CN109023162A - 一种铁基非晶合金磁芯的制备方法与铁基非晶合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁基非晶合金磁芯的制备方法，包括以下步骤：A)按照如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金的成分进行配料，将配料后的原材料熔炼成钢液；B)利用单辊快淬法将所述钢液冷却得到铁基非晶合金薄带；C)将所述铁基非晶合金薄带卷绕成环，得到铁基非晶合金闭合磁芯；D)将所述铁基非晶合金闭合磁芯进行热处理，得到铁基非晶合金磁芯。本发明以表面晶化法制备恒磁导铁基非晶合金为基础，通过调整合金成分和制备工艺参数，使铁基非晶合金系的Bs提高，在更宽的磁场范围内拥有恒磁导性能。

Description

一种铁基非晶合金磁芯的制备方法与铁基非晶合金

技术领域

本发明涉及磁性材料技术领域，尤其涉及一种铁基非晶合金磁芯的制备方法与一种铁基非晶合金。

背景技术

电子工业中很多元器件都要求磁芯材料具有恒磁导特性，例如音响噪音抑制器、家用电器滤波电感以及电流互感器等。磁性材料的恒磁导性能是指材料在较宽的磁场范围内磁导率值保持恒定。铁基非晶合金具有高频损耗低、磁导率和饱和磁感应强度高等特性，材料成本低，制成的恒磁导铁芯在许多领域已取代传统材料。

目前非晶合金获得优异恒磁导性能的方法主要有开气隙法、横向磁场热处理、应力处理及表面晶化法等。具体为：

(1)开气隙法

将普通退火后的铁基非晶磁芯进行固化后切割气隙，由于气隙处的退磁场作用，使表观磁化曲线呈线性关系；气隙的存在，使磁芯磁滞回线向横轴倾斜，改变了磁滞回线的斜率，磁芯需要更大的外加磁场才能达到饱和，同时也降低了磁芯的剩余磁通密度。一方面，开气隙会使磁性能大大降低，涡流损耗成倍增长；另一方面，退火后的铁基非晶非常脆，开气隙工艺复杂且固化过程污染环境，提高了成本，降低了生产效率。

(2)横向磁场热处理

横向磁场热处理是指热处理时磁场方向与材料实际使用的磁通方向相互垂直。横向磁场热处理导致材料产生了单轴磁各向异性，从而使其具有恒导磁特性。公开号为CN103258612的中国专利公布了一种低磁导磁芯及其制造方法和用途，采用了横向磁性热处理获得了低磁导高饱和性能的磁芯。横向磁场热处理的问题在于需要复杂的热处理设备，生产效率低，影响和限制了恒磁导材料的批量生产和应用。

(3)应力热处理

在热处理过程中对材料施加应力，使材料产生单轴各向异性，在一定条件下可以实现恒磁导特性。公开号为CN104376950的中国专利公开了一种铁基恒磁导纳米晶磁芯及其制备方法，将非晶合金薄带进行热处理的同时沿带材长度方向施加张应力，以获得恒磁导性能。但是这种方式尚未具备实现量产的条件。

4)表面晶化法

采用普通退火，不施加磁场和张力，在适当的退火温度和时间范围内，使铁基非晶合金带材发生部分晶化，以获得恒导磁性能。该工艺简单，并且可以通过调整热处理的温度和时间来获得不同大小磁导率的磁芯；但是其恒导磁范围较小，磁芯很难在大电流条件下应用；另一方面，传统表面晶化退火温度较高，退火时间较长。

根据上述说明可知，上述四种使铁基非晶合金获得优异恒磁性能的方法依然有各种缺陷。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种在较宽的磁场范围内具有稳定恒定磁导率的铁基非晶合金磁芯的制备方法。

有鉴于此，本申请提供了一种铁基非晶合金磁芯的制备方法，包括以下步骤：

A)按照如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金的成分进行配料，将配料后的原材料熔炼成钢液；调整所述钢液的温度至合金液相线温度以上150～300℃，所述钢液的液位高度为600～850mm；

B)设定铜辊线速度为20～30m/s，喷嘴与铜辊之间的距离为200～300μm，再利用单辊快淬法将所述钢液冷却得到铁基非晶合金薄带；

C)将所述铁基非晶合金薄带卷绕成环，得到铁基非晶合金闭合磁芯；

D)将所述铁基非晶合金闭合磁芯进行热处理，得到铁基非晶合金磁芯；

Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c和d为对应元素的原子百分含量；0.5≤a≤3；3≤b≤8；10≤c≤15；0.3≤d≤2。

优选的，所述Ni的含量为1～2at％。

优选的，所述Si的含量为4.5～6.5at％。

优选的，所述B的含量为11.5～13.5at％。

优选的，所述Cu的含量为0.5～1.2at％。

优选的，所述铜辊线速度为22～25m/s。

优选的，所述热处理的保温温度为280～350℃，保温的时间为30～60min。

优选的，所述热处理的保温温度为290～320℃。

优选的，所述铁基非晶合金薄带的厚度为20～35μm。

上述方案所述的制备方法所制备的如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金；

Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c和d为对应元素的原子百分含量；0.5≤a≤3；3≤b≤8；10≤c≤15；0.3≤d≤2。

本申请提供了一种铁基非晶合金磁芯的制备方法，其将特定配比的铁基非晶合金按照配比配料，将配料后的原材料熔炼成钢液，同时限定了限定钢液的温度与液位高度，限定了铜辊线速度以及喷嘴与铜辊之间的距离，并利用单辊快淬法得到了铁基非晶合金薄带；最后将卷绕成环的铁基非晶合金闭合磁芯进行热处理，即得到铁基非晶合金磁芯；本发明以表面晶化法制备铁基非晶合金磁芯为基，通过调整合金成分和制备工艺中四个参数，使得合金系薄带在制备态便发生表面晶化，最终使得合金系的Bs提高，在更宽的磁场范围内具有恒磁导性能；进一步的，由于制备态便发生了合金的表面晶化，热处理温度与目前常规工艺相比降低了约5％～10％，热处理时间减少了约30～50％。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

针对现有技术中制备的铁基非晶合金恒磁导率的问题，本申请提供了一种铁基非晶合金磁芯的制备方法，该方法使得铁基非晶合金的饱和磁感应强度提高，在更宽的磁场范围内具有较好的恒磁导性能。具体的，本发明实施例公开了一种铁基非晶合金磁芯的制备方法，包括以下步骤：

A)按照如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金的成分进行配料，将配料后的原材料熔炼成钢液；调整所述钢液的温度至合金液相线温度以上150～300℃，所述钢液的液位高度为600～850mm；

B)设定铜辊线速度为20～30m/s，喷嘴与铜辊之间的距离为200～300μm，再利用单辊快淬法得到铁基非晶合金薄带；

C)将所述铁基非晶合金薄带卷绕成环，得到铁基非晶合金闭合磁芯；

D)将所述铁基非晶合金闭合磁芯进行热处理，得到铁基非晶合金磁芯；

Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c和d为对应元素的原子百分含量；0.5≤a≤3；3≤b≤8；10≤c≤15；0.3≤d≤2。

本申请通过采用特定成分的合金且与特定参数的工艺配合，以使铁基非晶合金在更宽的磁场范围内具有稳定的恒磁导性能。

在上述制备铁基非晶合金的过程中，首先按照如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金的成分进行配料，将配料后的原材料熔炼成钢液；铁基非晶合金的成分对其恒磁导率的也具有较大影响，此处先对铁基非晶合金的成分进行详细说明。

Fe和Ni均为铁磁性金属元素，而Fe的饱和磁致伸缩系数为正，Ni的饱和磁致伸缩系数为负，因此在铁基合金系中添加适量的Ni，能够有效降低合金的饱和磁致伸缩系数，细化磁畴，增强表面晶化产生的磁各向异性，从而改善合金的恒磁导性能。Ni的含量为0.5～3at％，更在具体实施例中，所述Ni的含量为1～2at％；若Ni含量不足0.5at％，则恒磁导性能无明显改善；若Ni含量超过3at％，由于Ni的Bs值较低，会导致合金系的Bs出现明显下降，材料容易在工作过程中发生饱和，失去磁芯作用。

Cu是促使钢液在形成非晶合金过程中发生表面晶化的重要元素。由于Fe与Cu的混合焓为正，在快速冷却条件下，Cu原子容易在表面处富集并诱导晶相析出。Cu的含量为0.3～2at％，在具体实施例中，Cu的含量为0.5～1.2at％；若Cu含量不足0.3at％，则制备过程中的合金很难发生表面晶化；若Cu含量超过2at％，则合金系整体的非晶形成能力会明显降低，无法制备得到非晶态合金。

类金属元素B是合金系中最重要的非晶形成元素，其原子半径小，外层电子数多，能够促使整体原子堆垛更加密集，非常有利于非晶合金的形成。B的含量为10～15at％，在具体实施例中，所述B的含量为11.5～13.5at％；若B含量不足10at％，则合金系整体的非晶形成能力会明显降低，很难制备得到非晶态合金；若B含量超过15at％，则钢液的流动性太好，抗氧化性变差，很难实现大规模的生产。

类金属元素Si也是重要的非晶形成元素，且Si的添加增大了非晶合金的电阻率，从而降低了使用过程中的涡流损耗。Si的含量为3～8at％，在具体实施例中，Si的含量为4.5～6.5at％；若Si含量不足3at％，则合金的损耗会明显变大，非晶形成能力也会变差；若Si含量超过8at％，则会导致合金系的Bs降低。

在上述配料完成之后则将配料后的原材料熔炼成钢液，所述熔炼为本领域技术人员熟知的技术方式，对其具体实施手段本申请不进行特别的说明；在熔炼的过程中，调整所述钢液的温度至合金液相线温度以上150～300℃，所述钢液的液位高度为600～850℃，在具体实施例中，所述钢液温度为1300～1400℃，所述钢液的液位高度为650～750℃。

按照本发明，在得到钢液之后则将其进行单辊快淬，以得到铁基非晶合金薄带。Cu原子在形成非晶合金过程中会扩散并富集形成团簇(几个纳米左右的有序晶格)，α-Fe会在Cu团簇附近形核并长大。如果冷却速度足够快，Cu在过饱和之前非晶合金已经达到稳定状态，因此表面晶粒的数量较少(单位面积的晶粒数)；若冷却速度足够慢，表面晶粒数量变多。因此，合金薄带表面的晶化程度与钢液的冷却速度密切相关，则铜辊的线速度是控制薄带晶化体积分数的重要手段之一；本申请设定铜辊线速度为20～30m/s，喷嘴与铜辊之间的距离为200～300μm；在具体实施例中，所述铜辊线速度为22～25m/s，喷嘴与铜辊之间的距离为200～260μm；辊速低于20m/s，合金薄带的表面和内部都容易发生晶化，薄带脆且磁性能差；辊速高于30m/s，薄带表面的晶化程度很低，且表面粗糙度增加。

对于上述四个参数，液相线温度、钢液液位高度、铜辊线速度与辊嘴间距，其中，液相线温度主要是由成分控制，属于制带之前的前提参数，对于确定成分的铁基非晶合金而言(成分对钢水流动性影响很大)，温度(就是过热度，即钢水温度减液相线温度)是影响流动性的主要因素，为了保证钢水的流动性，制带之前会根据液相线温度确定钢水温度。钢液液位高度、铜辊线速度和辊嘴间距三个方面是相互影响、相互配合的，主要是通过合适的参数匹配，从而保证熔潭能够稳定维持在期望的形状，熔潭状态稳定不仅有助于更好的冷却，同时也是带材均匀性的前提条件。

按照本发明，然后将铁基非晶合金薄带卷绕成环，得到铁基非晶合金闭合磁芯；上述过程为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不进行特别的限制。

本申请最后将所述铁基非晶合金闭合磁芯进行热处理，以得到铁基非晶合金磁芯。在此过程中，热处理温度是影响铁基非晶合金磁芯恒磁导性能的关键因素，可直接影响恒磁导性能。在具体实施例中，所述热处理的保温温度为280～350℃，保温的时间为30～60min；在具体实施例中，所述热处理的保温温度为290～320℃，所述保温的时间为30～40min。

本发明还提供了按照上述方案制备得到的如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金；

Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c和d为对应元素的原子百分含量；0.5≤a≤3；3≤b≤8；10≤c≤15；0.3≤d≤2。

上述铁基非晶合金中的各成分在上述内容中已进行了详细说明，此处不进行赘述。

本发明以表面晶化法制备恒磁导铁基非晶合金为基础，通过调整合金成分和制备参数，一方面，使合金系薄带在制备态便发生表面晶化，使合金系的Bs提高，使其在更宽的磁场范围内拥有恒磁导性能，另一方面，由于制备态便发生了表面晶化，退火温度与目前常规工艺相比降低约5～10％，退火时间减少约30～50％。实验结果表明，本发明制备态铁基非晶薄带厚度20～35μm；基体为非晶态，表面发生了晶化；B₈₀₀₀≥1.50T；Br/B₈₀₀₀≤1.0；Hc≤2.5；Pcm≤0.15。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铁基非晶合金磁芯的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

(1)根据成分通式Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d进行配料，其中a、b、c、d分别表示对应组元的原子百分含量：0.5≤a≤3，3≤b≤8，10≤c≤15，0.3≤d≤2；

(2)根据上述步骤(1)的配料，将原材料熔炼成钢液；

(3)调整钢液温度至合金液相线温度以上150～400℃，钢液液位高度350mm；设定铜辊线速度为25m/s，喷嘴与铜辊之间的距离为300μm，利用单辊快淬法制备得到铁基非晶合金薄带；

(4)将步骤(3)中制得的铁基非晶合金薄带卷绕成环形闭合磁芯，磁芯外径为25mm，内径为19.5mm；

(5)将步骤(4)中制得的铁基非晶磁芯进行普通热处理(无磁场、不施加应力)；保温温度为300～350℃，保温时间30～60min；

表1所示的不同成分的铁基非晶合金薄带，卷绕成环形磁芯后进行退火，退火时间为30min，退火温度为(Tx-100)～(Tx-120)℃，Tx是利用DSC所测得的合金的晶化起始温度。

表1不同成分的铁基非晶合金薄带的性能数据表

实施例在很宽的磁场范围内磁滞回线都具有良好的线性度，表现出稳定的恒磁导性能；对比例主要问题在于初始磁导率低，损耗高。

实施例2

采用不同的工艺条件制备Fe_80.5Ni₁Si₆B₁₂Cu_0.5非晶薄带，具体步骤如下：

(1)选择成分Fe_80.5Ni₁Si₆B₁₂Cu_0.5进行配料；

(2)根据上述步骤(1)的配料，将原材料熔炼成钢液；

(3)调整钢液温度至1350℃，钢液液位高度为650mm；设定铜辊线速度为10～35m/s(具体为10m/s、20m/s和35m/s)，喷嘴与铜辊之间的距离为100～300μm(具体为100μm、200μm和300μm)，利用单辊快淬法制备得到铁基非晶合金薄带，制得薄带宽度为30mm，厚度为23-31μm；

(4)将步骤(3)中制得的铁基非晶合金薄带卷绕成环形闭合磁芯，磁芯外径为32mm，内径为25mm，高为30mm；

(5)将步骤(4)中制得的铁基非晶磁芯进行普通热处理(无磁场、不施加应力)，保温温度为300～320℃，保温时间30～40min。

表2所示为采用不同的工艺条件制备的Fe_80.5Ni₁Si₆B₁₂Cu_0.5非晶薄带在各自最佳退火温度下的静态磁性能。本发明采用的测试设备为联众软磁直流测试仪；

表2实施例与对比例采用不同工艺条件下的静态磁性能数据表

表中，B₈₀₀₀是指外磁场在8000A/m的条件下磁芯的磁感应强度，B₈₀₀₀越大，磁芯越不容易饱和，其恒磁导性能越好；Br/B₈₀₀₀是指磁场在8000A/m条件下剩余磁场强度Br与磁感应强度的百分比，Br/B₈₀₀₀越大，磁滞回线的线性度越好，恒磁导性能越好；μi是指磁芯的初始磁导率；Hc是指磁芯的矫顽力，Hc越小，磁滞回线的线性度越好，恒磁导性能越好；Pcm是指磁芯单位质量的损耗。

对比例1的铜辊线速度过低、辊嘴间距过高，对比例4的铜辊线速度过低、辊嘴间距过高，这都导致了冷却速度过慢，无法形成非晶态合金，薄带变得非常脆，无法进行卷绕和热处理。

对比例2的铜辊线速度过高，对比例3的辊嘴间距过低，这都导致了冷却速度过快，Cu在过饱和之前非晶合金已经达到稳定状态，因此非晶薄带未发生晶化。一方面，热处理过程中需要更高的温度和更长的时间才能使非晶磁芯实现恒磁导性能；另一方面，晶化程度下降，α-Fe析出量下降，Bs相应出现下降。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种铁基非晶合金磁芯的制备方法，包括以下步骤：

A)按照如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金的成分进行配料，将配料后的原材料熔炼成钢液；调整所述钢液的温度至合金液相线温度以上150～300℃，所述钢液的液位高度为600～850mm；

B)设定铜辊线速度为20～30m/s，喷嘴与铜辊之间的距离为200～300μm，再利用单辊快淬法将所述钢液冷却得到铁基非晶合金薄带；

C)将所述铁基非晶合金薄带卷绕成环，得到铁基非晶合金闭合磁芯；

D)将所述铁基非晶合金闭合磁芯进行热处理，得到铁基非晶合金磁芯；

Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c和d为对应元素的原子百分含量；0.5≤a≤3；3≤b≤8；10≤c≤15；0.3≤d≤2。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ni的含量为1～2at％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si的含量为4.5～6.5at％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述B的含量为11.5～13.5at％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Cu的含量为0.5～1.2at％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜辊线速度为22～25m/s。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的保温温度为280～350℃，保温的时间为30～60min。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的保温温度为290～320℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁基非晶合金薄带的厚度为20～35μm。

10.权利要求1～9任一项所述的制备方法所制备的如式(Ⅰ)所示的铁基非晶合金；

Fe_100-a-b-c-dNi_aSi_bB_cCu_d (Ⅰ)；

其中，a、b、c和d为对应元素的原子百分含量；0.5≤a≤3；3≤b≤8；10≤c≤15；0.3≤d≤2。