[發(fā)明專利]一種中高頻用高硅鋼軟磁鐵芯的制備方法

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• 申請日: 2016-11-15
• 公開（公告）號: CN106653344A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 梁永鋒;林均品;王帥;葉豐;齊佳坤;張來啟;郝國建
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01F41/02
• 分類號: H01F41/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責任公司11237
• 代理人: 張仲波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于中高頻條件下的高硅鋼鐵芯的制備方法。

技術(shù)背景

高頻變壓器是指工作頻率超過中頻(10kHz)的電源變壓器，主要用于高頻開關(guān)電源中作高頻開關(guān)電源變壓器，也有用于高頻逆變電源和高頻逆變焊機中制作高頻逆變電源變壓器。

高頻微型化是變壓器的發(fā)展趨勢，當磁芯材料、繞組材料和變壓器容量一定時，提高頻率可以減小變壓器的體積。我國的高頻變壓器產(chǎn)品仍以傳統(tǒng)產(chǎn)品為主，以鐵氧體、漆包線等為主要原材料，鐵氧體高頻損耗低，具有較低的矯頑力，磁導率較高，但飽和磁通密度較小(室溫下為0.5T)，會導致鐵芯體積較大。非晶合金的磁導率較高，飽和磁通密度較高(1.2T)，高頻損耗較小，但缺點是塑性差，在制備變壓器鐵芯過程中容易斷帶，制備出的鐵芯在高頻下噪音大。而傳統(tǒng)硅鋼片的飽和磁通密度較大，磁導率也較高，但其高頻損耗較大，不適于工作頻率>1kHz的高頻變壓器，這主要是因為其電阻率低和截面尺寸大導致的。

高硅鋼(含硅量大于3.5wt.％的鐵硅合金)與普通硅鋼(含硅量小于3.5wt.％Si的鐵硅合金)相比具有更加優(yōu)異的軟磁性能，特別是含硅量達到6.5wt.％時軟磁性能更加優(yōu)異，例如磁導率高、電阻率高、磁致伸縮系數(shù)幾乎為零。用高硅鋼制作鐵芯，可提高電器效率，降低能耗和噪音。但由于高硅鋼具有本征脆性，在室溫下塑性幾乎為零，難于用傳統(tǒng)的軋制方法加工成板帶狀。世界各國的研究人員也主要集中研究高硅鋼的制備及韌塑性機理方面。目前唯一成功的例子是日本通過化學氣相沉積法已經(jīng)能成功的生產(chǎn)Fe-6.5wt.％Si高硅鋼(Y.Takada,M.Abe,S.Masuda,and J.Inagaki,"Commercial scale production of Fe-6.5wt.％Si sheet and its magnetic properties,"J.Appl.Phys.64(10),1988,5367-5369)。

為了避免高硅鋼中有序相的生成所帶來的本征脆性，可以通過快速冷卻的方法避開其室溫脆性制備高硅鋼。快速凝固是指通過金屬熔體的急速冷卻或者通過抑制其非均勻形核，使合金在較大的過冷度條件下發(fā)生高生長率的凝固，可以獲得傳統(tǒng)的鑄錠及鑄件無法得到的成分、微觀結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)。快速凝固可以抑制高硅鋼大面積的有序化，得到極其細小的晶粒組織，塑韌性很好，解決脆性問題，近終成形，簡化薄帶的制造工藝，降低成本(梁永鋒、林均品、葉豐等，一種短流程高效高硅鋼薄帶的冷軋制備方法，中國發(fā)明專利，ZL 201410276483.8)。

N.Tsuya和K.I.Arai在Journal ofAplied Physics,1979,50(3):1658-1663,Magnetostriction of ribbon-form amorphous and crystalline ferromagnetic alloys中報道用單輥甩帶快速凝固法成功制備出寬5mm，厚40μm的6.5％高硅鋼薄帶，組織細小，具有優(yōu)異的磁性和塑性。

在高頻變壓器中，磁芯作為導磁材料，其性能的好壞決定了變壓器性能的好壞。因此在設(shè)計高頻變壓器時，就需要明確磁性材料在實際應用條件下的磁特性。通過快速凝固工藝制備的高硅鋼薄帶具有截面尺寸小，晶粒尺寸小等特點，再加之隨著硅含量的增加，高硅鋼電阻率增加，能夠較好的抑制高頻使用條件下的渦流，減小趨膚效應，從而降低高頻損耗。又由于其飽和磁感應強度比傳統(tǒng)高頻鐵芯材料鐵氧體高，從而使器件小型化。

高硅鋼薄帶(尤其是Fe-6.5wt.％Si)應用于高頻領(lǐng)域的鐵芯材料是一種綠色、環(huán)境友好型材料，這不僅體現(xiàn)在快速凝固高硅鋼薄帶的制備過程上(短流程、近凈成形)，而且不需要進行傳統(tǒng)硅鋼材料的高溫熱處理(1000℃～1300℃)環(huán)節(jié)，更體現(xiàn)在其在高頻條件下的低能耗和低噪音。由于快速凝固態(tài)高硅鋼薄帶具有一定的塑性，可以二次加工成一定形狀，或者纏繞成帶，用于高速電機或高頻變壓器鐵芯。與非晶合金薄帶相比，大大提高了二次加工可成形性，減小了斷帶、開裂等脆性引起的加工缺陷，而所得高硅鋼鐵芯具備優(yōu)異的磁性能。所以Fe-6.5wt.％Si等高硅鋼薄帶應用于高頻變壓器鐵芯上具有廣闊的前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種中高頻用高硅鋼薄帶(400Hz～100kHz)的制備方法。利用快速凝固甩帶法制備高硅鋼薄帶，甩帶出的高硅鋼薄帶不需熱處理，也不需涂覆絕緣涂層，直接通過沖壓鐵芯形狀進行疊片或纏繞的方式制作成鐵芯，應用于中高頻器件，具有高效、節(jié)能、靜音等特點。