专利名称：Fe基非晶态合金带及由其形成的磁芯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有优异磁性能的Fe基非晶态合金带，以及用这种Fe基非晶态合金带组成的磁芯，特别是涉及可用于如下用途的Fe基非晶态合金带及其磁芯各种变压器；电抗器(reactor)；噪声降低部件，如有源滤波器的扼流圈、平滑扼流圈、共模扼流圈等；激光电源；加速器的磁脉冲功率部件；发动机；发电机等。
背景技术：
已知的用于各种变压器和电抗器，噪声降低部件，例如有源滤波器的扼流圈、平滑扼流圈、共模扼流圈和电磁屏蔽，激光电源，加速器的磁脉冲功率部件；发动机；发电机等的具有高饱和磁通密度和低铁芯损耗的磁性合金是硅钢和Fe基非晶态合金。尽管硅钢具有高磁通密度和低成本，但其不利之处在于高频应用中的铁芯损耗大。Fe基非晶态合金的饱和磁通密度低于硅钢的饱和磁通密度，因而需要大磁芯。而且Fe基非晶态合金的磁致伸缩大，容易因应力影响而使特性变差。
至于变压器的磁芯材料，JP9-31610A公开了一种非晶态Fe-Si-B-M合金带的制造方法，其中M表示不可避免的杂质，至少一种选自Al、Ti、S、Mn和Zr的元素。这种非晶态合金在80A/m磁场中的磁通密度为1.4T或以上。
至于改善Fe基非晶态合金铁芯损耗的方法，JP10-324961A公开了一种Fe-Si-B-M非晶态合金带的制造方法，其中M是至少一种选自Mn、Co、Ni和Cr的元素。在这种方法中，在磁场中在中等温度或高温下进行常规热处理之前，在相对较低的温度下进行热处理至少6小时或更长时间。
但是，上述的常规Fe基非晶态合金带由于磁通密度低而不适合用作变压器的磁芯材料。因为磁通密度低，最大工作磁通密度也必须低，因此磁通密度低的磁芯不可避免地具有大体积或重量。
虽然对由上述常规Fe基非晶态合金带获得的金属板进行了铁芯损耗研究，但是对其用于磁芯时产生的应力情况却没有进行研究。此外，由于JP10-324961提出的制造方法需要进行长时间的热处理，这在批量生产中是非常不可取的。
因为非晶态Fe-Si-B或Fe-Si-B-C合金在具有适合高饱和磁通密度的组成时结晶温度低，因此它们必须在低温下进行热处理。此时，由于用于变压器磁芯的Fe基非晶态合金中产生的应力没有充分释放，Fe基非晶态合金的磁特性变得非常差。
发明内容
发明目的因此，本发明的一个目的是提供一种具有改良饱和磁通密度和软磁特性的Fe基非晶态合金带，这种合金带中的应力在较短的时间内通过热处理而被充分释放。
本发明的另一个目的是提供一种由这样的Fe基非晶态合金带组成的磁芯。
发明概述本发明的第一种具有优异磁性的Fe基非晶态合金带由如下通式表示FeaSibBcMx，其中M为Cr和/或Ni，a为78至86原子％，b为0.001至5原子％，c为7至20原子％，而x为0.01至5原子％，(a+b+c+x)＝100。当M是Cr时，优选x为0.01至1原子％，而当M是Ni时，优选x为0.1至5原子％。在预定条件下进行热处理，可以提供这种具有提高了的磁通密度并充分释放应力的Fe基非晶态合金带。优选这种Fe基非晶态合金带的厚度为25至40μm，饱和磁通密度为1.6T或以上，在80A/m磁场中的磁通密度为1.5T或以上。
为了进一步提高Fe基非晶态合金带的磁通密度并充分释放应力，更优选a为78至85原子％，b为0.001至3原子％，c为10至20原子％，且x为0.02至4原子％。这种Fe基非晶态合金的饱和磁通密度为1.65T或以上，在80A/m磁场中的磁通密度为1.6T或以上。
本发明的第二种具有优异磁性的Fe基非晶态合金带由如下通式表示FeaSibBcCdMx，其中M为Cr和/或Ni，a为78至86原子％，b为0.001至5原子％，c为7至20原子％，d为0.001至4原子％，而x为0.01至5原子％，(a+b+c+d+x)＝100。当M是Cr时，优选x为0.01至1原子％，而当M是Ni时，优选x为0.1至5原子％。在预定条件下进行热处理，可以提供这种具有提高了的磁通密度并充分释放应力的Fe基非晶态合金带。优选这种Fe基非晶态合金带的厚度为25至40μm，饱和磁通密度为1.6T或以上，在80A/m磁场中的磁通密度为1.5T或以上。
为了进一步提高Fe基非晶态合金带的磁通密度并充分释放应力，更优选a为78至85原子％，b为0.001至3原子％，c为10至20原子％，d为0.01至3原子％，且x为0.02至4原子％。这种Fe基非晶态合金的饱和磁通密度为1.65T或以上，在80A/m磁场中的磁通密度为1.6T或以上。
本发明的磁芯是由上述任何一种Fe基非晶态合金带经过切割-搭接(cut-lap)或逐步搭接(step-lap)方法制成变压器所需形状而制得的。
图1(a)所示为一个由本发明Fe基非晶态合金带组成的环形磁芯实例的平面图；图1(b)是沿着图1(a)中A-A线的横断面视图；图2(a)所示为另一个由本发明Fe基非晶态合金带组成的环形磁芯实例的平面图；图2(b)是沿着图2(a)中B-B线的横断面视图；图3(a)所示为用切割-搭接或逐步搭接方法制造的环形磁芯实例的部分放大平面图；图3(b)是沿着图3(a)中C-C线的横断面视图；图4是应力松施率测量方法的示意图。
优选实施方案详述[1]组成本发明的第一种Fe基非晶态合金由通式FeaSibBcMx表示，其中M为Cr和/或Ni，a为78至86原子％，b为0.001至5原子％，c为7至20原子％，而x为0.01至5原子％，(a+b+c+x)＝100。
本发明的第二种Fe基非晶态合金由通式FeaSibBcCdMx表示，其中M为Cr和/或Ni，a为78至86原子％，b为0.001至5原子％，c为7至20原子％，d为0.001至4原子％，而x为0.01至5原子％，(a+b+c+d+x)＝100。
当使用本发明的含Cr和/或Ni的Fe基非晶态合金时，制造磁芯时产生的应力通过热处理而被充分释放。Cr的作用是降低合金的熔体粘度，并改善与轧辊的可湿性和表面条件。Cr和Ni还有在热处理时加速Fe基非晶态合金中应力释放，从而改善其软磁特性的作用。但是，当所含Cr和/或Ni的量太少时不能达到足够的效果，而它们过量时又会使居里温度和饱和磁通密度明显变差。因此，基于100原子％的合金主组成(a+b+c+x或a+b+c+d+x)，Cr和/或Ni的量为0.01至5原子％，优选为0.02至4原子％，更优选为0.1至4原子％。
当M是Cr时，x的范围优选为0.01至1原子％，更优选为0.02至0.5原子％。当M是Ni时，x的范围优选为0.1至5原子％，更优选为0.3至4原子％。因此Cr和Ni的必需量存在差别。少量的Cr对于释放将合金制成磁芯过程中产生的应力是有效的，而比Cr量更多的Ni才能有效地释放将合金制成磁芯过程中产生的应力。可以根据所需的磁特性和应力松施率来适当选择Cr和Ni。
Si是对合金非晶态化重要的元素，也是保持合金的居里温度高到某种程度所必需的元素。Si量太少时，合金的居里温度太低而无法投入实际应用。另一方面，Si量太多时，会增加合金的铁芯损耗，导致磁通密度和热稳定性降低。因此，基于100原子％合金的主组成，Si的量为0.001至5原子％，优选为0.001至3原子％。
B是使合金非晶态化重要的元素。当B量太少时，很难使合金非晶态化，导致软磁特性降低且铁芯损耗增加。另一方面，B量太大时，会降低合金中Fe和/或Si的百分比，导致磁通密度的降低和热稳定性的下降。因此，基于100原子％合金的主组成，B的量为7至20原子％，优选为10至20原子％。
C能有效地降低合金的熔体粘度并改善与轧辊的可湿性。但是，太多的C会通过老化使磁特性变差。因此，基于100原子％合金的主组成，C的量为0.001至4原子％，优选为0.01至3原子％，更优选为0.1至3原子％。
余量基本上是Fe，这种获得高磁通密度的重要元素。但是，太多的Fe会增加铁芯损耗并使热稳定性变差。因此，，Fe的量为78至86原子％，优选为78至85原子％。
本发明的Fe基非晶态合金可以包含Mn、P、S、Cu、Al、Sn、Pb、Ca、Ti和Zr中的至少一种作为不可避免的杂质，其量基于100原子％合金的主组成为约0.0002至0.2原子％。
制造方法本发明的Fe基非晶态合金是这样获得的将上述组合物熔体用单轧辊方法等快速淬火，并在预定温度下热处理获得的Fe基非晶态合金以释放合金中的应力。尽管采用单轧辊方法等的快速淬火通常在空气中、在Ar或He气气氛中、或者在减压气氛下进行，但是也可以在含氮气、一氧化碳或二氧化碳的气氛中进行。虽然热处理一般是在Ar、He、N2等惰性气体气氛中或在真空中进行的，但它也可以在空气中进行。
理想的热处理一般在露点为-30℃或以下的惰性气体气氛中进行。更优选在露点为-60℃或以下的惰性气体气氛中进行热处理，因为经过这样热处理的金属带的不均匀度小。当在常温下进行热处理时，从批量生产方面考虑，温度保持时间一般为24小时或以下，优选为4小时或以下。在热处理过程中，平均升温速度优选为0.1至200℃/min，更优选为0.1至100℃/min，而平均冷却速度优选为0.1至3000℃/min，更优选为0.1至100℃/min。在该范围内进行的热处理可以提供低磁芯损耗的合金。热处理可以一步或者分多步进行，或者可以重复多次。而且可以向合金施加DC、AC或脉冲电流来产生热处理所需的热能。
如果需要的话，可以在本发明的Fe基非晶态合金带上涂上(1)SiO2、MgO、Al2O3等的粉末或薄膜，(2)由化学转化处理形成的绝缘层，或者(3)通过阳极氧化处理形成的绝缘氧化物层，用于层间绝缘。这些处理降低了涡电流，特别是高频时层间涡电流的影响，从而降低了高频时的磁芯损耗。这些处理对于由具有良好表面条件、宽度为50mm或以上的宽带材组成的磁芯特别有效。此外，可以在制造磁芯时进行浸渍、涂布等。
可以将本发明的Fe基非晶态合金带加工成如图1和2所不的环，用于变压器、发动机和发电机等的磁芯1。本发明的Fe基非晶态合金带10适合通过切割-搭接或逐步搭接方法而制成变压器形状，提供磁芯。
下面将参照实施例对本发明进行描述，但本发明不受这些实施例限制。
具体实施例方式
实施例1将具有由表1所示的由FeaSibBcMx(a+b+c+x＝100)表示的组成的合金熔体用单轧辊法快速淬火，得到宽5mm和厚25μm的Fe基非晶态合金带。
将在Ar气氛中经过热处理的每个Fe基非晶态合金带缠绕形成外径19mm和内径15mm的环形磁芯。在热处理过程中，在和铁芯磁路一致的方向上施加1kA/m的磁场，将温度在2小时内升高到热处理的最佳温度320℃至370℃，在此温度下所得铁芯的饱和磁通密度和其它软磁性质最好，在每个热处理温度下保持1小时，然后在1小时内冷却至200℃。经过热处理的金属带主要是非晶态的。测量所得环形磁芯的饱和磁通密度BS，在80A/m磁场中的磁通密度B80，在1.3T磁通密度、50Hz频率磁场中的铁芯损耗W13/50，以及在1.4T磁通密度、50Hz频率磁场中的铁芯损耗W14/50。
如图4所示，将每个切割成为长度为10.5(π·R0)cm的Fe基非晶态合金带10缠绕在直径为R0cm的石英管11上，形成单片样品，并且在和上述相同的条件下在制成环的过程中进行热处理。测量与从石英管11上脱下的C形状样品10’相对应的圆的直径R1，通过如下公式确定应力松施率RSRS＝(R0/R1)×100[％]，作为表示通过退火(加热处理)的应力释放程度的一个参数。应力松施率RS为100％意味着应力被完全释放。
结果见表1。
表1
备注*本发明以外的样品。
从表1明显可见样品1-1至1-25比样品1-26至1-28、1-31及1-37具有更大的应力松施率Rs，因此当把它们制成环时所产生的应力得以充分释放。样品1-1至1-25比样品1-26至1-38在铁芯损耗W13/50和W14/50方面改进更大。
当在工作磁通密度为1.3T或以上的条件下使用低磁通密度的合金时，这种合金由于有非常大的铁芯损耗，例如W14/50，而不适合用作磁芯材料。然而，由于本发明Fe基非晶态合金带的饱和磁通密度高达1.6T或者更高，它的工作磁通密度可以增加到1.4T，故其铁芯损耗W14/50小到可以投入实际使用。因此，本发明的Fe基非晶态合金带与常用的材料相比，可以提供体积更小性能更好的磁芯。
实施例2采用和实施例1相同的方法制造和热处理具有各种组成的样品2-1至2-11和2-12至2-16。每个所得Fe基非晶态合金带的铁芯损耗增加比例Wr连同其组成、热处理温度、饱和磁通密度Bs、应力松施率Rs、平均表面粗糙度Ra和空间因数一起显示于表2中。饱和磁通密度Bs和应力松施率Rs的测量方法和实施例1相同。
铁芯损耗增加比例Wr是表示当工作磁通密度从1.3T提高到1.4T时铁芯损耗增加比例的一个参数，其由下等式表示Wr＝(W14/50-W13/50)/W13/50×100[％] (2)，其中W13/50表示在1.3T磁通密度、50Hz频率下的铁芯损耗，W14/50表示在1.4T磁通密度、50Hz频率下的铁芯损耗。在样品2-12中，在把合金带制成环形磁芯时产生的应力没有得到充分释放，其饱和磁通密度也小。因此，样品2-12的铁芯损耗在1.4T工作磁通密度下急剧增加，Wr值大。尽管样品2-13具有高饱和磁通密度，但是由于将其制成环形磁芯时产生应力的释放率低而具有大的Wr值。由于含适量Cr或Ni的样品2-1至2-11经过热处理其应力得到充分释放，而且饱和磁通密度高，它们的铁芯损耗增加比Wr小于样品2-12和2-13的铁芯损耗增加比Wr。
为了测量表面粗糙度，将每个Fe基非晶态合金带切割成宽5mm、厚25um和长12cm的长方形，并采用上述相同的方法进行热处理。将在带宽度方向上测量的表面粗糙度进行算术平均。再进一步测量由每个Fe基非晶态合金带组成的磁芯的空间因数。一般而言，表面粗糙度Ra越小，磁芯的空间因数越大。加入适量Cr和/或Ni的作用是降低合金的熔体粘度，从而合金熔体能够很好地湿润轧辊。因此，所得的非晶态合金带与不含Cr或Ni的常用非晶态合金带相比，具有更光滑的表面。Fe基非晶态合金带的表面越光滑，制造出的磁芯的空间因数越大，从而使磁芯体积更小、重量更轻。
表2
备注*本发明以外的样品。
(1)表面粗糙度的算术平均值。
用样品2-12和2-13制成的环形磁芯的饱和磁通密度Bs小于具有相同组成的单片样品的饱和磁通密度Bs，这是因为制成磁芯时产生的应力。另一方面，由于用属于本发明范围的样品2-1至2-11金属带制造的环形磁芯经过热处理，应力得到充分释放，其饱和磁通密度只有很小的下降，下降比例远小于样品2-12和2-13的下降比例。
当向Fe基非晶态合金中加入用于改善铁芯损耗和耐腐蚀性的元素时，合金的磁特性一般很可能变差。但是，本发明的Fe基非晶态合金含适量能有效释放应力的Cr和/或Ni，其饱和磁通密度和既不含Cr也不含Ni的合金的那些相当。因此，本发明的Fe基非晶态合金带由于制造磁芯过程中产生的应力被充分释放而具有优异的磁特性，适合用作变压器的磁芯。
众所周知，加入Co可加大Fe基非晶态合金的饱和磁通密度。含Co的样品2-14至2-16具有大的饱和磁通密度和空间因数。但是，Co的加入增加了Fe基非晶态合金的成本，因为Co是稀有金属。另一方面，Ni和Cr比Co便宜。如果加入的Ni或Cr适量，对Fe基非晶态合金饱和磁通密度和空间因数的改善作用与加入Co类似。因此加入适量的Ni和/或Cr能有效地使Fe基非晶态合金充分释放应力并具有优异的磁特性，从而能够制造体积小、重量轻的磁芯。
实施例3将具有由表3所示的由FeaSibBcCdMx(a+b+c+d+x＝100)表示的组成的合金熔体用单轧辊法快速淬火，得到宽5mm和厚25μm的Fe基非晶态合金带。将所得的每个Fe基非晶态合金带缠绕形成外径19mm、内径15mm的环形磁芯，并如实施例1中一样进行热处理。经过热处理的合金主要是非晶态的。
如实施例1中一样，测量每个样品的饱和磁通密度BS，在80A/m磁场中的磁通密度B80，在1.3T磁通密度、50Hz频率下的铁芯损耗W13/50，在1.4T磁通密度、50Hz频率下的铁芯损耗W14/50，以及应力松施率Rs。结果见表3。
表3
备注*本发明以外的样品。
从表3明显可见样品3-1至3-19的铁芯损耗W13/50和W14/50与样品3-21至3-29相比得到了改善。
实施例4将和实施例1至3相同的合金熔体用单轧辊法快速淬火，得到厚25μm和宽50mm的非晶态合金带。采用切割-搭接或逐步搭接方法将每个合金带缠绕形成用于变压器的外径19mm和内径15mm的环形磁芯，并以与实施例1中的相同方式进行热处理。由于非晶态合金中含有适量的Cr和/或Ni，将它们制成环时产生的应力经过热处理而被充分释放，使得变压器磁芯的间隙窄并且具有优异的磁特性。
本发明Fe基非晶态合金带的饱和磁通密度高且磁芯损耗小，适合用于电力变压器和电抗器、噪声降低部件如有源滤波器的扼流圈，平滑扼流圈，共模扼流圈、电磁屏蔽等、激光电源、加速器的磁脉冲电源电路部件、发动机、发电机等。由于本发明Fe基非晶态合金带中含适量的Cr和/或Ni，通过热处理在相对较短的时间里使应力得以充分释放，这样的合金带适合批量生产。特别是如图3所示的，用切割-搭接或逐步搭接方法制造电源变压器磁芯，可以使磁特性的下降和磁芯损耗的增加变得非常小。
加入适量的Cr和/或Ni降低了合金熔体的粘度，由此合金熔体可以使轧辊很好地湿润，从而改善了所得Fe基非晶态合金带的表面条件。由于合金带表面光滑，所以可以制造具有高空间因数的体积小重量轻的磁芯。
权利要求
1.一种具有优异磁特性的Fe基非晶态合金带，该合金带由如下通式表示FeaSibBcMx，其中M为Cr和/或Ni，a为78至86原子％，b为0.001至5原子％，c为7至20原子％，而x为0.01至5原子％，(a+b+c+x)为100。
2.根据权利要求1所述的Fe基非晶态合金带，其饱和磁通密度为1.6T或以上，且在80A/m磁场中的磁通密度为1.5T或以上。
3.根据权利要求1所述Fe基非晶态合金带，其中a为78至85原子％，b为0.001至3原子％，c为10至20原子％，x为0.02至4原子％，而且该合金带的饱和磁通密度为1.65T或以上，在80A/m磁场中的磁通密度为1.6T或以上。
4.根据权利要求1所述的Fe基非晶态合金带，其中M是Cr，且x为0.01至1原子％。
5.根据权利要求1所述的Fe基非晶态合金带，其中M是Ni，且x为0.1至5原子％。
6.一种具有优异磁特性的Fe基非晶态合金带，该合金带由如下通式表示FeaSibBcCdMx，其中M是Cr和/或Ni，a为78至86原子％，b为0.001至5原子％，c为7至20原子％，d为0.001至4原子％，且x为0.01至5原子％，(a+b+c+d+x)为100。
7.根据权利要求6所述的的Fe基非晶态合金带，其饱和磁通密度为1.6T或以上，且在80A/m磁场中的磁通密度为1.5T或以上。
8.根据权利要求6所述的Fe基非晶态合金带，其中a为78至85原子％，b为0.001至3原子％，c为10至20原子％，d为0.01至3原子％，x为0.02至4原子％，并且这种合金带的饱和磁通密度为1.65T或以上，在80A/m磁场中的磁通密度为1.6T或以上。
9.根据权利要求6所述的Fe基非晶态合金带，其中M是Cr，且x为0.01至1原子％。
10.根据权利要求6所述的Fe基非晶态合金带，其中M是Ni，且x为0.1至5原子％。
11.一种由权利要求1至10任何一项所述的Fe基非晶态合金带组成的磁芯，这种磁芯是用切割-搭接或逐步搭接方法而具有变压器的形状。
全文摘要
一种用切割－搭接或逐步搭接方法制成变压器所需形状的磁芯，该磁芯由具有优异磁特性的Fe基非晶态合金带组成，所述合金带由如下通式表示Fe
文档编号H01F3/04GK1721567SQ20051006852
公开日2006年1月18日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年7月5日
发明者直江昌武, 小川雄一, 吉泽克仁 申请人:日立金属株式会社