專利名稱：改進(jìn)的含鈷鐵基非晶態(tài)合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含鈷的鐵基非晶態(tài)金屬合金，更具體地說，涉及含有鈷、硼、硅及碳的鐵基非晶態(tài)金屬合金，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這些合金具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低的鐵芯損耗以及低的激磁功率。
非晶態(tài)材料基本上無任何長(zhǎng)程原子有序排列，其特征在于X-射線衍射花樣由漫射(寬的)強(qiáng)度最大值組成，數(shù)量上相似于自液體或者無機(jī)氧化物玻璃所觀察到的衍射花樣。這樣的一些花樣完全不同于自晶態(tài)材料所觀察到的由尖而窄的強(qiáng)度最大值組成的衍射花樣。
非晶態(tài)材料以亞穩(wěn)態(tài)存在。故而，當(dāng)加熱到足夠高的溫度之后，隨著結(jié)晶熱的放出，它們開始結(jié)晶;而X-射線衍射花樣開始從非晶態(tài)花樣變化到晶態(tài)花樣。
眾所周知，涉及非晶態(tài)金屬合金的揭示為H.S.Chen和D.E.Polk的美國(guó)專利第3，856，513號(hào)。該專利中所揭示的為一類具有通式為MaYbZc的非晶態(tài)金屬合金，式中M為選自鐵、鎳、鈷、鉻和釩這個(gè)組中的至少一種金屬，Y為選自由磷、硼、和碳組成的這個(gè)組中至少一種元素，Z為選自由鋁、銻、鈹、鍺、銦、錫和硅組成的這個(gè)組中的至少一種元素，“a”約為60～90%(原子百分?jǐn)?shù))，“b”約為10～30%(原子百分?jǐn)?shù))，“c”約為0.1～15%(原子百分?jǐn)?shù))。
隨著非晶態(tài)金屬合金方面的不斷研究和發(fā)展，某些合金系具有的磁性和物理性能使它們?cè)谀承┓矫鎽?yīng)用，特別是在電子工業(yè)上用作變壓器、發(fā)電機(jī)及電機(jī)的鐵芯的應(yīng)用得以增加，這已日趨明顯。被認(rèn)為具有這樣一些性能的一種早期合金為Fe80B20。然而，大家都知道，F(xiàn)e80B20難以鑄成非晶態(tài)且是熱不穩(wěn)定的。故而，必須研制一些具有較好穩(wěn)定性和鑄造性的合金，使非晶態(tài)金屬合金在制造電磁鐵芯，特別是變壓器鐵芯方面得到實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)專利第4，219，355揭示了一種這類合金。
美國(guó)專利第4，219，355號(hào)中所揭示的合金以通式FeaBb SicCd表示，式中“a”、“b”、“c”、和“d”以原子百分?jǐn)?shù)表示，分別約為80～82，12.5～14.5，2.5～5以及1.5～2.5。這些合金具有在溫度高達(dá)大約150℃下能保持穩(wěn)定的良好的交流(AC)和直流(DC)磁性。因此，這些合金特別適用于功率變壓器、航空變壓器、電流變壓器、400Hz變壓器、磁開關(guān)鐵芯、高增益磁放大器以及低頻變換器。
業(yè)已被認(rèn)為適用于制造變壓器的還有另一類合金。例如，美國(guó)專利第4，217，135號(hào)和4，300，950號(hào)均涉及某些鐵-硼-硅合金，它們適用于制造變壓器鐵芯。
從以上引用的專利中的揭示很容易看出，為了達(dá)到對(duì)非晶態(tài)金屬合金的鑄造性能、綜合的磁和力學(xué)性能以及這些性能的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生引人注目的影響，化學(xué)成分的差別不需很大。具體地說，對(duì)變壓器鐵芯材料來說，最需要的性能是易鑄性、高飽和磁化強(qiáng)度、低鐵損、低激磁功率、延性以及高熱穩(wěn)定性。
雖然在鑒定能更好地滿足變壓器鐵芯制造工業(yè)所需要的合金方面業(yè)已取得很大的進(jìn)展，但仍必需更進(jìn)一步提高更高的飽和磁感強(qiáng)度、更低的鐵損、更低的激磁功率以及在高的工作溫度下的更好的熱穩(wěn)定性。
本發(fā)明涉及新型的金屬合金，它基本上由以通式Fea-bCobBcSidCe表示的成分組成，式中“a”、“b”、“c”、“d”和“e”以原子百分?jǐn)?shù)表示，分別約為75-85，0.1-0.8，12-15，2-5，以及1-3。本發(fā)明的合金的特征在于具有良好的鑄造性和延性。
本發(fā)明還涉及一些上述組分的至少約為90%非晶態(tài)的合金。本發(fā)明的非晶態(tài)合金在100℃時(shí)具有至少1.5泰斯拉(tesla)的飽和磁化強(qiáng)度和小于大約0.2瓦特/公斤(也在100℃)的鐵芯損耗。而且，本發(fā)明的非晶態(tài)合金更可取地在大約1.5tesla感應(yīng)強(qiáng)度下具有小于大約0.3VA/Kg的激磁功率值。
本發(fā)明還涉及改進(jìn)的包含這些非晶態(tài)合金的磁鐵芯。改進(jìn)的磁鐵芯包含非晶態(tài)金屬合金本體，所說的非晶態(tài)金屬合金具有的組分包括鐵、硅、硼、碳邦?，所藱n謀咎逡狄言詿懦∠巒嘶稹

圖1為一種現(xiàn)有技術(shù)中的合金Fe81B13.5Si3.5C2和本發(fā)明的一種合金Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2的居里溫度與第一和第二結(jié)晶溫度的比較曲線圖;
圖2為說明二種現(xiàn)有技術(shù)中的合金Fe81B13.5Si3.5C2和Fe78B13Si9中的每種合金與本發(fā)明的一種合金Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2的飽和磁芯感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度變化的圖;
圖3a和3b分別為在一種現(xiàn)有技術(shù)中的合金Fe81B13.5Si3.5C2和本發(fā)明的一種合金Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2試樣的不同感應(yīng)強(qiáng)度下鐵芯損耗和激磁功率的比較圖;
圖4為一種現(xiàn)有技術(shù)中的合金Fe78B13Si9和本發(fā)明的一種合金Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2的各種試樣在不同溫度下的鐵芯損耗比較圖;
圖5a和5b分別為在一種現(xiàn)有技術(shù)的合金Fe81B13.5Si3.5C2、本發(fā)明的一種優(yōu)先采用的合金Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2和本發(fā)明范圍之外的一種合金Fe80C0.1B13.5Si3.5C2的每一種合金在不同感應(yīng)強(qiáng)度下，鐵芯損耗和激磁功率值的示圖，本發(fā)明的合金成分由以下通式表示
Fea-bCobBc Sid Ce再加上伴隨的雜質(zhì)，式中“a”、“b”、“c”、“d”和“e”以原子百分?jǐn)?shù)表示，“a”約為75-85，“b”約為0.1-0.8，“c”約為12-15，“d”約為2-5，以及“e”約為1-3。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，a至e加上雜質(zhì)的總和等于100。
當(dāng)本發(fā)明的合金其中至少約90%為非晶態(tài)，更好至少約為95%為非晶態(tài)以及最好大體上全為非晶態(tài)時(shí)，它具有增強(qiáng)的由高飽和磁化強(qiáng)度值表示的D.C.和A.C.磁性能，低的A.C.鐵芯損耗和低的激磁功率。
本發(fā)明的非晶態(tài)金屬合金是通過以至少約105K/秒速率使合金熔體冷卻而得到的。一般來說，具體的組分按所需的比例選自必需元素的粉末或者顆粒(或者可分析成該元素的材料，例如硼鐵、硅鐵等)，然后熔化和均勻化。再使熔體沉積在激冷表面上，以形成各種各樣的產(chǎn)品，例如濺潑淬火箔或連續(xù)的絲、帶、薄片等。最好，通過把熔體沉積在高速移動(dòng)的激冷表面上，例如美國(guó)專利第4，221，257號(hào)所揭示的旋轉(zhuǎn)輪，使其很快冷卻。
本發(fā)明的非晶態(tài)合金具有最佳的性能組合，即高的飽和磁化強(qiáng)度、低的鐵芯損耗和低的激磁功率。很顯然，每種合金的一項(xiàng)已知性能可能小于最佳值。盡管如此，本發(fā)明的合金，在作為制作磁芯，特別是制造變壓器中所用的那些鐵芯所需的性能之中構(gòu)成了理想的平衡。
本發(fā)明的非晶態(tài)合金在大約-40℃～
150℃溫度范圍內(nèi)具有至少約為1.5tesla的飽和磁化強(qiáng)度值。在20℃下它們具有更好的飽和磁化強(qiáng)度值，即至少約為1.67tesla;在80℃下(非晶態(tài)合金配電變壓器的通常工作溫度)，它們具有最佳的值，即至少約為1.55tesla?？蓺w屬于這樣的非晶態(tài)合金的鐵芯損耗，在1.3 tesla感應(yīng)強(qiáng)度下，-40℃～
150℃的相同溫度范圍內(nèi)，不超過大約0.2瓦特/公斤。在1.3tesla感應(yīng)強(qiáng)度，80-100℃溫度下，更好的鐵芯損耗小于大約0.18瓦特/公斤，而在1.3tesla感應(yīng)強(qiáng)度、100℃時(shí)，更好的鐵芯損耗不大于0.17瓦特/公斤。而且，本發(fā)明的非晶態(tài)合金具有的激磁功率在高達(dá)大約1.5tesla的感應(yīng)強(qiáng)度水平時(shí)小于大約0.3伏安/公斤;在同樣的感應(yīng)強(qiáng)度水平時(shí)，更好的為小于大約0.25VA/kg;而在1.3tesla下，較好的是不大于大約0.20VA/kg。
本發(fā)明的合金具有相當(dāng)于現(xiàn)有技術(shù)中合金的加工性能。此外，本發(fā)明的非晶態(tài)合金比某些較好的現(xiàn)有技術(shù)中的轄鷥榷?，壤_ 的曲線所示。具體地說，本發(fā)明的一種非晶態(tài)合金(以0.5%(原子)Co代替Fe)的居里溫度比一種不含鈷的相當(dāng)?shù)默F(xiàn)有技術(shù)合金的高11K。
本發(fā)明合金的成分對(duì)上述的性能作出貢獻(xiàn)。為了使磁飽和值增至最大，鐵含量應(yīng)當(dāng)盡可能高。雖然本發(fā)明的合金的鐵含量可以在大約75-85%(原子)的范圍內(nèi)，但是為了達(dá)到最大的飽和值最好使鐵含量保持在至少約為79。當(dāng)然，添加硼可促進(jìn)金屬玻璃的形成。添加硅可提高該合金的結(jié)晶溫度和磁穩(wěn)定性。添加碳有利于該合金加工成非晶態(tài)。這樣，硼、硅和碳含量要分別保持在大約12-15，大約2-5和大約1-3的范圍內(nèi)。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了，添加鈷作為一種Fe的替代物意外地提高了所有的受上述成分影響的性能。然而，鈷添加量必須仔細(xì)地控制在大約0.1-0.8%(原子)范圍內(nèi)，鈷含量在大約0.4-0.6%(原子)范圍內(nèi)最佳。
本發(fā)明的非晶態(tài)合金的性能可由使合金退火得以進(jìn)一步提高。退火的方法通常包括把合金加熱到足以達(dá)到應(yīng)力消除的溫度，但要低于開始結(jié)晶所需要的溫度，冷卻合金，至少在退火周期內(nèi)，最好還在冷卻階段，把磁場(chǎng)施加于合金。一般來說，加熱期間采用大約300-400℃范圍的溫度，最好采用大約360-370℃的溫度。采用的冷卻速率范圍為大約0.5℃/分-75℃/分，最好采用的冷卻速率范圍為大約10℃/分-15℃/分。
如上討論，本發(fā)明的非晶態(tài)合金具有優(yōu)良的磁性能，這些性能在采用該材料的裝置的通常工作溫度(80-120℃)下是穩(wěn)定的。事實(shí)上，如圖2和圖4所示，這些性能更是適于高達(dá)至少大約150℃的溫度。高的熱穩(wěn)定性使本發(fā)明的非晶態(tài)合金特別適合于用作變壓器，尤其是配電變壓器的鐵芯材料。準(zhǔn)確地說，較高的感應(yīng)強(qiáng)度值再加上非常低的鐵芯損耗，為變壓器在較之相等鐵芯質(zhì)量的現(xiàn)有技術(shù)變壓器為高的容量下工作，創(chuàng)造了條件。而且，低的能耗能夠降低對(duì)冷卻能力的要求，故而，能減少重量，這對(duì)航空中所用的變壓器是特別重要的。另外，較低的激磁功率水平也有助于提高由本發(fā)明的非晶態(tài)合金構(gòu)成的變壓器的效率，相應(yīng)地增加了功率。
以下的實(shí)施例旨在說明本發(fā)明。敘述具體的工藝、條件、材料、比例以及所列的數(shù)據(jù)是為了說明本發(fā)明，而不應(yīng)認(rèn)作限制由以下權(quán)利要求限定的發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1現(xiàn)有技術(shù)的非晶態(tài)合金的一個(gè)試樣具有的成分為Fe81B13.5Si3.5C2，本發(fā)明的一種較好的合金的試樣具有的成分為Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2。兩者均經(jīng)DSC分析(掃描速率為20℃/分)，以確定材料居里溫度和第一與第二結(jié)晶溫度?，F(xiàn)有技術(shù)的材料和本發(fā)明的較好的合金均由以下的方法制備采用一種具有鈹銅基體的收縮配合鑄造輪制備鐵基非晶態(tài)金屬帶。該鑄造輪具有一種內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，它與美國(guó)專利第4，537，239號(hào)中所述的相似，直徑為38cm，寬度為38cm。以每分鐘990轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的圓周表面速度為20米/秒。在旋轉(zhuǎn)過程中，一個(gè)由澆鑄方向向外傾斜大約10°的空轉(zhuǎn)刷輪不斷地使基體達(dá)到要求的狀態(tài)。與鑄造輪的圓周表面的運(yùn)動(dòng)方向垂直地安裝一個(gè)噴嘴，它具有一條寬0.4毫米和長(zhǎng)10厘米且由第一唇部和第二唇部限定的槽口，每個(gè)唇部的寬度為1.5毫米(唇部以激冷輥的旋轉(zhuǎn)方向依次標(biāo)號(hào))，該噴嘴要這樣裝置使得第一和第二唇部與鑄造輪的表面之間的間隙為0.2毫米。由加壓坩堝把熔點(diǎn)約為1100℃的鐵基金屬合金供給噴嘴，坩堝中的合金保持在1300℃溫度、大約2.9磅/吋2(20 K Pa)壓力下。熔化的合金以22公斤/分的速率通過槽口噴出。在激冷輥表面上凝固成寬10.0厘米、厚0.026毫米的帶。用X-射線衍射儀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該帶的組織為非晶態(tài)的。
如圖1所示，添加鈷使居里溫度有顯著的提高，第一結(jié)晶溫度也有很大的提高，這些性能均表示這是一種較穩(wěn)定的非晶態(tài)產(chǎn)品。
實(shí)施例2在一個(gè)溫度范圍內(nèi)測(cè)試下列合金的試樣，以得出它們的飽和感應(yīng)強(qiáng)度曲線。圖2中的合金1指的是由本發(fā)明的一種較好的合金Fe80.5Co0.5B13.5Si3.5C2所得的曲線。圖2中的合金2指的是由一種市售的合金Fe78B13Si9所得的曲線。圖2中的合金3指的是由另一種市售的合金Fe81B13.5Si3.5C2所得的曲線。這些試樣均按照實(shí)施例1中所述的方法制備。圓環(huán)試驗(yàn)試樣這樣制備把大約15.4kg、寬10cm的以上所列的成分的每一種合金帶繞在鋼芯軸上，以形成內(nèi)、外直徑分別為17.5cm和24.8cm的鐵芯。在該圓環(huán)上繞上40圈高溫磁性線，為退火提供10奧斯特的D.C.環(huán)形磁場(chǎng)。
在氮?dú)鈿夥罩?，使合?的試樣在360℃溫度退火2小時(shí)，在加熱和冷卻時(shí)均采用上述的磁場(chǎng)。
在氮?dú)鈿夥罩校购辖?的試樣在360℃溫度退火2小時(shí)，在加熱和冷卻時(shí)均采用上述的磁場(chǎng)。在氮?dú)鈿夥罩?，使合?和合金3的試樣在355℃下退火2小時(shí)，在加熱和冷卻時(shí)均采用該磁場(chǎng)。每個(gè)試樣均以大約12℃/分的淬火的速度冷卻到200℃，然后再讓其冷卻到室溫。在-40-
150℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)定飽和磁化強(qiáng)度值。飽和感應(yīng)強(qiáng)度值對(duì)溫度的曲線十分清楚地表明，與同一溫度下合金2相比，合金1的飽和值基本上較高，并且可以比得上合金3的飽和值。然而，如圖3a和圖3b清楚地所示，由合金1構(gòu)成的鐵芯的平均鐵損大大地低于由含合金3構(gòu)成的鐵芯的平均鐵損，可達(dá)到的激磁功率也如此。因此，很明顯，與由現(xiàn)有技術(shù)的材料構(gòu)成的鐵芯相比，在一定的感應(yīng)強(qiáng)度水平下工作的本發(fā)明的非晶態(tài)合金的鐵芯具有更高的效率。同樣，如圖4所示，由本發(fā)明的合金1構(gòu)成的鐵芯具有比由合金2構(gòu)成的鐵芯能達(dá)的平均鐵損低得多的平均鐵損。
實(shí)施例3圓環(huán)鐵芯由具有名義成分Fe81-xCoxB13.5Si3.5C2的合金裝配而成，式中X＝0.05和1.0。然后，在感應(yīng)強(qiáng)度水平的范圍內(nèi)，測(cè)試這些圓環(huán)，以得出每個(gè)鐵芯試樣的磁損對(duì)感應(yīng)強(qiáng)度的曲線。在圖5a和圖5b中，每種合金的曲線表示由分別具有X＝1，X＝0.5和X＝0的合金構(gòu)成的鐵芯所得出的結(jié)果。
這些合金均由十分相似于實(shí)施例1中所述的方法生產(chǎn)的。
磁性測(cè)量用合金構(gòu)成的鐵芯是這樣制備的把大約30g、寬5cm的每種上列成分的合金帶繞在直徑為4cm的塊滑石芯軸上。再在圓環(huán)鐵芯上繞一百圈高溫磁性線，為退火提供10奧斯特的D.C.環(huán)形磁場(chǎng)。
如由圖5a和圖5b中的曲線可明顯地看出，在正常的工作感應(yīng)強(qiáng)度水平下，由本發(fā)明的較好成分(即含鈷0.5%)構(gòu)成的鐵芯具有最低的鐵損和激磁功率。更一般地說，這些結(jié)果說明鈷含量的臨界狀態(tài)(即鈷含量保持在大約0.1-0.8之間)。以及它對(duì)總的鐵損和激磁功率值的顯著影響。
權(quán)利要求
1.一種金屬合金，其特征在于所說的合金主要由以下通式表示的成分再加上伴隨的雜質(zhì)組成，F(xiàn)ea-bCobBc SidCe式中“a”、“b”、“c”、“d”和“e”以原子百分?jǐn)?shù)表示，分別為大約75-85，大約0.1-0.8，大約12-15，大約2-5和大約1-3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬合金，其特征在于“a-b”大約為79.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬合金，其特征在于“a-b”大約為80.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬合金，其特征在于“b”大約為0.4-0.6。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬合金，其特征在于“b”大約為0.5。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬合金，其特征在于“c”大約為13.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬合金，其特征在于“d”大約為3.5。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的金屬合金，其特征在于“e”大約為2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬合金，其特征在于所說的合金至少大約90%為非晶態(tài)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬合金，其特征在于所說的合金基本上全為非晶態(tài)的。
11.一種金屬合金，其特征在于所說的合金至少大約90%為非晶態(tài)的且主要由以下通式表示的成分再加上伴隨的雜質(zhì)組成，F(xiàn)ea-bCobBc SidCe式中“a”、“b”、“c”、“d”和“e”以原子百分?jǐn)?shù)表示，分別為大約75-85，大約0.1-0.8，大約12-15，大約2-5和大約1-3，在大約0℃-100℃的溫度范圍內(nèi)，所說的合金具有至少大約1.5 tesla的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。
12.一種由金屬合金本體構(gòu)成的磁鐵芯，其特征在于所說的磁鐵芯至少大約90%為非晶態(tài)，所說的合金主要由以下通式表示的成分加上伴隨的雜質(zhì)組成，F(xiàn)ea-bCobBc SidCe式中“a”、“b”、“c”、“d”和“e”以原子百分?jǐn)?shù)表示，分別為大約75-85，大約0.1-0.8，大約12-15，大約2-5和大約1-3。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁鐵芯，其特征在于在大約-40℃-
150℃溫度范圍內(nèi)，1.3tesla磁感應(yīng)強(qiáng)度下，鐵芯損耗不超過大約0.2瓦特/公斤。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的磁鐵芯，其特征在于在高達(dá)大約1.5tesla的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平下，需用的激磁功率不超過大約0.3伏-安/公斤。
15.一種由金屬合金本體構(gòu)成的磁鐵芯，其特征在于所說的磁鐵芯至少大約90%為非晶態(tài)且在100℃溫度下具有至少大約1.5tesla的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值，所說的磁鐵芯在大約1.3tesla的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平下，鐵損小于大約0.2瓦特/公斤，在大約1.5tesla的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平下，需用的激磁功率不大于大約0.3伏-安/公斤。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁鐵芯，其特征在于在大約1.3tesla磁感應(yīng)強(qiáng)度下需用的激磁功率不大于大約0.20伏-安/公斤。
全文摘要
本申請(qǐng)揭示的金屬合金至少大約90％為非晶態(tài)的，具有高的磁性，它基本上由通式Fe
文檔編號(hào)C22C45/02GK1032555SQ8810710
公開日1989年4月26日 申請(qǐng)日期1988年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月15日
發(fā)明者霍華德·H·利伯曼 申請(qǐng)人:阿蘭德信號(hào)公司