[發明專利]鐵磁非晶合金帶材及其制造方法

有效

• 申請號: 201180041699.0
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN103119665A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 小川雄一;埃里克·A·泰森;松本祐治;詹姆斯·佩羅齊;留蘇克·哈塞戛瓦
• 申請（專利權）人: 梅特格拉斯公司;日立金屬株式會社
• 主分類號: H01F1/153
• 分類號: H01F1/153
• 代理公司: 北京信慧永光知識產權代理有限責任公司 11290
• 代理人: 陳桂香;褚海英

技術領域

本發明涉及在變壓器鐵芯、旋轉機械裝置、電扼流圈(electrical?choke)、磁傳感器和脈沖電源設備中使用的鐵磁非晶合金帶材，還涉及該帶材的制造方法。

背景技術

基于鐵的非晶合金帶材表現出優良的軟磁特性，優良的軟磁特性包括：在AC激勵下的磁損耗低；能夠應用于諸如變壓器、電動機、發電機、能量管理設備(其包括脈沖電源發生器和磁傳感器)等能效磁設備(energy?efficient?magnetic?device)中。在這些設備中，具有高的飽和感應強度和高的熱穩定性的鐵磁材料是優選的。而且，在大規模工業應用中，材料易于制造以及它們的原材料成本都是重要的因素。基于非晶Fe-B-Si的合金滿足上述這些要求。然而，這些非晶合金的飽和感應強度低于在諸如變壓器等設備中傳統地使用的晶體硅鋼(crystalline?silicon?steel)的飽和感應強度，這在某種程度上導致了基于非晶合金的設備具有更大的尺寸。因而，為開發出具有更高的飽和感應強度的非晶鐵磁合金而付出了各種努力。一種途徑就是增加基于Fe的非晶合金中的鐵含量。然而，這并不是簡單易行的，因為這類合金的熱穩定性隨著Fe含量的增加而降低。為了緩解這個問題，曾經添加了諸如Sn、S、C和P等元素。例如，美國專利No.5,456,770(稱為′770專利)披露了非晶Fe-Si-B-C-Sn合金，在該類合金中，Sn的添加增加了這類合金的可成形性和它們的飽和感應強度。在美國專利No.6,416,879(稱為′879專利)中披露了在非晶Fe-Si-B-C-P體系中添加P，且以增加的Fe含量來增大飽和感應強度。然而，在基于Fe-Si-B的非晶合金中諸如Sn、S和C等元素的添加降低了經鑄造而成的帶材的延展性(ductility)，這導致難以制造出寬的帶材。此外，如同′879專利中披露的那樣如果在基于Fe-Si-B-C的合金中添加P，則會導致長期熱穩定性的喪失，這繼而會導致磁芯損耗在數年內增大幾十個百分比。因此，′770專利和′879專利中所披露的非晶合金實際上尚未通過從它們的熔融狀態進行鑄造而制造出來。

除了在諸如變壓器、感應器之類的磁設備中所需的高的飽和感應強度之外，高的B-H方形比(B-H?squareness?ratio)和低的矯頑力H_c也是所期望的，其中B和H分別是磁感應強度和激勵磁場。其原因在于：這類磁性材料具有高的磁性軟度，即意味著易于磁化。因此，這導致了在使用這些材料的磁設備中具有低的磁損耗。在意識到這些因素的情況下，本申請的發明人發現：通過在如美國專利No.7,425,239中描述的非晶Fe-Si-B-C體系中按照一定的水平對Si∶C的比率進行選擇，來將帶材表面上的C沉淀層保持為一定厚度，由此實現這些所期望的除了高的帶材延展性之外的磁特性。而且，在日本專利公開No.2009052064中提出了高飽和感應強度的非晶合金帶材，該帶材通過在合金體系中添加Cr和Mn來控制C沉淀層的高度，由此該帶材表現出改善的熱穩定性，即在設備以150℃運行的情況下多達150年的熱穩定性。然而，所制造出來的帶材顯示出很多表面缺陷：例如沿帶材的長度方向形成的以及在面對鑄造氛圍側(該側跟與鑄造用冷卻體(casting?chill?body)表面相接觸的帶材表面相反)的帶材表面上形成的諸如刮痕、面線(face?line)和開裂線(split?line)等。圖1示出了開裂線和面線的實例。美國專利No.4,142,571中圖示了鑄造用噴口、冷卻體表面在旋轉輪上的基本布置和最終得到的經鑄造而成的帶材。

因而，需要的是如下的鐵磁非晶合金帶材：其表現出高的飽和感應強度、低的磁芯損耗、高的B-H方形比、高的機械延展性、高的長期熱穩定性、以及在高水平的帶材可制造性情形下減少了的帶材表面缺陷。這是本發明的主要方面。更具體地，通過在鑄造期間對鑄造出來的帶材的表面品質的全面研究，得到了如下發現：表面缺陷開始于鑄造的早期，且當沿帶材的長度方向的缺陷長度超過大約200mm或缺陷深度超過帶材厚度的大約40％時，帶材會在缺陷位置處斷裂，這導致鑄造的突然終止。由于這樣的帶材斷裂，在鑄造啟動之后的30分鐘內鑄造終止的比率共計為大約20％。另一方面，對于具有小于1.6T的飽和感應強度的帶材，在30分鐘內鑄造終止的比率為大約3％。另外，在這些帶材上，缺陷長度小于200mm，且缺陷深度小于帶材厚度的40％，沿帶材的長度方向的每1.5m長度內的缺陷發生率為1或2。因而，顯然需要減少在具有超過1.6T的飽和感應強度的帶材中沿帶材的長度方向形成的表面缺陷，以實現連續的鑄造。這是本發明的另一個方面。