技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軟磁材料技術(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，采用快速急冷凝固生產(chǎn)工藝制備，這種新材料用于變壓器鐵心，與傳統(tǒng)硅鋼變壓器相比，磁化過(guò)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排CO、SO、NO_x等有害氣體，被稱為21世紀(jì)的“綠色材料”。

目前，國(guó)內(nèi)外在非晶變壓器的制備過(guò)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(shí)存在著體積增大的缺點(diǎn)。為了增強(qiáng)鐵基非晶材料在變壓器行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(guó)Allied-Signal公司開發(fā)的一款牌號(hào)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(guò)高無(wú)法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。

日立金屬在公開號(hào)為CN1721563A的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開了一種名HB1的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(guò)程中通過(guò)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(wú)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(guò)高非晶形成能力較差，導(dǎo)致在其工業(yè)化生產(chǎn)中無(wú)法形成非晶態(tài)，帶材磁性能較差；同事其在專利中一方面未提到關(guān)于P元素添加的問(wèn)題，另一方面P元素的添加含量較大，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外磷鐵行業(yè)的實(shí)際情況，磷鐵的制備條件相對(duì)粗放，雜質(zhì)含量過(guò)高，無(wú)法達(dá)到非晶合金的使用條件。在制備過(guò)程中，大量使用常規(guī)條件的磷鐵會(huì)導(dǎo)致帶材晶化、偏脆，且熱處理后性能較差。若使用此種合金成分進(jìn)行工業(yè)化成產(chǎn)，必須添加磷鐵精煉的環(huán)節(jié)，一方面增加工藝流程的復(fù)雜性，另一方面需提高目前的冶煉水平，導(dǎo)致工業(yè)化生產(chǎn)難度加大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種鐵基非晶合金，本申請(qǐng)?zhí)峁┑蔫F基非晶合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與非晶形成能力。

有鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N如式(Ⅰ)所示的鐵基非晶合金，

Fe_aSi_bB_cM_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c與d分別表示對(duì)應(yīng)組分的原子百子含量；81.0≤a≤83.0，0.5≤b≤4.5，12.5≤c≤16.0，d≤0.4，a+b+c+d＝100；M為雜質(zhì)元素。

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Fe的原子百分含量為81.3≤a≤82.8。

優(yōu)選的，所述Fe的原子百分含量為81.5≤a≤82.5。

優(yōu)選的，所述Si的原子百分含量為2.5≤b≤4.2。

優(yōu)選的，所述B的原子百分含量為13.0≤c≤15.5。

優(yōu)選的，所述B的原子百分含量為13.7≤c≤14.7。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金中，a＝81.5，2.5≤b≤4.5，14.0≤c≤16.0。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金中，a＝82，3.0≤b≤4.0，14.0≤c≤15.0。

優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金中，82.3≤a≤82.8，2.5≤b≤4.5，13.0≤c≤15.0。

優(yōu)選的，將成分符合權(quán)利要求1～10任一項(xiàng)所述的鐵基非晶合金制備成帶材，再進(jìn)行縱向磁場(chǎng)熱處理，得到熱處理后的帶材；所述熱處理的溫度為300～360℃，保溫時(shí)間為60～120min，磁場(chǎng)強(qiáng)度為800～1400m/A。

優(yōu)選的，所述熱處理后的帶材的鐵芯損耗≤0.1800W/kg，激磁功率≤0.2200VA/kg，矯頑力≤4A/m。

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N如式Fe_aSi_bB_cM_d所示的鐵基非晶合金，其包括Fe、Si、B，其中Fe元素作為鐵磁性元素，為鐵基非晶合金磁性的主要來(lái)源，以保證非晶合金的高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；Si與B為非晶形成元素，適量的含量才能保證鐵基非晶合金具有較好的非晶形成能力。本申請(qǐng)?jiān)诟逨e含量范圍內(nèi)，采用低硅高硼的配比方式，使鐵基非晶合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與非晶形成能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例不同厚度鐵基非晶合金的XRD圖譜；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例的磁性能與熱處理溫度的關(guān)系圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例的50Hz條件下的損耗曲線對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)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(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種如式(Ⅰ)所示的鐵基非晶合金，

Fe_aSi_bB_cM_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c與d分別表示對(duì)應(yīng)組分的原子百子含量；81.0≤a≤83.0，0.5≤b≤4.5，12.5≤c≤16.0，d≤0.4，a+b+c+d＝100；M為雜質(zhì)元素。

本申請(qǐng)的鐵基非晶合金按照原子百分比計(jì)，其化學(xué)成分表達(dá)式為Fe_aSi_bB_cM_d，其中M為不可避免的雜質(zhì)元素，其中a、b、c的原子比含量分別為：81.0≤a≤83.0，0.5≤b≤4.5，12.5≤c≤16.0；其余為d，d≤0.4。本發(fā)明通過(guò)添加上述元素，并限定其原子百分含量，使鐵基非晶合金具有較好的綜合磁性能。

具體的，所述鐵基非晶合金中Fe元素為鐵磁性元素，為鐵基非晶合金磁性的主要來(lái)源，高Fe含量使鐵基非晶合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的重要保障。本申請(qǐng)中所述Fe的原子百分含量為81.0～83.0，在實(shí)施例中，所述Fe的原子百分含量為81.3～82.8，更具體的，所述Fe的原子百分含量為81.5～82.5，更具體的，所述Fe的原子百分含量為81.3、81.45、81.5、81.7、81.85、82.05、82.30、82.42、82.5、82.6、82.65、82.80或82.9。所述Fe的含量超過(guò)83.0會(huì)導(dǎo)致合金的非晶形成能力下降，增加順行難度及生產(chǎn)成本，使工業(yè)生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)。

所述Si元素與B元素作為非晶形成元素，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。本申請(qǐng)中Si的含量為0.5～4.5，在實(shí)施例中，所述Si的含量為2.5～4.2，更具體的，所述Si的含量為2.75、2.8、2.85、3.02、3.1、3.3、3.5、3.7、3.8、3.95、4.0、4.12、4.2、4.28、4.3、4.45或4.5。Si的原子百分含量低于0.5，則會(huì)導(dǎo)致非晶形成能力下降，還會(huì)導(dǎo)致帶材磁性能下降。本申請(qǐng)中B的含量為12.5～16.0，在具體實(shí)施例中，所述B的含量為13.0≤c≤15.5，在具體實(shí)施例中，所述B的含量為13.7≤c≤14.7；在某些具體實(shí)施例中，所述B的含量為13.2、13.3、13.5、13.8、13.9、14.0、14.1、14.2、14.5、14.8、14.9、15.1、15.2或15.5。B的原子百分含量大于16.0，則合金成分偏離共晶點(diǎn)，使合金的非晶形成能力下降。

M為雜質(zhì)元素，其含量當(dāng)然越低越好，因此，本申請(qǐng)對(duì)M的含量不進(jìn)行具體限定，只要其≤0.4即可。

在某些具體實(shí)施例中，所述非晶鐵基合金中，a＝81.5，2.5≤b≤4.5，14.0≤c≤16.0；在某些具體實(shí)施例中，所述鐵基非晶合金中，a＝82，3.0≤b≤4.0，14.0≤c≤15.0；在某些具體實(shí)施例中，所述鐵基非晶合金中，82.3≤a≤82.8，2.5≤b≤4.5，13.0≤c≤15.0。

因此，本申請(qǐng)的鐵基非晶合金的組分及含量分別從提高磁感應(yīng)強(qiáng)度、提高非晶形成能力以及降低制備難度的合理組合，而形成了一種高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵基非晶合金。

本申請(qǐng)所述鐵基非晶合金的制備方法，包括以下步驟：

按照式Fe_aSi_bB_c的鐵基非晶合金的原子百分比配料，將配料后的原料進(jìn)行熔煉，將熔煉后的熔液升溫保溫后進(jìn)行單輥快淬，得到鐵基非晶合金帶材。

在制備鐵基非晶合金的過(guò)程中，本申請(qǐng)采用了本領(lǐng)域常規(guī)的技術(shù)手段，制備了本申請(qǐng)具體成分的鐵基非晶合金。對(duì)于其制備方法關(guān)于配料與熔煉的過(guò)程，本申請(qǐng)對(duì)其具體操作手段不進(jìn)行特別的說(shuō)明。在熔煉過(guò)程中，所述熔煉的溫度為1300～1600℃，時(shí)間為80～130min。在熔煉之后，本申請(qǐng)將熔煉后的熔液升溫保溫后采用單輥快淬，而得到了鐵基非晶合金帶材。所述升溫的溫度優(yōu)選為1350～1550℃，所述保溫的時(shí)間優(yōu)選為90～120min。所述單輥快淬的噴帶溫度為1350～1450℃，冷卻輥線速度為20～30m/s。經(jīng)過(guò)單輥快淬之后，本申請(qǐng)得到了鐵基非晶合金帶材，為完全非晶狀態(tài)，其臨界厚度至少為45μm，且?guī)Р捻g性較好，對(duì)折180度不斷。合金的非晶形成能力(GFA)是指在一定的制備條件下所能獲得的非晶態(tài)合金的尺寸，尺寸越大，非晶形成能力越強(qiáng)。對(duì)于非晶帶材而言，臨界厚度就是評(píng)價(jià)其非晶形成能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，臨厚度越大，非晶形成能力越強(qiáng)。對(duì)本發(fā)明而言，其臨界厚度至少45μm，對(duì)于本產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)有相當(dāng)大的制備余量，降低了在其工業(yè)化過(guò)程中對(duì)冷卻設(shè)備的要求。對(duì)于非晶帶材的應(yīng)用，韌脆性是一項(xiàng)重要的應(yīng)用指標(biāo)，因帶材在下一步的應(yīng)用過(guò)程中，需進(jìn)行剪切，若帶材脆性較大，則會(huì)導(dǎo)致在剪切過(guò)程中碎片增多，嚴(yán)重會(huì)影響鐵芯的整形及變壓器的組裝。本發(fā)明帶材其韌性較好，可對(duì)折180度不斷，在后續(xù)剪切過(guò)程中無(wú)碎片產(chǎn)生。

本申請(qǐng)制備的鐵基非晶合金帶材的厚度為23～32μm，寬度為100～300mm。對(duì)于非晶帶材而言，帶厚是影響其鐵芯損耗的重要參數(shù)之一，這也是非晶帶材在空載損耗方面優(yōu)于硅鋼片的主要因素。軟磁材料的鐵芯損耗主要包含三個(gè)部分：磁滯損耗、渦流損耗與剩余損耗。而厚度的大小直接影響渦流損耗的大小，對(duì)于磁性材料而言，在磁疇壁處會(huì)出現(xiàn)渦電流，渦電流的流動(dòng)，在每個(gè)瞬間都會(huì)產(chǎn)生與外磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁通方向相反的磁通，越到材料內(nèi)部，這種反向的作用就越強(qiáng)，致使磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度沿樣品截面嚴(yán)重不均勻。這就是軟磁材料要制成薄帶的原因-減少渦流的作用。但是對(duì)于非晶帶材并不是越薄越好，帶材越薄在后續(xù)鐵芯的剪切加工過(guò)程中會(huì)增加刀具的磨損，增加帶材組數(shù)，進(jìn)而提高鐵芯的成本。綜合考慮以上兩個(gè)方面，本申請(qǐng)通過(guò)制備工藝的選擇，制備了厚度為23～32μm的鐵基非晶合金帶材。目前，市場(chǎng)上通用的帶材的寬度為142mm、170mm、213mm，而帶材的寬度越寬制備難度越大。

本申請(qǐng)?jiān)诘玫借F基非晶合金帶材之后進(jìn)行了熱處理，所述熱處理的溫度為300～360℃，保溫時(shí)間為60～120min，磁場(chǎng)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(gè)關(guān)鍵因素。一般而言，通過(guò)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(duì)于鐵基非晶帶材而言，其熱處理工藝主要包含三個(gè)參數(shù)：保溫溫度、保溫時(shí)間與磁場(chǎng)強(qiáng)度。首先對(duì)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(huì)發(fā)生晶化，磁性能急劇惡化，本發(fā)明所述合金其晶化溫度均小于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。本申請(qǐng)的研究表明：帶材的鐵芯損耗、激磁功率與熱處理的保溫溫度的關(guān)系是隨著保溫溫度提高的，此兩項(xiàng)參數(shù)有先降低后增大的趨勢(shì)，即對(duì)于本發(fā)明而言，當(dāng)保溫溫度小于300℃或大于360℃時(shí)，都會(huì)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(duì)于保溫時(shí)間，其原理與保溫溫度相似，有一合適的時(shí)間區(qū)間，保溫時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，均不能使本發(fā)明達(dá)到最優(yōu)的性能。最后，合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度是材料磁化的必要保證。對(duì)非晶材料進(jìn)行磁場(chǎng)退火的主要原因是固定方向、固定強(qiáng)度的磁場(chǎng)促使材料的磁疇偏轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)方向，降低材料的磁各向異性，優(yōu)化軟磁性能。對(duì)于本發(fā)明而言，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于800A/m時(shí)，材料磁化過(guò)程不完全，無(wú)法達(dá)到最佳的效果，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度＞1400A/m時(shí)，材料磁化完全，磁性能不會(huì)因磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而優(yōu)化，反而會(huì)增加熱處理過(guò)程的難度及成本。

本發(fā)明經(jīng)過(guò)退火后的鐵基非晶帶材的鐵芯損耗P≤0.1800W/kg，激磁功率Pe≤0.2200VA/kg，矯頑力Hc≤4A/m。矯頑力為評(píng)價(jià)軟磁材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，矯頑力越小，軟磁性能越好。對(duì)于應(yīng)用于配電變壓器行業(yè)的非晶帶材而言，評(píng)價(jià)其磁性能的參數(shù)主要包含兩個(gè)參數(shù)：鐵芯損耗、激磁功率。此兩項(xiàng)參數(shù)越小，對(duì)后續(xù)鐵芯及變壓器的性能越好。因此，本申請(qǐng)制備的鐵基非晶合金可應(yīng)用于變壓器、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的鐵芯材料上。

為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的鐵基非晶合金及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。

按Fe_aSi_bB_cdM_f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(熔煉的溫度為1300～1600℃、保溫時(shí)間為80～130min)，熔煉完成后出鋼液至中頻底筑爐，升溫保溫鎮(zhèn)靜后(升溫至1350～1550℃，保溫90～120min)，使用單輥快淬(噴帶溫度為1350～1450℃，冷卻輥線速度為20～30m/s)的方法制備了寬度為142mm，厚度為23～28μm的鐵基非晶寬帶。表1中列舉了本發(fā)明例與對(duì)比例的合金成分、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值(Bs)、激磁功率(Pe)與鐵芯損耗(P)；其中實(shí)施例1～15為本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)比例16、17為對(duì)比例。

表1本發(fā)明實(shí)施例與對(duì)比例的磁性能數(shù)據(jù)表

備注：熱處理時(shí)采用的為環(huán)形樣品：內(nèi)徑50.5mm，外徑52.5～54.5mm，測(cè)試條件：1.35T/50Hz。本申請(qǐng)中熱處理的溫度為300～360℃，保溫時(shí)間為60～120min，磁場(chǎng)強(qiáng)度為800～1400A/m。

從以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的鐵基非晶合金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(guò)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(duì)比例16)。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(jì)，降低變壓器的體積，減少成本。從表2中還可以看出，符合本發(fā)明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/kg，與常規(guī)非晶材料(對(duì)比例16)相比，達(dá)到了使用要求。

圖2為本發(fā)明典型實(shí)施例與對(duì)比例的磁性能與熱處理溫度的關(guān)系圖，圖2(a)中■曲線為實(shí)施例2的激磁功率與熱處理溫度的關(guān)系曲線，●曲線為實(shí)施例10的激磁功率與熱處理溫度的關(guān)系曲線，▲曲線為實(shí)施例15的激磁功率與熱處理溫度的關(guān)系曲線，曲線為對(duì)比例16的激磁功率與熱處理溫度的關(guān)系曲線，圖2(b)中■曲線為實(shí)施例2的鐵芯損耗與熱處理溫度的關(guān)系曲線，●曲線為實(shí)施例10的鐵芯損耗與熱處理溫度的關(guān)系曲線，▲曲線為實(shí)施例15的鐵芯損耗與熱處理溫度的關(guān)系曲線，曲線為對(duì)比例16的鐵芯損耗與熱處理溫度的關(guān)系曲線；由圖2可知，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，即激磁功率(Pe)與鐵芯損耗(P)的波動(dòng)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(duì)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(guò)程的成本。

圖3為本發(fā)明典型發(fā)明例與對(duì)比例的50Hz條件下的損耗曲線對(duì)比圖，圖3中■曲線為實(shí)施例2的損耗曲線，●曲線為實(shí)施例10的損耗曲線，▲曲線為實(shí)施例15的損耗曲線，曲線為對(duì)比例16的鐵損耗曲線；由圖3可知，本發(fā)明合金與常規(guī)鐵基非晶對(duì)比，在較高的工作磁密條件下，有較好的性能優(yōu)勢(shì)，也就是說(shuō)，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(yùn)行。

以上實(shí)施例的說(shuō)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(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)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(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)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(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)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(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。