CN105358727A

CN105358727A - 铁基非晶合金薄带

Info

Publication number: CN105358727A
Application number: CN201480038977.0A
Authority: CN
Inventors: 冈部诚司; 志贺信勇; 今村猛
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-02-24
Also published as: TW201510242A; US20160168674A1; JPWO2015016161A1; KR20160020500A; TWI522481B; JP6156661B2; WO2015016161A1; KR101848725B1; US10519534B2; KR20170137957A

Abstract

一种高磁通量密度且低铁损的Fe－B－Si系非晶合金薄带，由以下成分组成构成：以化学式：Fe_xB_ySi_z(在此，x：78～83at％、y：8～15at％、z：6～13at％)表示，优选还含有选自Cr：0.2～1at％、Mn：0.2～2at％中的一种或两种，更优选还含有选自C：0.2～2at％、P：0.2～2at％、Sn：0.2～1at％及Sb：0.2～1at％中的一种或两种以上，在该非晶合金薄带中，与冷却辊接触的面中的气穴的个数为8个/mm²以下，并且气穴的辊周向平均长度为0.5mm以下。

Description

铁基非晶合金薄带

技术领域

本发明涉及适合用于卷铁芯变压器的铁芯材料的铁基非晶合金薄带，具体而言，涉及高磁通量密度且低铁损的Fe－B－Si系非晶合金薄带。

背景技术

对于配电用变压器等的铁芯，存在使用利用了Fe－B－Si系的非晶合金薄带的卷铁芯的情况。作为用于该卷铁芯的材料，例如具有专利文献1～3所公开的、将以Fe为基底(base)且在Fe中添加了B、Si等而得到的铁基合金的熔液向高速旋转的冷却辊的表面喷出使其急冷凝固而得到的、厚度几十μm的非晶合金薄带。

该Fe－B－Si系的非晶合金薄带与以往的利用二次再结晶制造的方向性电磁钢板相比具有铁损低的优点，但由于饱和磁通量密度低而不得不使设计磁通量密度小，因此存在变压器大型化、需要大量的线圈的铜线这样的问题。

专利文献1:日本特开昭54－148122号公报

专利文献2:日本特开昭55－094460号公报

专利文献3:日本特开昭57－137451号公报

发明内容

因此，进行了通过提高非晶合金的Fe的成分比率来提高饱和磁通量密度、增大设计磁通量密度的技术开发，得到了一定程度的改善效果。但是，关于Fe的成分比率提高的合金，非晶质的稳定性降低，因此难以稳定地得到低铁损。另外，存在在加工成卷铁芯的状态下测定的铁损与在原材料中测定的铁损相比增大的、所谓“增大系数(buildingfactor)”大的问题。

本发明是鉴于现有技术所具有上述问题点而完成的，其目的在于提供一种高磁通量密度且能够稳定地得到低铁损的卷铁芯的Fe－B－Si系非晶合金薄带。

本申请发明人为了解决上述课题反复进行了锐意研究。结果发现，在Fe－B－Si系的铁基非晶合金薄带中，通过使薄带的表面性状适当化，能够在维持高磁通量密度的同时抑制加工成卷铁芯时的铁损的增大，从而开发出了本发明。

即，本发明为一种铁基非晶合金薄带，由以化学式：Fe_xB_ySi_z(在此，x：78～83at％、y：8～15at％、z：6～13at％)表示的成分组成构成，与冷却辊接触的面中的气穴的个数为8个/mm²以下，并且上述气穴的辊周向平均长度为0.5mm以下。

本发明的铁基非晶合金薄带的特征在于，在上述成分组成的基础上，还含有选自Cr：0.2～1at％、Mn：0.2～2at％中的一种或两种。

另外，本发明的铁基非晶合金薄带的特征在于，在上述成分组成的基础上，还含有选自C：0.2～2at％、P：0.2～2at％、Sn：0.2～1at％及Sb：0.2～1at％中的一种或两种以上。

另外，本发明的铁基非晶合金薄带的特征在于，该铁基非晶合金薄带用于卷铁芯变压器。

发明效果

根据本发明，能够提供一种高磁通量密度且加工成卷铁芯时的铁损特性优异的铁基非晶合金薄带，因此能够稳定地制造低铁损的变压器。

附图说明

图1是说明通过单辊式急冷薄带制造装置喷出熔液而制造非晶质的急冷薄带的方法的示意图。

具体实施方式

首先，说明成为开发本发明的契机的实验。

将由Fe：80at％、B：10at％、Si：9at％、C：0.5at％构成的成分组成的合金熔液向高速旋转的单辊式的铜制急冷辊外周面喷出，使其急冷凝固而制成厚度为25μm、宽度为100mm的铁基非晶合金薄带，之后将其卷绕成卷。此时，使急冷辊的表面性状及熔液喷出时的气氛进行各种变化。

接着，将如上所述地得到的合金薄带卷绕于直径φ200mm、宽度105mm的石英玻璃制筒管(bobbin)，制作重量2kg的环形铁芯(toroidalcore)。从在同一条件下制造的合金薄带分别各制作三个上述的环形铁芯，在施加1600A/m的磁场的状态下且在氮气气氛中，对这些铁芯分别在360℃、380℃及400℃的温度下实施1小时的退火。

之后，在上述退火后的铁芯上卷绕1次线圈及2次线圈，在1.3T、50Hz的条件下进行交流磁化，测定了铁芯的铁损W_13/50。需要说明的是，在测定上述铁损时，存在因退火而导致薄带彼此发生粘着(sticking)从而使铁损增大的情况，因此反复实施对铁芯施加冲击来消除粘着状态的“粘着除去(removalofsticking)”，并采用铁损值成为最低的退火温度下的铁损值作为该合金的铁损值。

关于如上所述地测定的环形铁芯的铁损值，尽管是从相同的成分、厚度、宽度的合金薄带制作的，但仍产生了大的偏差。因此，对铁损大的薄带与铁损小的薄带的与急冷辊接触一侧的表面进行了观察，结果在铁损大的薄带的表面存在很多凹陷，尤其是观察到很多在铸造方向(辊周向)上长地延伸的凹陷。这样的凹陷是在形成薄带时在熔液与急冷辊表面之间卷入气氛气体而形成的，被称为所谓“气穴(airpocket)”，已知其根据急冷辊的表面性状、表面温度、气氛等的不同，而产生个数、形状也不同。

因此，通过光学显微镜将薄带的与急冷辊接触一侧的表面放大至20倍并拍摄照片，测定了气穴的、每单位面积的产生个数以及辊周向的平均长度。另外，调查并比较了以往被设为表示适宜的表面性状的指标的算数平均粗糙度Ra、气穴面积率。结果得知，即使Ra和气穴面积率为相同程度，在产生的气穴的每单位面积的个数多的情况、产生的气穴形成沿辊周向长的形状的情况下，铁损特性也变差。

本发明是基于上述见解而开发的。

接着，本申请发明人进一步将使Fe、B及Si的组成变化并改变Cr、Mn或其他元素的添加范围而得到的各种成分组成的合金熔液熔解，进行了与上述相同的实验，调查了铁基非晶合金的成分组成对卷铁芯的磁特性的影响。结果发现，通过在上述表面性状的适当化的基础上如以下说明那样将Fe－B－Si系非晶合金的成分组成适当化，而能够得到高磁通量密度且卷铁芯的铁损特性优异的铁基非晶合金薄带。

首先，本发明的铁基非晶合金薄带需要由以化学式：Fe_xB_ySi_z(在此，x：78～83at％、y：8～15at％、z：6～13at％)表示的成分组成构成。

Fe：78～83at％

Fe是本发明的Fe－B－Si系非晶合金的基底成分。若Fe低于78at％，则磁通量密度过度降低，另一方面，若Fe超过83at％，则导致非晶质的稳定性和铁损特性的降低。因此，Fe设为78～83at％的范围。优选是80～82at％的范围。

B：8～15at％

B是为了使本发明的合金非晶化而所需的元素，若B低于8at％，则难以稳定地进行非晶化。另一方面，若B超过15at％，则磁通量密度降低，并且导致原料成本的增大。因此，B设为8～15at％的范围。优选是9～13at％的范围。

Si：6～13at％

Si是实现铁损的降低和非晶化所需的元素，若Si低于6at％，则铁损增大、非晶化变得不稳定。另一方面，若Si超过13at％，则磁通量密度大幅降低。因此，Si设为6～13at％的范围。优选是7～11at％的范围。

关于本发明的铁基非晶合金薄带，以进一步提高铁损改善效果为目的，能够在上述基本成分组成的基础上，以内数(日语：内数)、即相对于合金整体添加选自Cr：0.2～1at％及Mn：0.2～2at％中的一种或两种。

Cr及Mn具有降低卷铁芯的铁损的效果，因此优选分别添加0.2at％以上。在气穴少的薄带中，卷绕成铁芯时的薄带彼此的接触面积变大，因此在对铁芯进行退火时，容易产生粘着(紧贴，sticking)。然而，根据本申请发明人的研究结果得知，通过添加这些元素，能够减轻粘着。

其理由虽然尚未十分明确，但推测为如下理由：由于这些元素是在薄带表面的氧化覆膜中浓缩的元素，因此具有提高氧化覆膜的保护性的效果，其结果，粘着得到抑制，使铁损劣化的粘着部分的个数减少；而且，用于消除粘着的冲击施加也以轻度实施即可，基于冲击导致的铁损劣化得到抑制。然而，若Cr添加超过1at％、Mn添加超过2at％，则导致磁通量密度降低。因此，优选Cr在0.2～1at％的范围内添加，Mn在0.2～2at％的范围内添加。更优选的是，Cr为0.2～0.7at％的范围，Mn为0.2～1at％的范围。

另外，本发明的铁基非晶合金薄带能够相对于上述成分组成以内数(相对于合金整体)含有以下成分中的一种或两种以上。

C：0.2～2at％、P：0.2～2at％

C及P在Fe的比率大的成分***中具有使非晶质稳定化的效果。为了得到这样的效果，优选分别添加0.2at％以上。另一方面，若添加超过2at％，则导致磁通量密度的降低，因此优选上限分别设为2at％。更优选的是，C为0.8～2at％的范围，P为0.8～2at％的范围。

Sn：0.2～1at％、Sb：0.2～1at％

Sn及Sb在Fe的比率大的成分中具有降低铁损的效果。为了得到这样的效果，优选分别添加0.2at％以上。根据本申请发明人的研究结果，确认到这些元素具有抑制制作铁芯后的退火时薄带的与急冷辊接触的面侧的非晶质结晶化的效果，推测这会带来抑制铁芯铁损的增大的效果。但是，若Sn及Sb添加超过1at％，则导致铁损的增加，因此优选上限分别设为1at％。更优选的是，Sn为0.2～0.7at％的范围，Sb为0.2～0.7at％的范围。

上述成分以外的余量为不可避免的杂质。然而，Co及Ni具有稍微提高磁通量密度的效果，且对制造性及铁损的影响小，因此若为2at％以下则也可以含有Co及Ni。

接下来，说明本发明的铁基非晶合金薄带的表面性状。

气穴的个数：每1mm²为8个以下

在与急冷辊接触一侧的薄带表面存在的气穴阻碍向急冷辊的热传递，因此使非晶化不稳定而局部地产生结晶化的部分，或者，气穴通过钉扎效应(pinningeffect)抑制磁壁的移动，从而使薄带的铁损劣化。尤其是，气穴的将磁壁移动钉扎的效果大。另外，在卷铁芯中，若在薄带上存在气穴那样的表面形状的不均匀，则在从铁芯外部施加应力时，弯曲应力集中于气穴部分而导致铁损增大。

因此，气穴的个数越少越理想，在本发明中，通过将在薄带的与急冷辊接触一侧的表面形成的气穴减少至8个/mm²以下，谋求卷铁芯的铁损的改善。需要将气穴减少至8个/mm²以下的理由是，如后述的实施例所示，若超过8个/mm²，则铁损急剧增大。优选为5个/mm²以下。

气穴的平均长度：0.5mm以下

气穴在薄带的铸造方向(辊周向)上越长，使铁损劣化的作用越大。推测这是因为对沿长度方向延伸的磁壁的移动的钉扎效果大。因此，本发明通过将气穴的铸造方向(辊旋转方向)的平均长度限制为0.5mm以下，来谋求卷铁芯的铁损特性的改善。

这是因为，如后述的实施例所示，若气穴的辊周向的平均长度超过0.5mm，则铁损急剧增大。优选为0.3mm以下。

需要说明的是，本发明中的气穴的个数及平均长度如下地进行测定。首先，使用光学显微镜以20倍左右对与急冷辊接触一侧的薄带表面进行拍摄，从得到照片中测定薄带表面每10mm见方的气穴个数、和各气穴的辊周向的长度并求出平均值。而且，在薄带的宽度方向上以20mm间隔在整个宽度范围内实施该测定，将它们的平均值设为该薄带的气穴的个数及平均长度。

此外，也存在在真空中进行宽度比50mm左右窄的薄带的制造而防止气穴的产生的情况，但在制造用于电力用的变压器等的100mm以上的宽度宽的薄带的情况下，需要大的真空设备，因此是不实用的。因此，需要限定不可避免地形成的气穴的个数及形状。

接下来，说明本发明的铁基非晶合金薄带的制造方法。

本发明的铁基非晶合金薄带是通过使调整为上述说明的成分组成的合金的熔液急速冷却并使其凝固而得到的。例如能够使用如下一般的薄带制造方法：如图1所示，从设置在熔液容器2上的狭缝(slit)状的喷嘴4向以高速旋转的被水冷的铜制或铜合金制的冷却辊1的外周面喷出合金的熔液(熔融金属)3而使其急冷凝固，并通过利用空气狭缝喷嘴(airslitnozzle)6从冷却辊1进行剥离而得到非晶薄带S。

此外，关于使合金的熔液急冷凝固的急冷辊的表面粗糙度，从减小薄带表面的气穴的个数和大小的观点出发，越小越优选，具体而言，以JISB0601－2001中规定的算数平均粗糙度Ra计优选设为10μm以下，更优选为1μm以下。

另外，关于急冷辊的表面温度，从减小薄带表面的气穴的个数和大小的观点出发，优选预先加热至80～200℃的温度。这是因为，若表面温度小于80℃，则熔液的润湿性降低，另一方面，在超过200℃的温度下，无法得到急冷效果。

此外，附着于急冷辊表面的异物容易在薄带表面产生沿辊周向延伸的线状的瑕疵，进而，该瑕疵也成为生成长的气穴的原因。因此，在制造薄带时，期望对急冷辊的周围进行除尘、或采用急冷辊表面的在线研磨等。

另外，使合金的熔液急冷凝固时的气氛优选为CO₂气体或燃烧后的CO气体(CO+CO₂)等。这是因为，在大气中难以减小气穴的产生个数和大小。

特别是，从减小薄带表面的气穴的个数及长度的观察出发，在图1中在喷出熔液的喷嘴4的背面(辊旋转的上游侧)设置例如铸造气氛调节喷嘴5并喷射CO₂气体或燃烧后的CO气体(CO+CO₂)是有效的。其理由是，容易到达作为气穴而卷入气体的凹坑(puddle)与辊的边界。

另外，为了减少薄带表面的气穴，在急冷凝固时作为热风而向急冷辊的表面吹送加热至800℃左右的气氛气体也是有效的。这是因为，卷入至凹坑与辊之间的气体的膨胀小。

实施例1

使用单辊式急冷薄带制造装置，将具有Fe：81at％、B：11at％、Si：8at％的成分组成的铁合金的熔液向高速旋转的铜制的急冷辊的外周面喷出，制作厚度为25μm、宽度为100mm的非晶合金薄带，并将其卷绕成卷状。此时，将急冷辊的表面温度设为90℃，并使喷出时的气氛及急冷辊的表面粗糙度Ra如表1那样进行各种变化。

[表1]

接着，将上述合金的薄带卷绕在直径φ200mm、宽度105mm的石英玻璃制筒管上，制作重量2kg的环形铁芯。需要说明的是，从在同一条件下制造的合金薄带制作3个环形铁芯，在施加1600A/m的磁场的状态下，在氮气气氛中，实施分别在360℃、380℃及400℃的温度下保持1小时的退火。

之后，在上述铁芯上卷绕1次线圈及2次线圈，在1.3T、50Hz的条件下进行交流磁化并测定铁损W_13/50。需要说明的是，在测定铁损时，对退火的铁芯提供冲击而充分进行粘着除去，其结果，采用铁损值成为最低的退火温度下的铁损值作为该合金的铁损值。

另外，使用光学显微镜以20倍对如上所述地得到的薄带的、与急冷辊接触一侧的表面拍摄照片，从该照片测定在10mm见方的范围的钢带表面产生的气穴的个数、和各气穴的辊周向的长度，进一步在薄带的宽度方向上以20mm间隔(合计5处)实施该测定，并算出该5处的气穴的个数和气穴的辊周向的长度的平均值。

将上述结果一并记载于表1。根据该结果得知，关于气穴的个数和平均长度满足本发明的条件的No.1～6的合金，其退火后的铁损特性优异。

实施例2

使用与实施例1相同的急冷薄带制造装置，将表2所示的各种成分组成的铁合金的熔液向急冷辊的外周面喷出而使其急冷凝固，制作厚度为25μm、宽度为100mm的非晶合金薄带，并将其卷绕成卷状。需要说明的是，对于上述急冷辊使用表面粗糙度以Ra计为0.3μm、并将表面温度控制为90℃的铜制辊，喷出时的气氛气体设为CO₂：60vol％及余量大气。

[表2]

此外，关于如上所述地得到的薄带的表面性状，与急冷辊接触的面侧的表面粗糙度Ra为0.5_μm，且气穴的个数每1mm²为5～6个，气穴的平均长度处于0.4～0.5mm的范围，均在本发明的范围内。

接着，将上述合金薄带在与实施例1相同的条件下制作环形铁芯，在进行退火后，测定进行粘着除去前和充分进行了粘着除去后的铁损W_13/50。

另外，从制作得到的合金薄带切出长度280mm×宽度100mm的试验片，在氮气气氛中，在沿长度方向施加1600A/m的磁场的状态下，在环形铁芯中铁损成为最小的360℃、380℃及400℃的任一温度下保持1小时而实施退火，然后，通过单板磁测定装置测定磁通量密度B₈(磁化力800A/m下的磁通量密度)。

将上述测定的结果一并记载于表2。根据该结果可知，在成分组成满足本发明的条件的No.1～15的发明例的合金中，不仅磁通量密度高，而且粘着除去后的铁损特性优异。其中，关于添加了Cr或Mn的No.8～13的发明例的合金，可知其粘着除去前的铁损也良好，能够简化卷铁芯制造中的粘着除去的工序。

附图标记说明

1：冷却辊

2：熔液容器

3：熔融金属

4：喷嘴

5：铸造气氛调节喷嘴

6：空气狭缝喷嘴

S：非晶薄带

Claims

1.一种铁基非晶合金薄带，其特征在于，

由以化学式:Fe_xB_ySi_z表示的成分组成构成，其中，x:78～83at％、y:8～15at％、z:6～13at％，

与冷却辊接触的面中的气穴的个数为8个/mm²以下，并且所述气穴的辊周向平均长度为0.5mm以下。

2.根据权利要求1所述的铁基非晶合金薄带，其特征在于，

在所述成分组成的基础上，还含有选自Cr:0.2～1at％、Mn:0.2～2at％中的一种或两种。

3.根据权利要求1或2所述的铁基非晶合金薄带，其特征在于，

在所述成分组成的基础上，还含有选自C:0.2～2at％、P:0.2～2at％、Sn:0.2～1at％及Sb:0.2～1at％中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的铁基非晶合金薄带，其特征在于，

该铁基非晶合金薄带用于卷铁芯变压器。