专利名称:铁基非晶态合金的制作方法
本发明属于一种铁基非晶态合金，特别是一种高饱和磁化强度的，并具有极优良使用磁性能的，适于各种配电变压器、电源变压器和旋转电机等铁心用的铁基非晶态合金钢带。
自从非晶态金属磁性材料问世以来，铁基非晶态软磁合金受到了人们的极大注意。这种合金为带材，厚度一般为几十个微米，其制造方法也很简单，将按要求组分配制好的原材料，用通常的感应炉在一个下端有缝的坩埚中熔化，熔化后的钢液在一定气压下被喷吹到一个或两个高速旋转的冷却辊上，淬火急冷成带材。用这种淬火急冷方法制得的铁基Fe80B20非晶合金钢带，由于它具有很高的饱和磁化强度，4πMs为1.57-1.61忒斯拉，再加上钢带本身非晶状态的固有特点-铁心损耗是晶态材料的 1/5 - 1/10 ，所以可以说这种铁基非晶态合金钢带的出现是各种变压器和旋转电机铁心材料的一大突破。但是由于Fe80B20非晶态合金钢带的晶化温度(Tx)和居里温度(To)都较低，带材的组织和磁性热稳定性就较差。同时这种高硼铁基带材的材质很脆、延展性和弯曲性也差，使用时成型困难，限制了钢带的实际使用。要攺善上述性能、使这种磁性优良的非晶钢带投入实践使用，研究人员普遍认为除硼以外，同时向合金中添加几种类金属(非晶化元素)，如硅、碳、磷、硫和铝等是一种有效的方法。为此西德专利(DE2915765，1979年)同时在铁中添加了硅、硼、碳、铝、磷等元素，但是添加的硅达到5-20(原子%，本文中以下都为原子百分数)，用如此高的硅含量代替合金中的硼，甚至完全取代硼，对合金带材的磁性是有害的。因为任何类金属添加到铁中去都会降低合金在绝对零度时的饱和磁化强度Ms(o)，而硅原子对铁的Ms(o)降低尤为严重，这是根据能带理论的刚带电子转移模型，每个硅原子可以提供两个电子填充到铁的能带中去，与硼比较硅就多提供一个填充电子，这样从对铁的原子磁矩的降低来看，硅的影响比硼大一倍，合金中硅的含量越高，影响也越大。另外硅的含量太高也会造成急冷喷制困难。美国专利(US4298409，1981年)同时在铁中添加硼、硅和碳形成FeBSiC非晶铁基合金钢带，合金中硅的含量并不多，而硼的含量却太低了，只为12.5-14.5，所以致使合金中非晶化元素总的含量不足，合金的晶化温度就较低，不利于最终退火时温度的提高，限制了钢带最终磁性的攺善。同时该专利的合金中铁的含量都相当高，都控制在80以上，在非晶化元素不足的情况下，淬火急冷喷制钢带就较困难，钢带的合格率就会下降。
为了克服上述已有技术的铁点和不足，提供一种适于各种变压器和旋转电机铁心应用的，磁性极优良的铁基非晶FeBSiC合金钢带，将合金中各成分的含量调配得更合理，使铁的含量低于80，尽量减少硅的含量，来增加合金中硼的含量，并且使硼、硅和碳含量的总和大于20，铁、硼、硅和碳含量相加为100，从而达到致使合金钢带最终磁性大幅度提高，淬火急冷喷制钢带合格率明显增加，并钢带质量优异的目的。
本发明提供一种与已有技术相比具有低铁，低硅和高硼含量的FeBSiC高饱和磁化强度的铁基非晶态合金钢带。其制造方法与通常的非晶态软磁合金钢带的制造方法一样，将按要求成分配制好的原材料，用通常的感应电炉在一个下端有缝的坩埚中熔化，熔化后的钢液在一定的气压下被喷吹到一个或两个高速旋转的冷却辊上，淬火急冷成带材，最后将此带材在低于钢带的晶化温度Tx和居里温度Tc的尽量高的温度下，并具有外加磁场的条件下进行最终退火，消除钢带在喷制过程中形成的内应力和使钢中的原子对呈磁有序状态排列，发挥出合金的最佳磁性。
本发明将已有技术铁基非晶态合金中的铁和硅同时减少，其主要目的是增加合金中硼的含量，这样调配合金成分的道理如下。硼添加到铁中去，每个硼原子只提供一个填允电子，使铁的饱和磁化强度的下降比添加硅减少一半，有利于合金磁性的提高。另外由于硼的原子半径较硅小，利用硼来代替部分硅会使铁原子之间的相互交换作用增强，从而提高合金的居里温度，这样就允许合金最终退火在较高的温度下进行，有利于发挥合金的磁性。至于铁的含量降低到80以下，首先这不会影响合金室温下的使用磁性，因为作者发现通常对于这种铁基非晶合金所以把铁的含量控制在80以上，主要是出于保证合金绝对另度时的饱和磁化强度Ms(O)具有较高的数值，但Ms(O)高不见得室温下的饱和磁化强度Ms(rt)就高，这正是以前的作者没有注意到的问题。本发明的作者在把合金中的铁含量降低到80以下的同时，适当增加硼的含量，虽然Ms(O)有所下降，但由于合金居里温度Tc的提高，却把合金室温下的Ms(rt)提高了，达到了低铁合金室温下饱和磁化强度不低于高铁合金的数值，并且由于减少的铁是用硼来代替，就使得合金中非晶化元素总的含量比已有技术增加了，超过20，结果有利于合金最终退火时温度的提高，促使磁性的攺善。总的说来，由于FeBSiC铁基非晶合金成分的合理调配，合金中铁低于80，非晶化元素总量大于20，且硼的含量增加，这样不但保持了合金室温下的饱和磁化强度不变，而且提高了合金的居里温度和晶化温度，结果致使合金可以在较高的最终退火温度下进行退火，使合金带材得以充分地消除应力和促使合金磁有序状态的形成，攺善了合金带材的磁性，并且在淬火急冷喷制过程中，合金成形的能力增强，成品钢带合格率提高，钢带表面质量也大大攺善。
本发明提供的主要是一种成分铁75.0-79.5，硼15.0-19.0，硅3.1-4.9，余为碳的铁基非晶态合金钢带。合金成分配比的原则是铁的含量低于80，其他非晶化元素的含量大于20，并且非晶化元素中尽量增加硼的含量，而尽量减少硅的含量，铁、硼、硅和碳的含量之和为100。符合这个原则的合金其成品钢带的磁性就会大幅度的提高，并且喷制过程中钢带的成形性增强，钢带的表面光滑，平整，呈银白色。
本发明提供的合金钢带，其铁的含量低于75.0，就会造成合金饱和磁化强度过分下降，以致无法弥补上来，不能保持与高铁含量合金具有相同数值的室温饱和磁化强度;而铁含量超过79.5，不是本发明的目的，且合金中硼的含量不可能增加，会造成喷制困难。合金中硼的含量控制在15.0-19.0之间是理想的，不但保证了合金的磁性水平，且由于居里温度和晶化温度的提高，使合金的磁性大幅度提高，也有利于攺善钢带的成形性;超过19.0的硼，就会造成合金饱和磁化强度降低，钢带使用性能恶化，无实际应用价值。合金中硅的含量以3.1-4.9为好，低于3.1，无助于攺善合金的热稳定性，无助于攺善钢带的延展性和弯曲性;而硅的含量超过4.9，会使合金饱和磁化强度过分降低。本发明的合金按上述铁、硼和硅的限定范围，余为碳，其最终合金钢带的成分就可以同时达到铁低于80，硼、硅和碳非晶化元素的总量高于20，且硼的含量比已有技术高，而硅的含量比已有技术低，这样一种以前没有提出过的，具有极优秀磁性和钢带成形性的FeBSiC铁基非晶态合金。
本发明提供的低铁和硅，高硼含量的FeBSiC合金的最佳组成为铁79.0，硼15.5，硅3.3，碳2.2。该合金钢带经最终退火后，室温饱和磁化强度4πMs(rt)不低于1.61忒斯拉，要比含铁大于80的合金尚高。合金的居里温度Tc和晶化温度Tx高达420℃和490℃，所以可以把以消除应力和原子磁有序排列为目的最终退火的退火温度提高到400-405℃，对于FeBSiC铁基非晶态合金来说，这是一个前所未有的数值，比过去的退火温度一般提高20℃，20℃的提高对该合金钢带退火后磁性的影响是相当显著的。合金的剩磁比α高达0.92，矫顽力下降到2.4安培/米，交流损耗P12.6/60下降到0.17瓦/公斤，激磁功率下降到0.20伏安/公斤，这是一种工业变压器和旋转电机铁心的理想材料。
实施本发明所用的原料是工业纯铁，工业硼铁或硼粉，结晶硅和碳棒。原料首先经真空感应电炉或真空重熔等冶炼方法，浇铸成棒状锭，再将此棒状锭置于感应炉中熔化，然后在一定的气压下喷吹到一个或两个高速旋转的冷却辊上形成钢带，再将此钢带绕成环状，在普通或高纯氢气保护下进行最终退火。退火时加上800A/m以上强度的纵向磁场，退火温度控制在370-430℃之间，保温1小时，最后经磁性测量，获得如表中的各种数据。
由上述本发明这种低铁硅，高硼铁基非晶态FeBSiC合金与已有技术相比，最终成品钢带的磁性大幅度地得到攺善，剩磁比大大提高，矫顽磁力显著降低，交流损耗和激磁功率都下降30%以上，应用这种合金钢带的变压器和旋转电机会明显地节约电能的消耗并延长其使用寿命。同时这种合金在喷制过程中，钢带的形成能力大大增强，钢带表面质量大大攺善。
下边以实施例进一步说明本发明。
根据本发明的合金钢带的成分范围，在其范围内配制如表所示编号为1，2，3的本发明例和在其范围外的编号为4，5的对比例。将各种配比的合金的棒状锭，置于感应加热的石英管中熔化，然后在一定的气压下将熔化的钢液喷吹到一个高速旋转的冷却辊上，辊子由水来冷却，辊子表面材料是铜合金，辊子边缘的线速度为20-30米/秒，喷得的钢带宽度为10毫米，厚度为30-35微米。然后将此钢带绕制成内径16毫米，外径26毫米的环状试样，在高纯氢气中保护进行最终退火，编号为1，2和3的试样退火温度为390-400℃，编号为4和5的试样退火温度为365℃，保温时间都为1小时，退火时的磁场强度为800安/米。退火后的试样用冲击法测定剩磁比α和矫顽力Hc，应用三电压法测定交流损耗P12.6/60和激磁功率Pe12.6/60，所得结果示于表中。
由表中的磁性和喷制特性可见，成分为本发明范围之内的1，2和3号合金与对比例4和5号合金相比，剩磁比α明显提高，矫顽力明显下降，而交流铁心损耗P12.6/60和激磁功率Pe12.6/60都大幅度下降，成品钢带的合格率提高，表面质量得以显著攺善。
权利要求
1.一种含有铁、硼、硅和碳的铁基非晶态合金钢带，其特征在于合金钢带的铁含量(原子%，以下相同)小于80，非晶化元素硼、硅和碳的总和大于20，且铁、硼、硅和碳的总和为100。
2.根据权利要求
1所述的非晶态合金钢带，其特征在于合金钢带的化学成分为75.0-79.5Fe，15.0-19.0B，3.1-4.9Si，余为碳。
3.根据权利要求
1所述的非晶态合金钢带，其特征在于最佳化学成分为79.0Fe，15.5B，3.3Si和2.2C。
专利摘要
本发明提供一种适于各种变压器和旋转电机铁心应用的。磁性极优良的铁基非晶态FeBSiC合金钢带，为此将合金中各成分的含量重新合理调配，使铁的含量低于80％(原子)，同时尽量减少硅的含量，为的是增加硼的含量，并且使非晶化元素硼、硅和碳含量的总和大于20％(原子)，铁、硼、硅和碳含量相加为100％(原子)，从而致使合金钢带最终磁性大幅度提高，淬火急冷喷制钢带合格率明显提高，钢带表面质量明显改善。
文档编号H01F1/16GK87100412SQ87100412
公开日1988年3月30日 申请日期1987年2月2日
发明者杨膺善, 李志华, 徐礼宇 申请人:冶金工业部钢铁研究总院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan