足 0 < a < 0· 5,0· 1 < X < 3,0 < y < 30， 1彡z彡25, 5彡y+z彡30,0· 1彡p彡30, q彡10和r彡10 ; 并且其中，寬度大于63. 5mm，厚度在13到20 μ m的范圍內(nèi)，飽和磁感應(yīng)大于1. 15T。6. -種制造納米晶合金的前體的鐵基非晶態(tài)合金的方法，其特征在于，成分為 (Fe! aMa) 10。x y z p q rCuxSiyBzM' pM"qXr 其中，M是Co和/或Ni，M'是從由Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo組成的組合中選出的至 少一種元素；Μ〃是從由V、Cr、Μη、A1、鉬系元素、Sc、Y、稀土元素、Au、Zn、Sn和Re組成的組 合中選出的至少一種元素；X是從由C、Ge、P、Ga、Sb、In、Be和As組成的組合中選出的至 少一種元素；并且 a、X、y、z、p、q 和 r 分別地滿足 0 < a < 0· 5,0· 1 < X < 3,0 < y < 30， 1彡z彡25,5彡y+z彡30,0· 1彡p彡30, q彡10和r彡10 ;所述方法包含： 使用單輥淬火； 其中，所述合金的寬度大于63. 5mm，厚度在13到20 μm的范圍內(nèi)，飽和磁感應(yīng)大于 1. 15T，并且所述合金被退火以獲得納米晶結(jié)構(gòu)。7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述合金具有至少兩個晶體化活動或溫度， 且在第一晶體化溫度和第二晶體化溫度之間被退火一定時間時，產(chǎn)生具有結(jié)晶顆粒尺寸小 于100nm的納米晶合金，所述一定時間在10秒到4小時之間變化。
【文檔編號】C21D1/18GK106086714SQ201510679506
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2015年10月19日
【發(fā)明人】埃里克·艾倫·泰森, 伊藤直木, 羅納德·約瑟夫·瑪提斯, 小唐納德·羅伯特·里德, 約翰·保羅·韋勃
【申請人】美特格拉斯有限公司