CN103409708A

CN103409708A - 一种铁基非晶合金材料

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Publication number: CN103409708A
Application number: CN2013103685449A
Authority: CN
Inventors: 尹丽娟; 周立伟; 胡源; 刘红玉
Original assignee: Qingdao Yunlu Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Qingdao Yunlu Advanced Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103409708B

Abstract

本发明属于功能材料制造领域，具体涉及一种性能受湿度影响较小、抗氧化能力较强的铁基非晶合金材料；其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 79%～81%；Si 8.5%～9.5%；B 10%～12%；Mn 0.1%～0.15%；Cu 0.05%～0.1%；Cr 0.05%～0.1%；其具有性能受湿度影响较小的特点。

Description

一种铁基非晶合金材料

技术领域

本发明属于功能材料制造领域，具体涉及一种性能受湿度影响较小、抗氧化能力较强的铁基非晶合金材料。

背景技术

铁基非晶合金在经过适当的热处理工艺后由于其独特的纳米晶/非晶双相结构而兼有高饱和磁通密度、高磁导率、铁损小、电阻率高等优异的软磁性能，目前已广泛应用于配电变压器行业，随着国家节能减排政策的推出，其用量还在逐年增加。

铁基非晶合金以Fe元素为主，加入少量的非晶形成元素Si、B经快速冷凝工艺形成一种非晶态材料，其中Fe的质量百分比占90%以上。一般制造流程为按照化学成份配置母合金，经过熔炼、快速冷凝后制得非晶带材，然后经过剪切、码放、搭接、成型、热处理、固化后制备成所需规格铁芯。

在实际生产中，母合金多采用1t甚至以上的感应炉这种大型设备进行熔炼，带材的产量也非常高；铁芯的重量大部分重量集中在50-200kg之间，而且铁芯制备的工艺步骤繁琐、用时长，如码放、搭接、成型、固化步骤均需要人工进行逐个的加工操作，同时热处理和固化步骤还分别需要在设备中加热4～12h。这样带材从码放到制造成铁芯需要经过至少2天的时间，其中大部分时间带材都暴露在空气中，在实际生产中，常常由于人工、设备等其他资源不具备等原因，使同一炉生产出的带材需要分多个批次才能完全进入铁芯的生产线，这就导致带材在空气中暴露更长的时间。

而制造环境对非晶铁芯的损耗等性能具有非常重要的影响，如现有技术中成分为Fe₇₈Si₉B₁₃的带材在湿度为20-40%环境下存放和制备的铁芯损耗为0.16-0.19W/kg，而在湿度为65-85%下制备的铁芯损耗>0.20W/kg，这是由于空气中湿度大时，空气中的水份极易引起非晶带材表面氧化，致使制造的铁芯损耗增大，损耗的增大将会导致组装成的变压器耗能大幅增加。因此降低空气中的水份对带材性能的影响对于提高非晶铁芯的性能、提高不同季节不同批次铁芯的一致性具有重要的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种性能受湿度影响较小的铁基非晶材料，由该材料制成的非晶带材不易被空气中的水份氧化、由该材料制成的非晶铁芯性能具有较好的一致性。

本发明提供的技术方案为：一种铁基非晶合金材料，其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 79%～81%； Si 8.5%～9.5%； B 10%～12%； Mn 0.1%～0.15%； Cu 0.05%～0.1%； Cr 0.05%～0.1%。

Fe为本发明成分中的铁磁性元素，其含量a为79.00至81.00 at%,当Fe的含量小于79 at%时，铁基非晶没有足够大的饱和磁感应强度Bs。另一方面，当它超过81 at%时，铁基非晶合金带具有较差的非晶形成能力，因此a优选为79.00至81.00 at%。

Si和B是非晶形成元素，Si含量为8.50至9.50 at%，一方面为铁基非晶合金熔点降低做出贡献，另一方面主要是有效提高了合金的初始磁导率；B含量为10.00至12.00at%时有利于降低合金的熔点，有利于形成非晶条带。

Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，当Mn含量为0.10-0.15%时具有最佳的抗氧化作用；Cu存在于钢中具有耐大气腐蚀性，Cu对抵消钢中S也有有明显效果，在此合金成分中当Cu含量为0.05-0.10%时具有较好的耐大气腐蚀性；Cr可提高钢的抗氧化性和脆性转变温度，加入适度的Cr，含量为0.05-0.10%对钢的抗氧化能力做到较好的贡献。

本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的铁基非晶合金材料的性能受湿度影响较小，空气湿度对制造的铁芯的损耗等性能影响较小，从而对组装成的变压器耗能影响较小，因此本发明通过降低空气中的水份对带材性能的影响提高了不同季节不同批次铁芯的一致性。2、本发明提供的铁基非晶合金材料具有较强的抗氧化能力，由该材料制成的带材不易被空气中的水份氧化，其在湿度较高的环境，如湿度高达85%的环境下，仍能保持优异的性能，这样就降低了非晶合金带材和铁芯对保存条件的要求，延长了保质期，提高了其应用范围。3、本发明提供的非晶合金材料具有优异的磁性能，适于广泛应用于配电变压器行业。

具体实施方式

下面结合实施方式具体说明本发明。

本发明提供的铁基非晶合金材料的形式可以是带材，也可以是铁芯，具体的制备方法如下所述。

首先配置母合金，其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 79%～81%； Si 8.5%～9.5%； B 10%～12%； Mn 0.1%～0.15%； Cu 0.05%～0.1%； Cr 0.05%～0.1%，上述各成分总和为100%，合金中附带有极少量的不可避免的杂质。

然后喷制带材，将上述配置的母合金，用炉容量大于1t的感应炉进行熔炼，控制熔炼温度为1350-1500℃之间，熔炼时间为40-60min，将熔融合金经过中间包，喷带温度为1300-1400℃，结晶器辊面线速度为20-25m/s，在非真空环境下制得厚度为20-30μm、宽度为142mm、170mm、213mm的非晶薄带。

最后制备铁芯，对所得非晶薄带通过剪切、码放、搭接、成型制备成所需规格铁芯半成品，在一定温度和纵向磁场下进行热处理，其中保温时铁芯温度为350-400℃，在铁芯叠厚中心处所加纵向磁场强度为1400A/m-1500A/m，得到纳米晶粒和剩余非晶基体所构成的两相结构的合金铁芯，铁芯经过涂3M胶水或环氧树脂使端面固化制备而成。

实施例1

本实施例提供的铁基非晶合金材料，其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 80.35%； Si 9.1%； B 10.3%； Mn 0.12%； Cu 0.06%； Cr 0.07%。本实施例的铁基非晶合金带材和铁芯的制备方法如下：

首先配置合金，按照上述化学成分配置。

然后喷制带材，将上述配置的母合金用炉容量为2t的中频感应炉进行熔炼，控制熔炼温度为1350-1500℃之间，熔炼时间为50min，将熔融合金经过中间包，喷带温度为1300-1400℃，结晶器辊面线速度为20-25m/s，在非真空环境下制得宽度为142±0.5mm，平均厚度为22-25微米，带材横向厚度偏差≤3.0微米，叠片系数≥86%的铁基非晶薄带。

最后制备铁芯，取两份上述制得的非晶薄带分别在湿度为20-40%的环境中和湿度为65-85%的环境中裸露存放两天后，分别在相应的湿度环境中通过剪切、码放、搭接、成型制备成两个铁芯半成品，其容量为400kVA，铁芯窗高为185mm，窗宽为130mm，叠厚为107mm，重量为93kg，将铁芯半成品进行热处理，热处理保温温度为350-400℃（铁芯温度），在铁芯叠厚中心处纵向磁场强度1400-1500A/m，经胶水固化后制得非晶铁芯。

由在湿度为20-40%的环境中存放并制备成的两个铁芯性能取平均值，标记为S1-A；由在湿度为65-85%的环境中存放并制备成的两个铁芯性能取平均值，标记为S1-B。

实施例2

本实施例提供的铁基非晶合金材料与实施例1的区别在与，其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 79.35%； Si 9.3%； B 11.1%； Mn 0.11%； Cu 0.08%； Cr 0.06%。本实施例的铁基非晶合金带材和铁芯的制备方法与实施例1的区别仅在于配置合金时，按照上述化学成分配置。

本实施例由在湿度为20-40%的环境中存放并制备成的两个铁芯磁性能取平均值，标记为S2-A；由在湿度为65-85%的环境中存放并制备成的两个铁芯磁性能取平均值，标记为S2-B。

对比例1

本对比例提供的铁基非晶合金材料，其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 78%； Si 9%； B 13%。

本对比例的铁基非晶合金带材和铁芯的制备方法如下：

首先配置合金，按照上述化学成分配置。

最后制备铁芯，取两份上述制得的非晶薄带分别在湿度为20-40%的环境中和湿度为65-85%的环境中裸露存放两天，然后分别在相应湿度的环境中通过剪切、码放、搭接、成型制备成两个铁芯半成品，其容量为400kVA，铁芯窗高为185mm，窗宽为130mm，叠厚为107mm，重量为93kg，将铁芯半成品进行热处理，热处理保温温度为350-400℃（铁芯温度），在铁芯叠厚中心处纵向磁场强度1400-1500A/m，经胶水固化后制得非晶铁芯。

由在湿度为20-40%的环境中存放并制备成的两个铁芯性能取平均值，标记为D1-A；由在湿度为65-85%的环境中存放并制备成的两个铁芯性能取平均值，标记为D1-B。

本实施方式所述裸露存放是指：不采取遮盖、加干燥剂、包装等其他任何防护措施，将制得的非晶薄带以成卷的方式，在规定的环境中静置。

性能测试：取每个例子中的4个铁芯在频率为50Hz、一定的磁密下检测其单位质量的损耗和单位质量的激磁功率。两个实施例和一个对比例共取12个铁芯，测量数据并将相应的平均值记录在表1中。损耗和单位质量的激磁功率值越小，说明材料的磁性能越好；同一个例子中，标记为A与B的铁芯性能差异越小，说明材料的性能受湿度影响较小，其抗氧化能力越强。

表1

由上表对比可知，本发明提供的实施例单位质量的激磁功率在0.268～0.276之间，小于对比例在0.315～0.352之间的激磁功率值，本发明提供的实施例损耗在0.158～0.169之间，小于对比例在0.176～0.219之间的损耗值，说明本发明的非晶合金材料的磁性能较好，优于对比例。

计算在湿度为65-85%的环境中存放并制备的铁芯与在20-40%的环境中相比较损耗和激磁功率的增加值，即同一例子中标记为B的铁芯比A的增加值，实施例1中激磁功率增加值为-0.002，损耗增加0.001；实施例2中激磁功率增加0，损耗增加0.001；对比例1中激磁功率增加0.037，损耗增加0.043；由上述对比可知本发明提供的实施例中湿度增加后，制得的铁芯的损耗和激磁功率值基本没有改变，其性能没有由于湿度的改变而受到明显影响，其不易被空气中的水份氧化，抗氧化能力较强；而对比例中B标记的铁芯比A标记的铁芯损耗和激磁功率值明显增加，说明其性能受湿度影响而明显恶化，抗氧化能力较弱。

可得本发明提供的实施例1和2制作的铁芯性能，并不随湿度的变化而变化，而对比例中铁基非晶经典成分的铁芯的Pe、P值受到湿度影响后均严重恶化，说明本发明的非晶合金铁芯与对比例成分相比抗氧化能力更强，其性能随湿度变化较小。

综上所述，本发明具有以下有优点：1、本发明提供的铁基非晶合金材料的性能受湿度影响较小，空气湿度对制造的铁芯的损耗等性能影响较小，从而对组装成的变压器耗能影响较小，因此本发明通过降低空气中的水份对带材性能的影响提高了不同季节不同批次铁芯的一致性。2、本发明提供的铁基非晶合金材料具有较强的抗氧化能力，由该材料制成的带材不易被空气中的水份氧化，其在湿度较高的环境，如湿度高达85%的环境下，仍能保持优异的性能，这样就降低了非晶合金带材和铁芯对保存条件的要求，延长了保质期，提高了其应用范围。3、本发明提供的非晶合金材料具有优异的磁性能，适于广泛应用于配电变压器行业。

Claims

1.一种铁基非晶合金材料，其特征在于：其具体化学成分按原子个数百分比计算为：Fe 79%～81%； Si 8.5%～9.5%； B 10%～12%； Mn 0.1%～0.15%； Cu 0.05%～0.1%； Cr 0.05%～0.1%。