本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于中高頻條件下的高硅鋼鐵芯的制備方法。
技術(shù)背景
高頻變壓器是指工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器，主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)電源變壓器，也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機(jī)中制作高頻逆變電源變壓器。
高頻微型化是變壓器的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)磁芯材料、繞組材料和變壓器容量一定時(shí)，提高頻率可以減小變壓器的體積。我國(guó)的高頻變壓器產(chǎn)品仍以傳統(tǒng)產(chǎn)品為主，以鐵氧體、漆包線等為主要原材料，鐵氧體高頻損耗低，具有較低的矯頑力，磁導(dǎo)率較高，但飽和磁通密度較小(室溫下為0.5T)，會(huì)導(dǎo)致鐵芯體積較大。非晶合金的磁導(dǎo)率較高，飽和磁通密度較高(1.2T)，高頻損耗較小，但缺點(diǎn)是塑性差，在制備變壓器鐵芯過程中容易斷帶，制備出的鐵芯在高頻下噪音大。而傳統(tǒng)硅鋼片的飽和磁通密度較大，磁導(dǎo)率也較高，但其高頻損耗較大，不適于工作頻率>1kHz的高頻變壓器，這主要是因?yàn)槠潆娮杪实秃徒孛娉叽绱髮?dǎo)致的。
高硅鋼(含硅量大于3.5wt.％的鐵硅合金)與普通硅鋼(含硅量小于3.5wt.％Si的鐵硅合金)相比具有更加優(yōu)異的軟磁性能，特別是含硅量達(dá)到6.5wt.％時(shí)軟磁性能更加優(yōu)異，例如磁導(dǎo)率高、電阻率高、磁致伸縮系數(shù)幾乎為零。用高硅鋼制作鐵芯，可提高電器效率，降低能耗和噪音。但由于高硅鋼具有本征脆性，在室溫下塑性幾乎為零，難于用傳統(tǒng)的軋制方法加工成板帶狀。世界各國(guó)的研究人員也主要集中研究高硅鋼的制備及韌塑性機(jī)理方面。目前唯一成功的例子是日本通過化學(xué)氣相沉積法已經(jīng)能成功的生產(chǎn)Fe-6.5wt.％Si高硅鋼(Y.Takada,M.Abe,S.Masuda,and J.Inagaki,"Commercial scale production of Fe-6.5wt.％Si sheet and its magnetic properties,"J.Appl.Phys.64(10),1988,5367-5369)。
為了避免高硅鋼中有序相的生成所帶來的本征脆性，可以通過快速冷卻的方法避開其室溫脆性制備高硅鋼。快速凝固是指通過金屬熔體的急速冷卻或者通過抑制其非均勻形核，使合金在較大的過冷度條件下發(fā)生高生長(zhǎng)率的凝固，可以獲得傳統(tǒng)的鑄錠及鑄件無法得到的成分、微觀結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)。快速凝固可以抑制高硅鋼大面積的有序化，得到極其細(xì)小的晶粒組織，塑韌性很好，解決脆性問題，近終成形，簡(jiǎn)化薄帶的制造工藝，降低成本(梁永鋒、林均品、葉豐等，一種短流程高效高硅鋼薄帶的冷軋制備方法，中國(guó)發(fā)明專利，ZL 201410276483.8)。
N.Tsuya和K.I.Arai在Journal ofAplied Physics,1979,50(3):1658-1663,Magnetostriction of ribbon-form amorphous and crystalline ferromagnetic alloys中報(bào)道用單輥甩帶快速凝固法成功制備出寬5mm，厚40μm的6.5％高硅鋼薄帶，組織細(xì)小，具有優(yōu)異的磁性和塑性。
在高頻變壓器中，磁芯作為導(dǎo)磁材料，其性能的好壞決定了變壓器性能的好壞。因此在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)，就需要明確磁性材料在實(shí)際應(yīng)用條件下的磁特性。通過快速凝固工藝制備的高硅鋼薄帶具有截面尺寸小，晶粒尺寸小等特點(diǎn)，再加之隨著硅含量的增加，高硅鋼電阻率增加，能夠較好的抑制高頻使用條件下的渦流，減小趨膚效應(yīng)，從而降低高頻損耗。又由于其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比傳統(tǒng)高頻鐵芯材料鐵氧體高，從而使器件小型化。
高硅鋼薄帶(尤其是Fe-6.5wt.％Si)應(yīng)用于高頻領(lǐng)域的鐵芯材料是一種綠色、環(huán)境友好型材料，這不僅體現(xiàn)在快速凝固高硅鋼薄帶的制備過程上(短流程、近凈成形)，而且不需要進(jìn)行傳統(tǒng)硅鋼材料的高溫?zé)崽幚?1000℃～1300℃)環(huán)節(jié)，更體現(xiàn)在其在高頻條件下的低能耗和低噪音。由于快速凝固態(tài)高硅鋼薄帶具有一定的塑性，可以二次加工成一定形狀，或者纏繞成帶，用于高速電機(jī)或高頻變壓器鐵芯。與非晶合金薄帶相比，大大提高了二次加工可成形性，減小了斷帶、開裂等脆性引起的加工缺陷，而所得高硅鋼鐵芯具備優(yōu)異的磁性能。所以Fe-6.5wt.％Si等高硅鋼薄帶應(yīng)用于高頻變壓器鐵芯上具有廣闊的前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種中高頻用高硅鋼薄帶(400Hz～100kHz)的制備方法。利用快速凝固甩帶法制備高硅鋼薄帶，甩帶出的高硅鋼薄帶不需熱處理，也不需涂覆絕緣涂層，直接通過沖壓鐵芯形狀進(jìn)行疊片或纏繞的方式制作成鐵芯，應(yīng)用于中高頻器件，具有高效、節(jié)能、靜音等特點(diǎn)。
一種中高頻用高硅鋼軟磁鐵芯的制備方法，其特征在于利用快速凝固甩帶法制備高硅鋼薄帶，之后不經(jīng)過熱處理也不涂覆絕緣涂層，直接沖壓成中高頻電機(jī)鐵芯形狀進(jìn)行疊片，或直接卷繞成環(huán)形形狀用做中高頻變壓器鐵芯或中高頻電感鐵芯；
甩帶法制備0.02-0.06mm厚度的高硅鋼薄帶具體的工藝流程為：
(1)原料準(zhǔn)備：以工業(yè)純鐵、晶體硅為原料，按硅含量6.5wt.％的比例進(jìn)行配比；工業(yè)純鐵：鐵含量99.5％，晶體硅純度為99.9％；
(2)快速凝固甩帶：對(duì)原料進(jìn)行加熱熔煉，在過熱度為50～250℃的熔融液態(tài)下，輥速為10m/s～50m/s，利用甩帶法將其快速凝固，得到厚度在0.02-0.06mm的高硅鋼薄帶。
進(jìn)一步高硅鋼含硅量為5～8wt.％；所應(yīng)用的中高頻電機(jī)頻率為400Hz～1kHz，中高頻變壓器或中高頻電感的應(yīng)用頻率為1kHz～100kHz。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于：
本發(fā)明結(jié)合快速凝固高硅鋼薄帶自身特點(diǎn)(厚度薄、晶粒尺寸小)及中高頻條件下鐵芯的使用特點(diǎn)，使高硅鋼薄帶應(yīng)用于中高頻領(lǐng)域，起到降低能耗、提高效率、減小體積、降低噪音的作用。對(duì)于中高頻電機(jī)用鐵芯，利用本發(fā)明方法，大幅縮短了制備工藝，利用快速凝固甩帶法制備高硅鋼薄帶，可直接沖壓成鐵芯形狀進(jìn)行疊片或纏繞的方式制作成鐵芯，不需熱處理，也不需涂覆絕緣涂層。磁性能與涂覆絕緣層的鐵芯相比有一定提升，可以滿足高速電機(jī)對(duì)鐵芯材料要求。對(duì)于高頻變壓器、高頻電感等鐵芯，由于其使用頻率更高，對(duì)于不需熱處理，也不需涂覆絕緣層的高硅鋼薄帶而言，其磁性能比經(jīng)過熱處理、涂覆絕緣層的高硅鋼薄帶鐵損更低，更能滿足高頻使用要求。利用本發(fā)明制備的高硅鋼薄帶鐵芯在中高頻電力電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
對(duì)于小功率(功率小于等于5kW)的高速電機(jī)，采用快速凝固單輥甩帶法(過熱度為100℃，輥速30m/s)制備的含硅量為6.5wt.％高硅鋼薄帶，直接沖壓成鐵芯形狀進(jìn)行疊片，不經(jīng)過熱處理，也不涂覆絕緣涂層。鐵芯加工性大幅提高，工藝流程大幅減少，交流鐵損如下：
P400Hz/1T＝20.0W/kg,P1kHz/0.5T＝15.3W/kg,P5kHz/0.1T＝2.7W/kg
實(shí)施例二
采用快速凝固單輥甩帶法(過熱度為100℃，輥速30m/s)制備的含硅量為6.5wt.％高硅鋼薄帶，不經(jīng)過熱處理，也不涂覆絕緣涂層，直接繞制成鐵芯，用于小功率的中高頻變壓器、中高頻電感等，交流鐵損如下：
P0.5T/1kHz＝15.3W/kg,P0.05T/10kHz＝1.1W/kg,P0.07T/40kHz＝13.0W/kg,P0.05T/100kHz＝39.2W/kg
實(shí)施例三
采用快速凝固單輥甩帶法(過熱度為150℃，輥速25m/s)制備的含硅量為5.5wt.％高硅鋼薄帶，不經(jīng)過熱處理，也不涂覆絕緣涂層，直接繞制成鐵芯，交流鐵損如下：
P400Hz/1T＝26.6W/kg,P1kHz/0.5T＝21.5W/kg,P5kHz/0.1T＝3.2W/kg。