專利名稱：Fe基非晶態(tài)合金帶的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種Fe基非晶態(tài)合金帶，其具有高磁通密度和低鐵芯損耗，適合用于變壓器、發(fā)動機、發(fā)電機和扼流圈、磁傳感器等。
背景技術(shù)：
Fe基非晶態(tài)合金帶由于優(yōu)異的軟磁性質(zhì)，特別是低鐵芯損耗，因而將其用于變壓器的磁芯引起了人們極大的興趣。尤其是具有高磁通密度BS和優(yōu)異熱穩(wěn)定性的非晶態(tài)Fe-Si-B合金帶被用于變壓器的磁芯。但是，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金帶在飽和磁通密度方面不如當前通常用作變壓器磁芯的硅鋼片。因此，人們已經(jīng)開始進行開發(fā)研究，以提供具有高飽和磁通密度的Fe基非晶態(tài)合金帶。為了提高飽和磁通密度，人們進行了各種嘗試增加對磁化起作用的Fe數(shù)量；通過加入Sn、S等來補償由于Fe量增加而導致的熱穩(wěn)定性的下降；以及加入C。
JP 5-140703 A公開了一種具有高飽和磁通密度的非晶態(tài)Fe-Si-B-C-Sn合金，其中用Sn來使高Fe-含量的合金非晶態(tài)化。JP 2002-285304 A公開了一種具有高飽和磁通密度的非晶態(tài)Fe-Si-B-C-P合金，其中用P來使Fe含量急劇增加的合金非晶態(tài)化。
重要的是實際應用的磁芯在低磁場下也具有高磁通密度，即高矩形比B80/BS，其中B80表示80A/m磁場中的磁通密度。對變壓器磁芯而言，實際上重要的是變壓器在高磁通密度下工作。工作磁通密度是通過磁通密度和鐵芯損耗之間的關(guān)系而確定的，且應當?shù)陀阼F芯損耗顯著增加時的磁通密度。即使飽和磁通密度相同，B80/BS低的Fe基非晶態(tài)合金帶在高的工作磁通密度下鐵芯損耗也會增加。換言之，在高磁通密度區(qū)具有更高B80和更低鐵芯損耗的Fe基非晶態(tài)合金帶可以在更高的工作磁通密度下工作。但是，B80超過1.55T的Fe基非晶態(tài)合金帶目前還沒有投入批量生產(chǎn)。其原因在于如果高飽和磁通密度的合金帶中含超過81原子％的Fe，則它們會因為表面結(jié)晶化和熱穩(wěn)定性下降而無法穩(wěn)定地批量生產(chǎn)。為了解決這個難題，人們已經(jīng)嘗試了通過加入Sn、S等來改善表面結(jié)晶化和熱穩(wěn)定性。盡管這些方法可以改善合金性質(zhì)，但是所得的帶易碎，而且無法連續(xù)制造出添加劑均勻分布的帶。因此，這種非晶態(tài)合金帶無法批量生產(chǎn)。盡管Fe含量為81原子％的含C合金可以批量生產(chǎn)，但是它們的B80為1.55T或以下。此外，脆化、表面結(jié)晶化和熱穩(wěn)定性下降是Fe含量為81原子％或以下的Fe基非晶態(tài)合金帶存在的嚴重問題。盡管加入C和P可以提高飽和磁通密度，但是所得的帶非常易碎而無法容易地將它們形成為變壓器。
如上所述，盡管對提高Fe基非晶態(tài)合金帶飽和磁通密度進行了努力，但是由于脆化、表面結(jié)晶化和矩形比下降等原因，到目前為止還不能穩(wěn)定地生產(chǎn)符合如下要求的Fe基非晶態(tài)合金帶所述的Fe基非晶態(tài)合金帶在環(huán)形鐵芯上測量的B80為1.55T或以上，而鐵芯損耗W14/50為0.28W/g或以上。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有高飽和磁通密度和低鐵芯損耗的Fe基非晶態(tài)合金帶，這種Fe基非晶態(tài)合金帶是通過控制Si和C的重量比以及軋輥接觸表面的粗糙度，并且通過吹送到軋輥上的氣體量來控制自由表面和軋輥接觸表面的C-偏析層的范圍和峰值，從而使其具有高B80/BS、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并且降低脆化。
發(fā)明概述本發(fā)明的Fe基非晶態(tài)合金帶具有包含F(xiàn)eaSibBcCd和不可避免的雜質(zhì)組成，其中a為76至83.5原子％，b為12原子％或以下，c為8至18原子％，d為0.01至3原子％，從Fe基非晶態(tài)合金帶的兩個表面到其內(nèi)部徑向測量得到的C濃度分布在深度2至20nm范圍內(nèi)具有峰值。即，在距Fe基非晶態(tài)合金帶的每個自由表面和軋輥接觸表面深2至20nm處有C-偏析層。
更優(yōu)選a為80至83原子％，b為0.1至5原子％，c為12至18原子％，d為0.01至3原子％，并且a、b和d滿足條件b≤(0.5×a-36)×d1/3，這樣Fe基非晶態(tài)合金帶在退火后，飽和磁通密度BS為1.6T或以上，且磁通密度B80為1.55T或以上。
由本發(fā)明Fe基非晶態(tài)合金帶構(gòu)成的環(huán)形鐵芯，在退火后，優(yōu)選在1.4T磁通密度和50Hz頻率下的鐵芯損耗W14/50為0.28W/kg或以下。
優(yōu)選本發(fā)明的Fe基非晶態(tài)合金帶在退火后的斷裂應變ε為0.02或以下。斷裂應變ε由ε＝t/(2r-t)來計算，其中t表示帶的厚度，且r表示彎曲試驗中帶的斷裂半徑。如圖6所示，彎曲試驗是這樣進行的將彎曲的合金帶10放在一對平行板20、21之間，使合金帶10的兩個部分保持平行(180°)，水平降低平行板的上板20，將合金帶10逐漸彎曲到一個更小的角度，在合金帶10斷裂時(如12所指)測量兩個板20、21之間的距離D(＝2r)。如果可以將合金帶彎曲到180°，則ε＝1。
可以如下制備Fe基非晶態(tài)合金帶在鑄造過程中向軋輥上吹送預定數(shù)量的CO或CO2氣體，使Fe基非晶態(tài)合金帶和軋輥接觸表面的平均表面粗糙度Ra為0.6μm或以下。平均表面粗糙度Ra是用表面光度儀測量的表面粗糙度的五個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均而得的。


圖1所示為C偏析層深度可隨吹送氣量變化的示意圖；圖2所示為應力松施和斷裂應變與C和Si濃度關(guān)系的曲線圖；圖3是應力松施率測量方法的示意圖；圖4所示為樣品1各種元素的濃度和距軋輥接觸表面的深度關(guān)系的曲線圖；圖5所示為樣品8各種元素的濃度和距軋輥接觸表面的深度關(guān)系的曲線圖；圖6是斷裂應變測量方法的示意圖。
優(yōu)選實施方案詳述Fe的量a為76至83.5原子％。當Fe量小于76原子％時，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金帶不具備作為磁芯所需的足夠大的飽和磁通密度BS。另一方面，當它超過83.5原子％時，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金帶的熱穩(wěn)定性下降，以致于無法進行穩(wěn)定生產(chǎn)。為了獲得高飽和磁通密度，優(yōu)選a為80至83原子％。50原子％或以下的Fe可以用Co和/或Ni代替。為了獲得高飽和磁通密度，優(yōu)選Co的代替量為40原子％或以下，Ni的代替量為10原子％或以下。
Si是使合金非晶態(tài)化的元素。為了具有提高飽和磁通密度BS，Si的量b為12原子％或以下。為了獲得更高的飽和磁通密度BS，優(yōu)選b為0.1至5原子％。
B是對合金非晶態(tài)化貢獻最大的元素。B的量c為8至18原子％。當B的量c小于8原子％時，所得Fe基非晶態(tài)合金帶的熱穩(wěn)定性下降。另一方面，即使它超過18原子％，對合金的非晶態(tài)化也沒有更大的作用。為了得到具有高飽和磁通密度BS和熱穩(wěn)定性的Fe基非晶態(tài)合金帶，優(yōu)選B的量c為12至18原子％。
C是提高矩形比和高飽和磁通密度BS的元素。C的量d為0.01至3原子％。當d小于0.01原子％時，無法獲得足夠的效果。另一方面，當它超過3原子％時，所得的Fe基非晶態(tài)合金帶出現(xiàn)脆化和熱穩(wěn)定性的下降。優(yōu)選C的量d為0.05至3原子％。
合金中可以含有0.01至5原子％的選自Cr、Mo、Zr、Hf和Nb的至少一種元素，以及0.5原子％或以下的選自Mn、S、P、Sn、Cu、Al和Ti的至少一種不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明解決了Fe基非晶態(tài)合金帶中由提高飽和磁通密度BS而造成的脆化、表面結(jié)晶化和矩形比下降的問題?？梢圆捎枚喾N方法來提高Fe基非晶態(tài)合金帶的飽和磁通密度BS。但是，當使用Fe基非晶態(tài)合金帶作為變壓器等的磁芯時，還應當同時解決矩形比、脆化、表面結(jié)晶化等問題。
C的加入增加了飽和磁通密度BS、熔體流動性以及與軋輥的可濕性。但是，C的加入產(chǎn)生了C偏析層，導致脆化和熱不穩(wěn)定性，因此在高磁通密度下更高的鐵芯損耗。所以，在實際應用中不特意加入C。通過研究C在表面附近的分布對C加入量的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過控制C和Si的重量比以及C-偏析層的范圍和峰值，可以提供具有高B80/BS、低鐵芯損耗并且降低脆化和熱不穩(wěn)定性的Fe基非晶態(tài)合金帶。
C-偏析層的形成導致在低溫下近表面處出現(xiàn)應力松施，這點將Fe基非晶態(tài)合金帶纏繞在環(huán)形鐵芯上時特別有效。高的應力松施率導致高的B80/BS，因而降低在高磁通密度下的鐵芯損耗。重要的是當C的峰值濃度存在于距表面可控范圍內(nèi)時，可以獲得這種效果。
如果由于氣孔等使表面粗糙度大，則氧化層的厚度不均勻，導致產(chǎn)生的C-偏析層深度和范圍不均勻。這樣使得應力松施不均勻，部分地產(chǎn)生易碎部分。在因為表面粗糙而導熱性降低的C-偏析層中，表面結(jié)晶化加速，從而降低了B80/BS。因此，重要的是控制表面粗糙度并且在距表面均勻深度范圍內(nèi)形成C-偏析層。在鑄造過程中，向噴射到軋輥上的合金熔體以預定流速吹送CO或CO2氣體可以達到此目的。
應當控制氣體的流速，使形成的C-偏析層位于距表面2至20nm的范圍內(nèi)。圖1示意性地顯示了吹送到軋輥上的氣體數(shù)量和噴射壓力與C-偏析層范圍之間的關(guān)系。當改變氣體噴射壓力以調(diào)節(jié)Fe基非晶態(tài)合金帶的寬度時，所吹送氣體的最佳數(shù)量也改變。因此，應當考慮到C-偏析層的范圍來確定吹送氣體量。當吹送氣體量太少時，無法有效降低Fe基非晶態(tài)合金帶的表面粗糙度，導致C-偏析層向內(nèi)部轉(zhuǎn)移且厚度不均勻。另一方面，太多的氣體影響合金熔體的攪拌，從而使C-偏析層由于包含氣體而厚度不均勻且向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，還會使帶的邊緣變差等。因此，重要的是吹送最佳數(shù)量的氣體?？刂拼邓蜌饬匡@著地降低了表面粗糙度，從而產(chǎn)生具有均勻范圍的C-偏析層，使Fe基非晶態(tài)合金帶具有改善的應力松施率和矩形比B80/BS，并進一步使環(huán)形鐵芯損耗降低，抑制表面結(jié)晶化和脆化。這樣使得C的加入起到充分作用。
控制表面條件和Si與C的重量比可獲得更好的結(jié)果。盡管b和d隨C數(shù)量改變而變化，當b/d比率小時，一般可獲得更好的效果。圖2顯示了C、Si的量與應力松施率及最大應變(斷裂應變)之間的關(guān)系。在含82原子％Fe的Fe基非晶態(tài)合金帶中，當b≤5×d1/3時，應力松施率為90％或以上。這是因為當C數(shù)量不變而Si數(shù)量減少時，C-偏析層的峰值高。因此，通過控制Si和C的重量比來調(diào)節(jié)C濃度峰可以改變應力松施率。當d為3原子％或以下時，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金帶具有高應力松施率和飽和磁通密度，最適合用于變壓器的磁芯。而且，脆化、表面結(jié)晶化和熱穩(wěn)定性下降，這些在加入大量C時出現(xiàn)的現(xiàn)象，可以得到抑制。
下面將參照實施例對本發(fā)明進行更詳細地描述，但是本發(fā)明不受這些實施例限制。
具體實施例方式
實施例1將200g組成為Fe82Si2B14C2的合金在高頻電爐中熔化，通過熔爐噴嘴噴射到以25至30m/s旋轉(zhuǎn)的銅軋輥上，同時從噴嘴后面吹送CO2氣，制造出寬度分別為5mm、10mm和20mm且厚度為23至25μm的Fe基非晶態(tài)合金帶。每個Fe基非晶態(tài)合金帶在距表面深度為2至20nm的地方有C-偏析層。為了使鐵芯損耗最小化，將Fe基非晶態(tài)合金帶在300至400℃下退火。改變吹送CO2氣的速度，對Fe基非晶態(tài)合金帶的性質(zhì)進行測量。結(jié)果見表1。
在單片樣品上測量BS和B80，且在外徑25mm和內(nèi)徑20mm的由Fe基非晶態(tài)合金帶制成的環(huán)形鐵芯上，測量鐵芯損耗W13/50和W14/50，其中W13/50為在1.3T磁通密度、50Hz頻率下的鐵芯損耗，W14/50為在1.4T磁通密度、50Hz頻率下的鐵芯損耗。
如圖3中所示，將各自切割成長度為10.5(π·R0)cm的Fe基非晶態(tài)合金帶10纏繞在直徑為R0cm的石英管11上，形成單片樣品，并在和上述相同的條件下退火，以釋放形成環(huán)時產(chǎn)生的應力。測量與從石英管11上脫下的、與C形狀的樣品10’相對應的圓的直徑R1，通過如下公式確定應力松施率RSRS＝(R0/R1)×100[％]，作為表示通過退火(加熱處理)而釋放的應力程度的一個參數(shù)。應力松施率RS為100％即意味著應力被完全釋放。
斷裂應變ε通過下面的公式計算ε＝t/(2r-t)，其中t表示帶的厚度，r表示彎曲試驗中的斷裂半徑。
C-偏析層區(qū)被定義為C濃度高于具有均勻C濃度的內(nèi)部區(qū)域的區(qū)域，是通過俄歇電子能譜分析每個樣品的軋輥接觸表面而確定的。C-偏析層中C濃度最高的點被認為是峰。
用獲自Horiba，Ltd.的輝光放電光發(fā)射分光儀(GD-OES)對樣品1的軋輥接觸表面在深度方向上進行元素分析。結(jié)果見圖4。
為了測量表面粗糙度，將每個Fe基非晶態(tài)合金帶切成5mm寬和12cm長的矩形，并用和上述相同的方法進行退火。將測得的表面粗糙度進行算術(shù)平均。樣品1至3的平均表面粗糙度Ra為0.35。
表1

表1(續(xù))

比較例1在和實施例1相同的條件下，只是減少CO2氣體的吹送氣量，將和實施例1相同的合金熔體通過噴嘴噴射出去，制造出寬度分別為5mm、10mm和20mm且厚度為23至25μm的Fe基非晶態(tài)合金帶。所得的Fe基非晶態(tài)合金帶(樣品4至6)在超過2至20nm深度范圍的地方有C-偏析層。樣品4至6的性質(zhì)見表2。樣品4至6的平均表面粗糙度Ra為0.78。盡管樣品4至6在W13/50方面與樣品1至3可比，但是在W14/50方面，樣品4至6要比樣品1至3大0.05W/kg以上。而且，樣品4至6的斷裂應變ε也比樣品1至3的斷裂應變低。由于表面粗糙，樣品4至6的C-偏析層是不均勻的，導致其性質(zhì)變差。
表2

表2(續(xù))

實施例2采用和實施例1相同的方式，將200g具有如表3所示組成的合金熔體快速淬火，形成寬5mm和厚23至25μm的Fe基非晶態(tài)合金帶。每個Fe基非晶態(tài)合金帶的性質(zhì)見表3。B80高的Fe基非晶態(tài)合金帶可以在高工作磁通密度下保持低鐵芯損耗。從樣品8的軋輥接觸表面開始在其深度方向上進行元素分析。結(jié)果如圖5所示。樣品7至22的平均表面粗糙度Ra為0.38。
表3

表3(續(xù))

比較例2采用和實施例1相同的方式，制造具有如表4所示組成的Fe基非晶態(tài)合金帶。它們的性質(zhì)見表4。C含量為4原子％的Fe基非晶態(tài)合金帶盡管具有高應力松施率，但是具有脆性大且熱穩(wěn)定性和矩形比低的缺點。而含大量Si的樣品，應力松施率和飽和磁通密度低，導致在高工作磁通密度下鐵芯損耗大。
表4

表4(續(xù))

通過將Si和C的重量比限制在預定的范圍內(nèi)并降低表面粗糙度，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金帶在其深度方向上可以有具有可控范圍和峰值的C-偏析層，從而減少脆化，提高磁通密度、矩形比和熱穩(wěn)定性，并且降低鐵芯損耗。C-偏析層能夠在低溫下在近表面處產(chǎn)生應力松施，從而在把Fe基非晶態(tài)合金帶纏繞在環(huán)形鐵芯上時有利于應力釋放。這種Fe基非晶態(tài)合金帶特別適合用作變壓器的磁芯。
權(quán)利要求
1.一種具有包含F(xiàn)eaSibBcCd和不可避免的雜質(zhì)的組成的Fe基非晶態(tài)合金帶，其中a為76至83.5原子％，b為12原子％或以下，c為8至18原子％，d為0.01至3原子％，從Fe基非晶態(tài)合金帶的兩個表面到其內(nèi)部徑向測量得到的C濃度分布在深度2至20nm范圍內(nèi)具有峰值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe基非晶態(tài)合金帶，其中a為80至83原子％，b為0.1至5原子％，c為12至18原子％，d為0.01至3原子％，并且其中所述Fe基非晶態(tài)合金帶在退火后的飽和磁通密度為1.6T或以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Fe基非晶態(tài)合金帶，其中a、b和d滿足條件b≤(0.5×a-36)×d1/3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任何一項所述的Fe基非晶態(tài)合金帶，其中它在退火后，在80A/m磁場中的磁通密度為1.55T或以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任何一項所述的Fe基非晶態(tài)合金帶，其中由所述Fe基非晶態(tài)合金帶組成的退火后的環(huán)形鐵芯，在1.4T磁通密度和50Hz頻率下的鐵芯損耗W14/50為0.28W/kg或以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任何一項所述的Fe基非晶態(tài)合金帶，其在退火后的斷裂應變ε為0.02或以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Fe基非晶態(tài)合金帶，其中50原子％或以下的Fe被Co和/或Ni代替。
全文摘要
一種具有包含F(xiàn)e
文檔編號C22C38/02GK1721563SQ20051006686
公開日2006年1月18日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月5日
發(fā)明者小川雄一, 直江昌武, 吉澤克仁 申請人:日立金屬株式會社