專利名稱：適于低頻用途的具有軟磁特性的無定型合金的制作方法
本專利是申請于1992年12月23日，申請?zhí)枮?96，288的美國專利的繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及無定形金屬合金，特別是涉及基本上含鐵、硼、硅和碳的無定形合金，這些合金應(yīng)用于制造配電變壓器和電力變壓器用的磁心的生產(chǎn)。
無定形金屬合金(金屬玻璃)是缺乏長程原子有序的亞穩(wěn)材料。這類材料的特點是其X-射線衍射圖樣具有漫散(寬)的強度極大，定量上與液體或無機氧化物玻璃所觀測到的衍射圖樣相似。但是，當加熱到足夠高的溫度，無定形合金就開始結(jié)晶，同時釋放結(jié)晶熱。與此對應(yīng)，其X-射線衍射圖樣開始變?yōu)榻Y(jié)晶材料所觀測到的圖樣，即在圖樣中開始產(chǎn)生明銳的強度極大。這些合金的亞穩(wěn)態(tài)與其結(jié)晶態(tài)相比有著明顯的優(yōu)點，特別是就合金的機械性質(zhì)和磁性方面。
例如，在配電變壓器的應(yīng)用上，已經(jīng)有了無定形合金商品，其總磁心損耗只有通常的晶態(tài)原子%Si-Fe晶粒取向鋼的約三分之一。(可參見例如“Metallic Glasses in Distribution Transformer ApplicationsAn Update”，by V.R.V.Ramanan，J.Mater.Eng.，13(1991)pp.119-127)?？紤]到單單美國就有大約三千萬配電變壓器，它們要用五十億磅的磁心材料，則因為使用無定形合金于配電變壓器磁心所帶來的節(jié)能和與之相關(guān)連的經(jīng)濟效應(yīng)是很大的。
無定形金屬合金的生產(chǎn)一般是將合金熔體用本技術(shù)中各種常規(guī)方法加以快速冷卻?！翱焖倮鋮s”這個詞常指至少約104℃/s的冷卻速率;對大多數(shù)富鐵合金，一般需要更高的冷卻速率(105至106℃/s)才能抑制結(jié)晶相的生成，將合金聚冷為亞穩(wěn)無定形態(tài)。可用于制造無定形合金方法的例子包括濺射或噴射沉積到(通常冷卻的)基材上、噴射鑄造、平面流鑄造等。典型的做法是選擇特定的組成，將粉狀或粒狀的所需元素(或者分解生成該些元素的材料，如硼鐵、硅鐵等)以所需的比例熔融和均勻化，然后將合金熔體按對于所選組分合適的冷卻速率驟冷以形成亞穩(wěn)態(tài)。
制造連續(xù)金屬玻璃帶最可取的方法是在Narasimhan提出的USP4，142，571(轉(zhuǎn)讓給Allied Signal Inc)被稱為平面流澆鑄的方法。該方法包括以下步驟(a)將一冷卻物體的表面以一預(yù)定的速率(約每分鐘100至2000米)縱向地在一噴嘴的孔前通過，該孔是個槽形的開口，由一對通常是平行的前緣所界定，此孔非?？拷鋮s物體的表面，前緣與表面之間的間隙為約0.03至約1毫米。此槽形孔的長度方向一般垂直于冷卻物體運動的方向。
(b)將合金熔體流通過噴嘴的孔壓出，使其與運動著的冷卻物體的表面接觸，令合金熔體在其上面固化形成一連續(xù)的帶。噴嘴槽形孔的較佳寬度為約0.1至1毫米，其第一個前緣的寬度至少與槽形孔的寬度相同，第二個前緣的寬度為槽形孔寬度的約1.5至3倍。按Narasimhan法生產(chǎn)的金屬帶的寬度可為7mm(或更窄)至150至200mm(或更寬)。USP4，142，571所述的平面流鑄造法能夠生產(chǎn)厚度由小于0.025mm至約0.14mm(或更厚)的無定形金屬帶，此厚度具體隨所用合金組成、熔點、固化特性和結(jié)晶特性而異。
了解哪一些合金能經(jīng)濟地并大量地制成無定形以及了解無定形合金的性質(zhì)，曾經(jīng)是過去20年進行了很多研究的課題。針對什么樣的合金較易制成無定形這個問題，人們所熟知的公開的專利是在H.S.Chen and D.E.Polk提出的USP Re32，925(轉(zhuǎn)讓給Allied-Signal Inc.，)，其中揭示了一類化學式為MaYbZc的無定形合金，式中M基本上是選自鐵、鎳、鈷、鉻和釩這一組金屬，Y是選自磷、硼和碳這一組的至少一種元素，Z是選自鋁、銻、鈹、鍺、銦、錫和硅這一組的至少一種元素，“a”表示的范圍為約60至90原子%，“b”表示約10至30原子%，“c”表示約0.1至15原子%?，F(xiàn)今，可以商品形式購得的無定形合金的大多數(shù)都是在上述化學式的范圍之內(nèi)。
隨著無定形合金領(lǐng)域中不斷的研究和開發(fā)，已經(jīng)很明顯，其某些合金與合金系統(tǒng)具有著在在世界上很重要的應(yīng)用中能提高其實用性的磁學性質(zhì)和物理性質(zhì)，這些應(yīng)用特別包括在配電變壓器、電力變壓器、發(fā)電機和電動機中作為磁心材料的電氣用途。
對于無定形合金的早期研究和開發(fā)曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種二元合金Fe80B20可用于變壓器(尤其是配電變壓器)和發(fā)電機用磁心的制造。因為這個合金有很高的飽和磁化值(約178emu/g0。但是人們知道，F(xiàn)e80B20難于鑄成無定形。而且，它由于結(jié)晶溫度低因而熱穩(wěn)定性差，并難于制成可延展的帶材。并且已經(jīng)確定，其磁損耗和激勵功率的要求只是在最低限度上可接受的。因此，有必要開發(fā)一些鑄造性、穩(wěn)定性和磁性有所改善的合金組成，使得無定形合金在磁性(尤其是用于配電變壓器的)的制造上能獲得實際的使用。
再進行了一些研究之后，人們發(fā)現(xiàn)三元合金Fe-B-Si對于這些用途的Fe80B20更為優(yōu)越。在此系統(tǒng)中，多年來揭示了不少類合金，它們具有其獨特的磁性。授予Luborsky等的USP4，217，135和4，300，950揭示了一般用化學式Fe80-84B12-19Si1-8表示的一類合金，它能承受下述的限制條件合金在30℃須有至少約174emu/g的飽和磁化(這是目前認為適宜的值)，須有小于約0.03Oe的矯頑力，至少約320℃的結(jié)晶溫度。在轉(zhuǎn)讓給Allied Signal Inc的U.S.Patent Application Serial No.220，602中，F(xiàn)reilich等人揭示了用化學式Fe75-78.5B11-21Si4-10.5表示的一類合金，它們的結(jié)晶溫度較高，并且在接近配電變壓器磁性的通常操作條件(即60Hz，100℃時，1.4T)下其磁心磁耗較低，激勵功率需求也較低，同時仍保持可接受的高飽和磁化。
Canadian Patent No.1，174，081揭示了一類由化學式Fe77-80B12-16Si5-10表示的合金，它們于老化后在室溫下具有低的磁性損耗和低矯頑力，并且具有高的飽和磁化。在轉(zhuǎn)讓給Allied-Signal Inc.的USP5，035，775中Nathasingh等人揭示了一類可用于制造配電變壓器磁心的合金，其通式是Fe79.4-79.8B12-14Si6-8，這類合金在老化前或老化后都具有出乎意料低的磁心損耗和激勵功率需求，而且還有可接受的高飽和磁化。最后，授予Ramanan等并轉(zhuǎn)讓給Allied-Signal Inc.的U.S.P.Application Ser.No，479，489揭示了又一類鐵含量高的Fe-B-Si合金，它們在配電變壓器和電力變壓器用的磁心制造上，其適用性和可操作性有所改善。這類合金的結(jié)晶溫度高，飽和磁化大，并且在一個范圍的條件下退火之后，其在60Hz和25℃，1.4T的磁心損耗和激勵功率需求低，其延展性的保留程度也有了提高。
在為了矯正Fe80B20的缺陷以及恢復一些由于采用Fe-B系統(tǒng)而“失去”的一些飽和磁化而進行的研究中，三元的Fe-B-C合金曾被認為是很有前途的。在“The Fe-B-C Fernary Amorphous Alloys”，General Electric Co.Technical Information Series Roport No.79 CRD 169，August 1979一書中，Luborsky等人有篇詳細的報告對這個系統(tǒng)合金的性質(zhì)作了總結(jié)。這份報告指出，F(xiàn)e-B-C系統(tǒng)中較廣組成范圍的合金與Fe-B-Si系統(tǒng)合金相比有著較高的飽和磁化，因此由于Si(在Fe-B-Si合金中)引起的提高結(jié)晶溫度以及因此有較高穩(wěn)定性的好處就被較廣組成范圍的Fe-B-C合金的上述好處在很大程度上扯平了。換言之，當C代替B時，結(jié)晶溫度常有降低。從磁性角度看，F(xiàn)e-B-C合金的主要缺點是它們的矯頑力比Fe-B-Si合金高，甚至比兩元的Fe-B合金還高。因此自Luborsky等人的報告發(fā)表之后，主要是由于在合金穩(wěn)定性和矯頑力上的這些缺點，對Fe-B-C合金就因其不再能作為配電變壓器磁心具有商業(yè)價值的合金而停止了進一步的研究。
在轉(zhuǎn)讓給Allied-Signal Inc.的USP 4，219，355中，DeCristofaro等揭示了化學式為Fe80-82B12.5-14.5Si2.5-5.0C1.5-2.5的一類無定形Fe-B-Si-C合金，它們既具有高的飽和磁化，低的磁心損耗和伏-安需求(在60Hz)，同時其改善的交流和直流磁特性直至150℃仍保持穩(wěn)定。DeCristofaro等的還指出，在上述化學式組成范圍以外的Fe-B-Si-C合金的直流特性(矯頑力、B80(1Oe時的磁感應(yīng)強度)等)不好，或者交流特性(磁性損耗和/或激勵功率)不好，或者這兩類特性都不好。
無定形Fe-B-Si-C合金在授予Sato等人的USP4，437，907中也有揭示。此專利指出有一類通式為Fe74-80B6-13Si8-19C0-3.5的合金，它在50Hz1.26T的磁心損耗低，磁性熱穩(wěn)定性高，并且200℃時效后磁通量密度保留程度(在1Oe和室溫測出)仍較高，在上述測量條件下的磁性損耗的保留程度也是良好的。
由上述討論顯然可見，許多研究人員都是分別把注意力集中于對決定哪些合金最適宜制造配電變壓器和電力變壓器磁心有關(guān)鍵作用的不同性質(zhì)上，而沒有認識到在磁心的制造和使用的所有方面能有明確優(yōu)越結(jié)晶所必需的諸多性質(zhì)的全部組合，因此強曾發(fā)現(xiàn)了各種各類的合金，但各類都只是針對這全部組合的一部分。具體說來，在上面列出的那些公開專利中，令人注意的是都沒有理解到需要這么一類合金，它既具有高的飽和磁化和高的結(jié)晶溫度，又在一個廣泛范圍的溫度和時間退火之后又具有低的磁性損耗和低的激勵功率需求，而且在一定范圍的條件下退火之后仍留充分地延展性以便于磁心的生產(chǎn)。具有這許多特性組合的合金會在變壓器制造工業(yè)中能壓倒優(yōu)勢地為人們所接受，因為它們會具有為變壓器更好地工作所必需的全部磁性，并更容易適應(yīng)于變壓器磁性不同制造廠家所用的各類不同設(shè)備、過程和處理方法。
上述無定形合金中的元素硼是這些合金全部原料成本中占主要地位的組份。例如，上述的Fe-B-Si合金類當中，有一種合金含3重量%(約13原子%)的硼，其中硼的成本會高達全部原料成本的約70%。除了對于變壓器磁心合金所要求的上述特點的組合外，如果合金在其組成上能含有較少的硼從而在變壓器用途合金的大規(guī)模生產(chǎn)上得以降低總生產(chǎn)成本，則無定形合金磁心會獲得更為迅速的應(yīng)用，帶來上述的社會效益。
本發(fā)明提供了一類新穎的至少約70%是無定形的，由鐵、硼、硅、碳組成的合金，它們的組成基本上是FeaBbSicCd，其中“a”至“d”都是原子的分數(shù)，“a”、“b”、“c”、“d”之和等于100，“a”的范圍由約77至約81，“b”小于約12，“c”大于約3，“d”大于約0.5，這些組成應(yīng)使得在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝81的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如

圖1(a)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝80.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(b)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝80的三元截面上，“b”、“C”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(c)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝79.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(d)所示;在四元壓Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝79的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(e)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝78.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(f)所示;在Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝78的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(g)所示;在Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝77.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(h)所示;在Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝77的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDA區(qū)域內(nèi)，如圖1(i)所示。
本發(fā)明的這些合金組合物，顯示了至少約465℃的結(jié)晶溫度、至少約360℃的居溫度，相當于磁矩至少約165emu/g的飽和磁化，并在5-30Oe磁場存在條件下進行了335℃-390℃、時間為0.5至4小時的退火后顯示了不大于0.35W/kg的磁心損耗以及不大于約1VA/kg的激勵功率。
本發(fā)明還提供了由本發(fā)明無定形合金構(gòu)成的改進磁心。此改進磁心包括一個實質(zhì)上是無定形合金帶(例如纏繞、纏繞并切割或堆疊而成)的磁體，如前所述該磁體在磁場存在條件經(jīng)過了退火處理。
本發(fā)明的合金與以前此技術(shù)中所用的合金相比，具有高的飽和磁感應(yīng)強度、高的居里溫度和結(jié)晶溫度，同時經(jīng)一定范圍的條件退火后在工頻下具有低的磁心損耗和激勵功率。這樣一種性能上的組合使得本發(fā)明的合金尤其適用于電力分配網(wǎng)絡(luò)用的變壓器磁心，也可在特殊磁放大器、繼電器磁心、接地事故阻止器等方面獲得應(yīng)用。
參照下述的一些最佳實施例的詳細描述以及附圖，則對本發(fā)明將可更充分地了解，其進一步地優(yōu)點也就顯而易見了。
圖1(a)至1(i)是四無Fe-B-Si-C組成的空間在所標不同鐵含量的三元截面，圖示著本發(fā)明的一些基本的最佳合金。
圖2(a)至2(g)是四元Fe-B-Si-C組成空間在所標不同鐵含量的三元截面，圖示著一些組成對應(yīng)合金的結(jié)晶溫度(℃)，并也圖示了本發(fā)明基本合金的組成范圍。
圖3(a)至3(g)是四元Fe-B-Si-C組成空間在所標不同鐵含量的三元截面，圖示著一些對應(yīng)組成合金的居里溫度(℃)，并也圖示了本發(fā)明基本合金的組成范圍。
圖4(a)至圖4(d)是四元Fe-B-Si-C組成空間在所標不同含鐵量的三元截面，圖示著一些對應(yīng)組成合金的飽和磁矩(emu/g)，并也圖示了本發(fā)明基本合金的組成范圍。
圖5是本發(fā)明以及本技術(shù)以前所用的試驗磁心的損耗對于激勵頻率的圖，圖中的直線是數(shù)據(jù)的回歸擬合。
本發(fā)明提供了一類新穎的至少約70%是無定形的，由鐵、硼、硅、碳組成的合金，它們的組成基本上是FeaBbSicCd，其中“a”至“d”都是原子的分數(shù)，“a”、“b”、“c”、“d”之和等于100，“a”的范圍由約77至約81，“b”小于約12，“c”大于約3，“d”大于約0.5，這些組成應(yīng)使得在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝81的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(a)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝80.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(b)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝80的三元截面上，“b”、“C”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(c)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝79.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(d)所示;在四元壓Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝79的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(e)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝78.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(f)所示;在Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝78的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(g)所示;在Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝77.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(h)所示;在Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝77的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCDA區(qū)域內(nèi)，如圖1(i)所示。更具體地說，在圖1中，界定如上所述本發(fā)明合金組成范圍的各個多邊形角點的合金的組成如下在四元Fe-B-Si-C組成空間的鐵為81原子%的三元截面上，角點的合金是Fe81B11.5Si7C0.5，F(xiàn)e81B11.5Si3C4.5，F(xiàn)e81B11Si3C5，F(xiàn)e81B9.5Si4.5C5，F(xiàn)e81B9.5Si9C0.5，F(xiàn)81B11.5Si7C0.5;在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為80.5原子%的三元截面上，角點合金是Fe80.5B11.75Si7.25C0.5，F(xiàn)e80.5B11.75Si3C4.75，F(xiàn)e80.5B11Si3C5.5，F(xiàn)e80.5B8.75Si5.25C5.5，F(xiàn)e80.5B8.75Si8C2.75，F(xiàn)e80.5B11Si8C0.5，F(xiàn)e80.5B11.75Si7.25C0.5在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為80原子%的三元截面上，角點合金是Fe80B12Si7.5C0.5，F(xiàn)e80B12Si3.25C4.75，F(xiàn)e80B8Si7.25C4.75，F(xiàn)e80B8Si8C4，F(xiàn)e80B11.5Si8C0.5，F(xiàn)e80B12Si7.5C0.5;在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為79.5原子%的三元截面上，角點合金是Fe79.5B12Si8C0.5，F(xiàn)e79.5B12Si3C5.5，F(xiàn)e79.5B11Si3C6.5，F(xiàn)e79.5B7.5Si6.5C6.5，F(xiàn)e79.5B7.5Si9.5C3.5，F(xiàn)e79.5B9Si8C3.5，F(xiàn)e79.5B12Si8C0.5;在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為79原子%的三元截面上，角點合金是Fe79B12Si7.5C1.5，F(xiàn)e79B12Si3C6，F(xiàn)e79B11Si3C7，F(xiàn)e79B11Si3C7，F(xiàn)e79B9.5Si7.5C4，F(xiàn)e79B12Si8C1，F(xiàn)e79B7Si7，C7，F(xiàn)e79B7，Si10C4;在四元Fe-B-Si-C組成空間的鐵為78.5原子%的三元截面上，角點合金是Fe78.5B12Si8C1.5，F(xiàn)e78.5B12Si3C6.5，F(xiàn)e78.5B11.5Si3C7，F(xiàn)e78.5B6.5Si8C7，F(xiàn)e78.5B6.52Si11.5C3.5，F(xiàn)e78.5B10Si8C3.5，F(xiàn)e78.5B12Si8C1.5;在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為78原子%的三元截面上，角點合金是Fe78B10.5Si7.75C2.25，F(xiàn)e78B12Si3C7，F(xiàn)e78B6.5Si8.5C7，F(xiàn)e78B6.5Si11.75C3.75，F(xiàn)e78B10.5Si7.75C3.75，F(xiàn)e78B12Si7.75C2.25;在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為77.5原子%的三元截面上，角點合金是Fe77.5B12Si7.5C3，F(xiàn)e77.5B12Si3.5C7，F(xiàn)e77.5B6Si9.5C7，F(xiàn)e77.5B6Si12.5C4，F(xiàn)e77.5B11Si7.5C4，F(xiàn)e77.5B12Si7.5C3;在四元Fe-B-Si-C組成空間的Fe為77原子%的三元截面上，角點合金是Fe77B12Si7C4，F(xiàn)e77B12Si4C7，F(xiàn)e77B6Si10C7，F(xiàn)e77B6Si13C7，F(xiàn)e77B6Si13C4，F(xiàn)e77B12Si7C4。必須了解，在上述不同鐵含量的界定著多邊形邊界的合金組成在B、Si、C的含量上可以變動達0.1原子%，F(xiàn)e含量本身的變動變達±0.2原子%。
界定本發(fā)明組成范圍的上述多邊形的邊界是對于四元Fe-B-Si-C組成空間在Fe含量由77至81原子%內(nèi)按0.5原子%間斷增加的一些三元截面而言。對于本發(fā)明合金的鐵含量是77至81原子%范圍內(nèi)的其它值來說，其界定多邊形的邊界，則可在上述明確表示的其鐵含量為兩個緊鄰值的那兩個界定多邊形的B、Si、C的含量之間分別進行簡單的線性內(nèi)插來獲得。這種內(nèi)插步驟的一個具體示例如下設(shè)我們關(guān)心的鐵含量為79.25%原子%。在上面明確表示的兩個緊鄰的鐵含量是79.5和79原子%，因此應(yīng)采用這兩個鐵含量的上述界定多邊形內(nèi)插來獲得含鐵量為79.25原子%的本發(fā)明合金的組成范圍。根據(jù)對于鐵含量“a”為79.5原子%的圖1(d)，在硼含量“b”為12原子%的碳含量“d”的兩個極限值是0.5-5.5原子%。類似地，根據(jù)“a”為79原子%的圖1(e)，在同樣硼含量“b”為12原子%的兩個“d”的極限值是1.5和6%。對應(yīng)于79.25原子%的值就居中在對應(yīng)于79.5和79原子%的兩個值之間。因此，在含鐵量為79.25原子%的本發(fā)明合金中，當某合金含硼12原子%時其碳含量的相應(yīng)兩個極限值為1和5.75原子%(分別居中于0.5和1.5原子%，5.6和6原子%)。采用圖1(d)和1(e)，可以就其它的硼含量容易地進行類似的內(nèi)插。這樣獲得的許多極限值的軌跡就表示了鐵含量為79.25原子%的本發(fā)明合金組成范圍的界定多邊形。因為B和C的含量地于一定鐵含量已經(jīng)指明，則Si含量就自動指明了。作為另一個對于Fe含量“a”為78.7原子%的例子，可采用“a”＝78.5和“a”＝79的兩個已圖示的多邊形進行上述的線性內(nèi)插;而對于“a”＝77.1，則采用“a”＝77.5的兩個已圖示的多邊形，如此等等。
本發(fā)明的這些合金組合地顯示了至少約465℃的結(jié)晶溫度、至少約360°的居里溫度，相當于磁矩至少約165emu/g的飽和磁化，并在5-30Oe磁場存在條件下進行了約330℃-390℃、時間為0.5至4小時的退火后置于3不大于約0.35W/kg的磁心損耗以及不大于約1VA/hg的激勵功率。
本發(fā)明的較佳合金的組成應(yīng)是在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝81的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABC21A區(qū)域內(nèi)，如圖1(a)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝80.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCD21A區(qū)域內(nèi)，如圖1(b)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝80的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于ABCD1A區(qū)域內(nèi)，如圖1(c)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝79.50的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于12CD341區(qū)域內(nèi)，如圖1(d)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝79的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于1CDEF1區(qū)域如，如圖1(e)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝78.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于1CD231區(qū)域內(nèi)，如圖1(f)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝78的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于12341區(qū)域內(nèi)，如圖1(g)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝77.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于E1CDE區(qū)域內(nèi)，如圖1(h)所示;在四元Fe-B-Si-C組成空間的“a”＝77的三元截面上，“b”、“c”、“d”的值位于12CD1區(qū)域內(nèi)，如圖1(i)所示。在這里，分別用字母符號表示和多邊表形角點表示地于相應(yīng)鐵含量“a”的已指明的組成。圖1中用數(shù)字1、2等表示的輔加界定較佳組成多邊形的新角點組成如下在“a”＝81的三元截面上，角點1和2分別表示組成Fe81B10Si8.5C0.5和Fe81B10Si4C5;在“a”＝80.5的三元截面上，角點1和2分別表示Fe80.5B11.25Si7.75C0.5和Fe80.5B8.75Si7.75C3;在“a”＝80的三元截面上，角點1表示組成Fe80B8.5Si7.5C4;在“a”＝79.5的三元截面上，角點1、2、3、4分別表示組成Fe79.5B11.5Si7.5C1.5，F(xiàn)e79.5B11.5Si3C6，F(xiàn)e79.5B7.5Si9C4，F(xiàn)e79.5B9Si7.5C4;在“a”＝79的三元截面上，角點1表示組成Fe79B11Si7.5C2.5;在“a”＝78.5的三元截面上，角點1、2、3分別表示Fe79.5B11.5c7.5C2.5，F(xiàn)e78.5B6.5S11C4，F(xiàn)e78.5B10Si10C4;在“a”＝78的三元截面上，角點1、2、3、4分別表示Fe78B6.5Si9.5C6，F(xiàn)e78B6.5Si11.5C4;在“a”＝77.5的三元截面上，角點1表示組成Fe77.5B11Si4.5C7;在“a”＝77的三元截面上，角點1和2分別表示Fe77B11Si8C4，F(xiàn)e77B11Si5C7。如上所述，在不同含鐵量的本發(fā)明較佳合金多邊形邊界上的組成，就所有組成元素而言，可以變動達±0.1原子%。對于鐵含量在77至81原子%的本發(fā)明較佳合金，其界定多邊形的邊界也可以在兩個已明確標明的緊鄰鐵含量的界定多邊形的B、Si和C的極限含量之間用上面詳細的線性內(nèi)插方法來獲得。
本發(fā)明的較佳合金具有更高的結(jié)晶溫度(高于約480℃)、更高的居里溫度(高于約370℃)，更低的磁心損耗9125℃在60Hz和1.4T，小于約0.28w/kg)。
本發(fā)明的更佳合金，其組成基本為FeaBbSicCd，其中“a”至“d”是原子百分數(shù)，“a”、“b”、“c”、“d”之和等于100，“a”的范圍約79至80.5，“b”的范圍約8.5至10.25，“d”的范圍約3.25至4.5，其最大的硅含量“c”則由前述的本發(fā)明較佳合金的對應(yīng)界定多邊形所確定。本發(fā)明的這些更佳合金，其結(jié)晶溫度是低約495℃，且時常高于約505℃，其飽和磁化的值對應(yīng)于磁矩至少約170emu/g，且時常為約174emu/g，而其磁心損耗特別低，在25℃于60Hz和1.4T的典型值低于約0.25w/kg，且時常低于約0.2w/kg。本發(fā)明更佳合金的例子為Fe79.5B9.25Si7.5C3.75，F(xiàn)e79B8.5Si8.5C4和Fe79.1B8.9Si8C4。
本發(fā)明的特別較佳的合金，其組成基本上為FeaBbSicCd，其中“a”、“b”、“c”、“d”是原子百分數(shù)，“a”、“b”、“c”、“d”之和等于100，“a”的范圍約79至80.5，“b”的范圍約8.5至10.25，“d”的范圍約3.25至4.5，“c”則由前述的本發(fā)明較佳合金的對應(yīng)界定多邊形所確定，而且“c”還應(yīng)滿足至少約6.5的進一步要求。這類合金組成物具有至少約495℃的高結(jié)晶溫度，對應(yīng)于磁矩至少允170emu/g的高飽和磁化，且其在25℃，1.4T和16Hz測出的磁心損耗和激勵功率分別低于0.15w/kg和0.5VA/kg。這些尤其更佳合金的例子如Fe80.2B9.2Si7.0C3.5，F(xiàn)e80.1B9.1Si7.0C3.8，F(xiàn)e80.1B9.2Si7.0C3.7和Fe80.2B9.1Si7.0C3.7。
本發(fā)明合金的純度當然與用于生產(chǎn)這些合金的材料的純度有關(guān)。例如，價格較便宜因而含有較多雜質(zhì)的原料是可以采用的，使得大規(guī)模生產(chǎn)有可能經(jīng)濟些。因此之故，本發(fā)明合金可含雜質(zhì)達0.5原子%，但以不超過0.3原子%為宜。在這里，雜質(zhì)是指Fe、B、Si、C以外的元素。雜質(zhì)含量當然會使本發(fā)明合金主要組成物的實際含量偏離于是要求含量，但是可以認為Fe、B、Si、C的相互比例是仍然保持著的。
合金化學組成的各種測定方法是本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知道的，包括感應(yīng)耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)，原子吸收光譜和經(jīng)典的濕化學(重量)分析。ICP由于其同時分析的能力，是工業(yè)實驗中可選用的一種方法。操作ICP系統(tǒng)的一種效率很高方式是“濃度比”方式，該方式是指同時直接分析的是雜質(zhì)元素和一些選定的主要元素，而一種主要的組成元素則藉100與被分析元素結(jié)果之和的差來計算。因此未經(jīng)ICP系統(tǒng)直接測量的雜質(zhì)元素就作為算出的那個主要元素的一部分報告了。即用ICP按濃度比方式分析的合金中該主要元素的真實含量稍小于計算出來的，這是由于存在著含量很低的未被直接測量的雜質(zhì)緣故。本發(fā)明合金的化學組成是指歸一化到100%的Fe、B、Si、C的相對含量。在加和為100%的主要元素中未計及雜質(zhì)元素的含量。
人們熟知，鑄造成亞穩(wěn)態(tài)的合金的磁性一般隨其中無定形相的體積百分數(shù)而提高。因此，本發(fā)明合金應(yīng)鑄造成至少有約80%為無定形，較好至少約90%為無定形，最好應(yīng)基本上100%為無定形。合金中無定形相的體積百分數(shù)可以用X-射線衍射法很方便地加以測定。
實際上鑄造了各種Fe-B-Si-C合金的組成表示在圖2(a)至29g)或圖3(a)至3(g)中。這里所述的一切合金均鑄成6mm寬的帶子，每批料重50-100g，其鑄造的步驟如下將合金鑄造在一個旋轉(zhuǎn)著的其一端敞開的空間圓筒上。該圓筒的外徑為25.4cm，其鑄造表面厚0.25″(0.635cm)，寬2″(5.08cm)。它是用Brush-Wellman生產(chǎn)的一種Cu-Be合金(標號為Brush-Wellman合金10)制造的。將所試驗合金的組成元素用其高純(B＝99.9%，F(xiàn)e和Si至少99.99%)原料按所要求的比例混合，然后在一直徑為2.54cm的石英坩堝中熔化，制成均勻的預(yù)合金錠。將這個合金錠裝入另一石英坩堝(2.54cm直徑)，該坩堝的底部是磨平的并含有一尺寸為0.25″×0.02″(0.635cm×0.051cm)的長方槽形孔，孔的位置距離圓筒的鑄造平面0.008″(≈0.02cm)。圓筒以周邊速率約9，000英尺/分(45.72m/s)旋轉(zhuǎn)。這個坩堝與旋轉(zhuǎn)圓筒都罩裝在一個抽至真空約10mmHg的室內(nèi)。坩堝的預(yù)部是蓋住的，因此其中維持著不大的真空(約10mmHg的壓力)。一個在峰值功率的70%操作的電源(Pillar Corporation，10kw)被用來感應(yīng)熔化一個錠子。當錠子完全熔化后，將坩堝中的真空釋放之，使得熔體能按USP4，142，571所披露的平面流原理接觸旋轉(zhuǎn)圓筒的表面，從而驟冷為寬約6mm的帶，該專利作為參考文獻揭示在本專利說明中。
屬于本發(fā)明組成范圍的某些合金以及本發(fā)明組成范圍之外的某些合金均在大型鑄造機上(每批料重約5-1000kg)鑄成寬約1″至5.6″的帶子，使用的仍然是平面流鑄造原理。所用的坩堝和預(yù)合金錠的尺寸以及各種鑄造參數(shù)當然需與上述的不同。而且由于熱載較高，也用了不同的鑄造基底材料。對于較大的鑄造試驗，很多情況下，省去了先制備預(yù)合金錠的中間步驟，并且/或者采用了高業(yè)純的原料。若使用的是高品級的商品原料，對鑄成的帶的化學分析表明雜質(zhì)含量的范圍為約0.2至0.4重量%。有些檢測出的痕量元素例如Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni和Cu具有與Fe差不多的原子量，而其它檢測出的元素例如Na、Mg、Al和P則具有與Si差不多的原子量。檢測出的重元素是Zr、Ce和W。已知了這樣的雜質(zhì)分布情況，可以估算出檢測出的總雜質(zhì)含量為0.2至0.4重量%，對應(yīng)于約0.25至0.5原子%的范圍。
一般的情況是發(fā)現(xiàn)了當與本發(fā)明合金所指明的各自檢限值相比，B和/或Si的含量較低，和/或C的含量較高時，得到的合金則因種種原因而不能采用。很多情況下，這些合金性脆，因此難以加工，甚至鑄態(tài)也是如此。在其它情況下，發(fā)現(xiàn)熔體不易均勻化，其結(jié)果是很難控制鑄造帶的組成。盡管盡了很大努力并仔細地操作，合金中有一些是能夠制成具有正確組成的有延展性的帶子，但這樣的合金組合物肯定無法用于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)帶子的，因此這些合金是不符合需要的。
如前面已討論過，因為硼原料的成本很高，比本發(fā)明合金所規(guī)定的硼含量高的話，經(jīng)濟上缺乏吸引力，因此并不可取。圖2還包括了結(jié)晶溫度的測量值，圖3則提供了這些合金的居里溫度測量值。在這兩個圖中，都給出了本發(fā)明基本合金的界定多邊形作為參考。
這些合金的結(jié)晶溫度是用差示掃描量熱法測定的。采用的掃描速率為20K/min。結(jié)晶溫度定義為結(jié)晶過程開始的溫度。
居里溫度是用電感法測定的。在兩根兩端開口的石英管上分別用耐高溫陶瓷絕緣的銅線纏繞了所有方面(長度、圈數(shù)、間距)都完全相同的多層螺旋線圈。這樣制成的兩個繞組當然有相同的電感。這兩個石英管都放入一個管爐，對這兩個制成的電感器施加了AC激勵信號(具有在約2kHz至10kHz范圍內(nèi)的一個固定頻率)，對這兩個電感器發(fā)出的平衡(或差別)信號進行了檢測。將要測量合金的樣品帶插入一個石英管中作為該電感器的磁心材料。這種鐵磁性材料的磁導率很高，結(jié)果導致了這兩個電感值的不平衡，因而產(chǎn)生了很大的信號。將一個熱電偶連接于合金帶作為溫度檢測器。隨著這兩個電感器在管爐中加熱升溫，當鐵磁性無定形合金帶通過居里溫度因而變?yōu)轫槾朋w(其磁導率很低)時，不平衡信號即基本上降為零。此時，這兩個電感器產(chǎn)生的輸出大致相同。此轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域通常較寬，這反映著鑄態(tài)的玻璃態(tài)合金中的應(yīng)力正在松弛。轉(zhuǎn)變區(qū)域的中點溫度定義為居里溫度。
當爐溫冷卻時，順磁性至鐵磁性的轉(zhuǎn)變以同樣的方式得以檢測。因為這個轉(zhuǎn)變是由應(yīng)力已至少部分松弛的玻璃態(tài)合金出發(fā)的，所以通常陡得多。對一給定樣品，順磁性至鐵磁性轉(zhuǎn)變的溫度比鐵磁性至順磁性轉(zhuǎn)變的溫度高。圖3中的居里溫度值表示的是順磁性至鐵磁性的轉(zhuǎn)變。
由于高結(jié)晶溫度和高居里溫度的重要性，必須對鑄造態(tài)無定形合金帶有效地進行退火。
在用無定形合金(金屬玻璃)帶生產(chǎn)配電變壓器和電力變壓器用磁心的過程中，在將帶子繞成磁心之前或之后，需對其進行退火。退火(即熱處理)通常須在外加磁場條件下進行，這樣，無定形合金才會顯示其優(yōu)異的軟磁性，因為鑄態(tài)的無定形合金中有很大的驟冷應(yīng)力，該應(yīng)力會引起顯著的磁各向異性。這種各向異性使產(chǎn)品真實的軟磁性不能顯示出來，但它可藉對產(chǎn)品在適當選擇的能消除所產(chǎn)生的驟冷應(yīng)力的溫度進行退火來除去。退火溫度顯然必須低于結(jié)晶溫度。由于退火是一個動力過程，退火溫度越高，對產(chǎn)品退火所需的時間就越短。由于這些原因以及下面將解釋的其它原因，最佳退火溫度目前是在低于無定形合金結(jié)晶溫度約140K至100K的狹窄范圍內(nèi)，而最佳退火時間為約1.5至2.5小時，但對大型磁心即質(zhì)量超過50kg的磁心，可能需要長達約4小時的較長時間。
無定形合金并不顯示磁晶各向異性，這是歸因于其無定性的本性。然而，在磁性的生產(chǎn)尤其是用于配電變壓器磁心的生產(chǎn)中，非常需要使與帶子長度一致的易磁化軸方向上的磁各向異性達到晨大。事實上，目前被認為是變壓器制造工廠的好做法，就是在退火步驟中對無定性合金施加磁場以產(chǎn)生一個易磁化軸。
退火時通常施加的場強度是足夠令材料飽和磁化使產(chǎn)生的各加異性達到極大的?？紤]到在達到居里溫度以前飽和磁化的值隨溫度上升而降低，而在該溫度以上磁各自異性的進一步改變是不可能的，因此退火宜在接近無定形合金里點的溫度進行以使外加磁場的效果達到最大。當然，退火溫度越低，用來消除鑄造應(yīng)力并產(chǎn)生易磁化各向異性軸的時間就越長，同時施加的磁場強度就應(yīng)越大。
由上述討論應(yīng)可見到，退火溫度與時間的選擇在很大程度上依賴于材料的結(jié)晶溫度和居里溫度。一般來說，這些溫度越高，可能用的退火溫度就越高，因此退火過程就可在較短時間內(nèi)完成。
從圖2和圖3可見，結(jié)晶溫度和居里溫度隨鐵含量降低而升高。此外，對一給定鐵含量，結(jié)晶溫度一般隨硼含量的減少而降低。鐵含量超過81原子%是不可取的;因為結(jié)晶溫度和居里溫度這兩者都會受到不利的影響。
鐵含量每減少1原子%，結(jié)晶溫度的增加約為20°-25℃，居里溫度的增加約為10°-15℃。
這兩個溫度隨鐵含量的平穩(wěn)變化是本發(fā)明合金的一個可用來區(qū)別組成的好特性。例如，在這種材料大規(guī)模生產(chǎn)過程中，相當快的結(jié)晶溫度測量可用來用作鑄造帶組成的檢測手段，而實際上的化學分析則一種較費時的過程。此外，對于合金組成必須不會象在實驗室里那樣按規(guī)定嚴格控制的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)來說，材料性質(zhì)隨組成的平穩(wěn)變化這種情況也是有益的。
對于用作變壓器磁性材料的無定形合金，其結(jié)晶溫度至少需杰465℃，以保證在退火過程中或變壓器使用時(尤其當發(fā)生電流過載時)在合金中引起結(jié)晶現(xiàn)象的危險盡量減小。如前所述，無定形合金的居里溫度應(yīng)接近或者更好是稍高于退火處理所用的溫度。退火溫度越接近居里溫度，將磁疇沿易磁化軸取向就越容易，從而使合金當沿該軸磁化時產(chǎn)生的損耗盡量減小。適用于變壓器磁心的合金應(yīng)該具有至少約360℃的居里溫度;居里溫度較低勢必使退火溫度也較低，從而加長了退火時間。然而，非常高的居里溫度也不是很適宜的。退火溫度不應(yīng)太高，這是由于種種原因退火溫度高，則退火時間的控制就很關(guān)鍵，因為需要避免發(fā)生那怕是部分的結(jié)晶化，而且即使結(jié)晶化不會造成潛在的問題，退火時間的控制仍然重要)這是為了使材料延展性因而隨后加工性顯著損失的危險盡量減小;此外，退火溫度必須現(xiàn)實可行，不致太高，以適應(yīng)通常用于退火大型磁心的退火爐以及為獲得可用的和“最佳的”磁心所必需的爐中溫度梯度的控制。另一方面，對于高居里溫度的材料，若退火溫度不相應(yīng)提高，為獲致磁疇有利取向所需的外磁場強度將要大得不切實際。
雖然也可能有比本發(fā)明合金含硅最較高的個別組成，其結(jié)晶和/或居里溫度與本發(fā)明合金的這些溫度差不太多，但這些溫度隨該合金組成的變化關(guān)系較為復雜，不象本發(fā)明合金所觀測到的那么有規(guī)律。圖2和圖3表明，若人們冒險采用為本發(fā)明合金所規(guī)定的i含量范圍以外的合金，則結(jié)晶溫度或者居里溫度趨向于一般對合金組成很敏感;或是結(jié)晶溫度下降，或是居里溫度升高。如前所述，由于無定形材料的結(jié)晶溫度和居里溫度有助于決定材料的退火條件，而且因為在大型變壓器磁心的生產(chǎn)中退火條件必須嚴格遵守，因此不宜采用其性質(zhì)對于組成上微小變化不寬容的合金。
這些合金的飽和磁矩已發(fā)現(xiàn)是其鐵含量的變化緩慢的函數(shù)，它隨鐵含量降低而減小。這個情況已例示于圖4(a)-4(d)中。
圖中所標示的飽和磁化數(shù)值是在鑄態(tài)帶上測出的。本技術(shù)領(lǐng)域的人們都知道，一個經(jīng)退火的無定形合金的飽和磁化比鑄態(tài)同樣合金的通常要大些，其理由與以前所述的一樣，即退火態(tài)的無定形合金是松弛了的。
為測量這些合金的飽和磁矩，采用了一個商用的試樣振動式磁強計。一給定合金的鑄態(tài)帶子先被切割成好幾片小正方形(約2mm×2mm)，然后將它們對于垂直于其平面的方面作混亂排列，它們的平面則與最大的外加磁場(約9.5kOe)方向平行。用測出的密度就可算出飽和磁感應(yīng)Bs。并非對所有鑄出的合金都測量了其飽和磁矩。這些合金的密度是基于阿基米德原理的標準方法測量的。
由圖4清楚可見，鐵含量低于77原子%是不宜用的，因為飽和磁矩跌落到了不可接受的很低數(shù)值。由于配電變壓器通常設(shè)計為在其85℃的可用飽和磁感應(yīng)值的90%工作的，而且由于設(shè)計時采用高的磁感應(yīng)會使得磁心更為小型，因此，從變壓器磁心設(shè)計者的觀點看來，飽和關(guān)矩要高因而飽和磁感應(yīng)就會高，以及居里溫度要高，這些都是很重要的。
能用作變壓器磁心材料的合金的飽和磁矩應(yīng)至少約為165emu/g，約為170emu/g則更佳。由于Fe-B-Si-C合金的密度比Fe-B-Si高，故上列的數(shù)字與為變壓器磁心材料的Fe-B-Si合金所建立的標準是一致的。從圖4可以看出，某些本發(fā)明最佳合金的磁矩高達175emu/g。
在選定退火溫度與時間方面，除了結(jié)晶溫度和居里溫度這些因素外，還應(yīng)側(cè)重考慮的是退火對于材料延展性的影響。在制造栩電變壓器和電力變壓器磁心的過程中，無定形合金須有足夠的延展性，以便能纏繞或裝配前磁性的形狀，并在退火以后能承受一些處置，特別在隨后的變壓器制作步驟(例如將經(jīng)退火的無定形合金穿過繞組)中的處置。(關(guān)于制造變壓器磁心和線圈組過程的詳情，可參見例如USP4，734，975。
富含鐵的無定形合金的退火會使其延展性變差。雖然在結(jié)晶化過程發(fā)生之前延展性變差的機理尚不清楚，但一般認為這與鑄態(tài)無定形合金因驟冷而產(chǎn)生的“自由體積”的散逸有關(guān)聯(lián)。玻璃態(tài)原子結(jié)構(gòu)中的“自由體積”與晶體原子結(jié)構(gòu)中的空位是類似的。當無定形退火時，“自由體積”散逸，同時無定形結(jié)構(gòu)松弛成較低能量的狀態(tài)，表現(xiàn)為無定形狀態(tài)中更有效的原子“填充”。無須根據(jù)什么理論，但可以認為，因為無定形態(tài)鐵基合金的原子填充與面心立方結(jié)構(gòu)(密堆積晶體結(jié)構(gòu))而不是與體心立方結(jié)構(gòu)類似，所以鐵基無定形合金松弛的程度越大，它就越脆(即越不能經(jīng)受外應(yīng)變)。因此，隨著退火溫度提高和/或退火時間增長，無定形合金的延展性降低。所以，除了合金組成這一基本問題外，人們還須考慮退火溫度為時間的影響，以進一步保證產(chǎn)品能保留足夠的用于制造變壓器磁心的延展性。
變壓器磁心的兩個非常重要的工作特性是鐵心材料的磁心損耗和激勵功率。當對經(jīng)退火的無定形合金磁性給予能量(即因外加磁場而磁化)時，一定量的輸入能量被磁心消耗，并不可逆轉(zhuǎn)地以熱量的形式散失。這個能量消耗主要是由于將無定形合金中的磁疇沿磁場方向取向需要能量而引起的。這個散失的能量稱為磁心損耗，它用材料作一完全的磁化循環(huán)產(chǎn)生的B-H環(huán)所包圍的面積來定量表示。磁心損耗通常用的單位為W/kg，它實際上表示著1千克材料在所報告的頻率、磁心感應(yīng)水平和溫度條件下一秒中損耗的能量。
無定形合金的退火歷程對磁心損耗有影響。簡言之，磁心損耗與此無定形合金是不完全退火的、最佳退火的還是過度退火有關(guān)。不完全退火的無定形合金中存在著殘余的由驟冷產(chǎn)生的應(yīng)力以及與之關(guān)聯(lián)的磁各向異性，結(jié)果對其磁化就需要附加的能量，因而提高了磁化循環(huán)過程中的磁心損耗。過度退火的合金據(jù)認為達到了最大的“填充”并且/或者還會含有結(jié)晶相，結(jié)果延展性降低，并且/或者磁性也變差，例如因磁疇運動阻力引起磁心損耗的增大。最佳退火的合金則表現(xiàn)著延展性和磁性的精細平衡。目前，變壓器制造廠家采用的無定形合金，其磁心損耗小于0.37w/kg(60Hz，1.4T，25℃)。
激磁功率是用來產(chǎn)生一足夠強度的磁度使得無定形合金中達到一給定磁化水平所需的能量。鑄態(tài)的富鐵無定形合金的B-H環(huán)呈一定程度的斜切形。在退火過程中，隨著鑄態(tài)各向異性和鑄造生成的應(yīng)力的消除，B-H環(huán)變得比鑄態(tài)的B-H環(huán)更方正，更狹，直至達到最佳退火的狀態(tài)。而過度退火的話，B-H環(huán)由于就變承受性的降低以及結(jié)晶相的存在(視過度退火的程度而異)就變寬起來。結(jié)果，隨著一給定合金由不完全退火的至最佳退火的再至過度退火的狀態(tài)演變時，對應(yīng)于一給定水平磁化的H值最初減小，然后達至最佳(最低)值，再后增加。因此，達到一給定磁化所需的電能(激勵功率)當合金最佳退火時達到最小。目前變壓器磁心廠家使用的無定形合金在60Hz，1.4T，25℃的激勵功率約1VA/kg或較小些。
應(yīng)該清楚的是，最佳退火條件隨無定形合金的組成不同和所需性質(zhì)的不同都是不同的。因而最佳退火一般被認為是對一給定用途所必需的諸多特性組合達到最佳平衡的退火過程。對制造變壓器磁性的情況，廠家就先決定出對所使用的合金是“最佳”的一定溫度和一定時間，然后城制造過程中不偏離該溫度和時間。
但實際上，退火爐與爐控設(shè)備并不是精確得足以嚴格維持所選定的最佳退火條件。此外，由于磁心尺寸(典型的是200kg)和爐子結(jié)構(gòu)上的原因，有的磁心可能受熱不均勻，因而會產(chǎn)生出退火不完全的和退火過度的一些磁心。因此極為重要的是不僅要有一種在最佳條件下退火能表現(xiàn)最佳性質(zhì)組合的合金，而且該退火在條件的一定范圍下退火也能表現(xiàn)最佳組合。能夠生產(chǎn)出有用產(chǎn)品的退火條件范圍被稱為“退火窗口”。
前已指出，目前用于變壓器生產(chǎn)的無定形合金的最佳退火溫度和時間是溫度在比合金的結(jié)晶溫度低140°至100°的范圍內(nèi)，而時間在1.5至2.5小時內(nèi)。
本發(fā)明合金的退火窗口是對于相同的退火時間為約20-25℃。因此，本發(fā)明合金能容許退火溫度對于其最佳值變動約±10℃而仍保持對于變壓器磁心有經(jīng)濟意義生產(chǎn)所必需的最佳性質(zhì)組合。而且，本發(fā)明合金在退火窗口范圍內(nèi)對最佳組合的每一特性方面都顯示了出乎意料的很大穩(wěn)定性，有了這個特點就使變壓器廠家能更為可靠地生產(chǎn)工作性能均勻的磁心。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，軟磁心在頻率f的正弦形激勵下的磁心損耗L與頻率f的關(guān)系可用下式表示L＝af+bfn+Cf2af項是磁滯損耗(當頻率接近零時損耗的極限值)，cf2項是經(jīng)典渦流損耗，bfn項代表反常渦流損耗(參見例如G.E.Fish et al.，J.A.Phys.645370(1988))。無定形金屬的電阻率一般相對地足夠高，其厚度一般也足夠低，使得經(jīng)曲渦流損耗可以忽略。對無定形金屬，發(fā)現(xiàn)指數(shù)n常為約1.5。雖末根據(jù)什么理論，據(jù)信n的這個值意味著在磁化過程中起作用的疇壁數(shù)目隨頻率而變化。如果n＝1.5是有代表性的話，則可以將每周的磁心損耗L/f對于頻率f的平方根作出直線圖就很方便地獲得磁滯系數(shù)a和渦流系數(shù)b的值。該直線在f＝0的裁距就是a，直線斜率是就是b。
本發(fā)明人十分意外地發(fā)現(xiàn)，由本技術(shù)領(lǐng)域中以前用的合金和本發(fā)明合金制成的鐵心，它們在損耗的磁滯分量和渦流分最之間有著十分不同的平衡。因此不同材料鐵心雖在某一頻率會有相似的損耗，但在另一頻率卻會有十分不同的損耗。具體說來，本發(fā)明合金的鐵心與以前無定形合金的同樣鐵心相比，在工頻條件下渦流損耗較小，但磁滯損耗卻較高。所以本發(fā)明合金的與以前用的Fe基合金相比，在工頻下其總鐵心損耗雖低得不多，但在高頻下會低得很多。這樣的差別就使得本發(fā)明的合金和鐵心對于在400Hz工作的空中電氣設(shè)備以及千赫范圍的其它電子用途應(yīng)用起來是特別有利的。
本發(fā)明合金還可有利地應(yīng)用于濾波感應(yīng)器磁心的制作。在該技術(shù)領(lǐng)域的人們熟知，濾波感應(yīng)器可以用于電子線路中選擇性地抑制疊加于一所需直流上的交流噪聲。對于這類用途，濾波感應(yīng)器時常在其磁路中具有至少一個間隙。通過對間隙的合適選擇，可使磁心的磁滯回線環(huán)呈剪切形，從而使得在一定限定內(nèi)增加了使磁心飽和磁化所需的磁場。否則的話，通過感應(yīng)器的直流分量會使其使其磁心達到飽和磁化，結(jié)果降低了交流分量所經(jīng)受的有效磁導率，因而消除了所需的濾波作用。雖然由于通過感應(yīng)器繞組的交流分量在感應(yīng)器鐵心中的磁通量漂移可能很小，但飽和磁化應(yīng)該大仍然是很重要的，這是為了能令較大的直流通過而不使剪切形的B-H環(huán)飽和。前面已詳細說明過，本發(fā)明合金的飽和磁化最好大于約165emu/g，大于約170emu/g則更佳。在本技術(shù)領(lǐng)域中制作有間隙磁心的普通方法包括在一般是環(huán)形的磁心的一處或多處徑向地切割出間隙并組裝沖壓的或模壓的C-I或E-I薄片層。
現(xiàn)將一些實施例描述如下，以便對本發(fā)明有個更完全的了解。這里為說明本發(fā)明的原理和實際操作而敘述的具體方法、條件、原料、比例以及數(shù)據(jù)是例示性的，不應(yīng)認為限制了本發(fā)明的范圍。
實施例1對如下制備的本發(fā)明的某些有代表性的合金樣品測量了其磁心損耗和激勵功率的數(shù)據(jù)。
供退火以及隨后磁性測量的環(huán)形樣品的制法是將鑄態(tài)的帶子繞在陶瓷的筒上面，使帶子磁心的平均程長為約126mm。不測量磁心損耗，將各100圈的絕緣初級線圈和次級線圈加在上述的環(huán)上。這樣制作的環(huán)形樣品含有3至10g帶子或30至70g帶子(當帶子更寬時)。沿帶子的長度(環(huán)的周長)施加約5-30Oe的磁場，在此條件下將環(huán)形樣品于340°-390°退火1-2.5小時。當退火后樣品冷卻時仍將磁場保持。退火在真空下進行。
用標準測量方法在正弦形磁通條件下對這些閉磁路的櫚測量總磁心損耗和激勵功率。激勵頻率為60Hz，磁心激勵達到的最大磁感(Bm)為1.4T。
對于本發(fā)明有代表性的合金以及本發(fā)明范圍以外的一些合金的退火磁心，在60Hz和1.4T(25℃)測得的磁心損耗和激勵功率列于表Ⅱ(帶子是在各不同溫度下退火1小時)和表Ⅲ(帶子是在各不同溫度下退火2小時)。這兩個表中的合金號所指的對應(yīng)組成列于表Ⅰ。由表Ⅰ可見，標號為A至F的那些合金是本發(fā)明范圍以外的。表Ⅱ和表Ⅲ中，并非所有的合金都在全套的條件下進行了退火。由這些表可見，對大多數(shù)本發(fā)明的合金，磁心損耗都小于約0.3w/kg。不屬本發(fā)明的合金則非如此。而前已提及，目前由變壓器制造廠家規(guī)定的磁心損耗的值約0.37w/kg。本發(fā)明合金的激勵功率也小于目前對變壓器磁心材料規(guī)定的約1VA/kg。正是激勵功率和磁心損耗的組合，并進一步與前述的其它特性和在一個范圍的退火條件仍能保持性質(zhì)的相對均勻性以及一致性的組合乃是本發(fā)明合金的一個特點，雖然是未預(yù)測到此特點。由表Ⅱ和表Ⅲ不難看出可以獲得磁心性能這種有利組合的退火窗口。特別要指出的是，在本發(fā)明合金的較好化學組成范圍內(nèi)，磁心損耗可低至約0.2-0.3W/kg，而激勵功率可低至約0.25-0.5VA/kg。
表Ⅰ測量了其磁心損耗和激勵功率的合金組成(原子百分數(shù))。合金A至F為本發(fā)明之外的。合金1至6鑄成寬6mm的帶。
表Ⅱ?qū)τ谠诓煌緶囟认峦嘶?小時的Fe-B-Si-C合金在60Hz，1.4T和25℃測出的磁心損耗和激勵功率。合金號見表Ⅰ。
表Ⅲ對于在不同所示溫度下退火2小時的Fe-B-Si-C合金在60Hz，1.4T和25℃測出的磁心損耗的激勵功率。合金號見表Ⅰ。
實施例2除上上述的磁心外，還用本發(fā)明的一些較佳合金制作了較大的環(huán)形磁心，經(jīng)過退火，作了測試。這些磁心所含的磁心材料重約12kg。為這些磁心選用的帶子寬4.2″，它們是由兩種標稱組成物Fe79.5B9.25Si7.5C3.75和Fe79B8.5Si8.5C4用有所不同的量鑄成的。這些磁心的內(nèi)徑約7″，外徑為9″，在一惰性氣氛中按額定條件370℃，2小時進行了退火。由于磁心尺寸的關(guān)系，并非所有的磁心材料是在同一時間經(jīng)歷退火溫度的。對這兩種組成的磁心測出的平均磁心損耗是0.25W/kg，其標準偏差0.023W/kg，平均激磁功率為0.40VA/kg，其標準偏差0.12VA/kg，測量條件為60Hz，1.4T，25℃。這些數(shù)值與類似組成的較小直徑的磁心測出的數(shù)值大體相同。
在本技術(shù)領(lǐng)域中人們都知道，由于因繞制環(huán)形磁心在磁心材料中產(chǎn)生了應(yīng)變，這類磁心的損耗一般比未受應(yīng)變的下帶退火前所測的損耗大。對一給定的磁心筒直徑，含多層帶磁心材料的30至70克磁心的這種效應(yīng)比僅含一層或至多2至3層同樣帶的磁心要顯著地大些。30至70克磁心測出的損耗比直帶所測的大得多。
這就是在變壓器制造工業(yè)上被稱作“破壞因素”的一種表現(xiàn)。所謂破壞因素(有時稱為“卷繞因素”)常被定義為在一質(zhì)量控制實驗室對一完全組裝的變壓器磁心材料測得的實際磁心損耗與同一材料的直帶測得的磁心損耗之比。人們認為，在真實使用的變壓器磁心情況下，因纏繞磁心材料引起的應(yīng)變的上述效應(yīng)并不很大，因此這些磁心的直徑比上述實驗室磁心的直徑要大。這些磁心的“破壞”更多地是由于磁心組裝過程本身引起的。在有一種變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，經(jīng)退火的磁心須加以切開關(guān)連的磁心材料破壞外，新引入的應(yīng)力也對磁心損耗的增加起了作用。用本發(fā)明合金制作的小直徑典型磁心的損耗是0.2至0.3W/kg，隨變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計而異，“實際”變壓器的磁心，其損耗會增至0.3至0.4W/kg。
實施例3用通常方法由本發(fā)明無定形合金(標稱組成物Fe79.7B9.1Si7.2C4.0)制作了編號為11至16的繞線測試磁心，并在一惰性氣氛中進行了退火。每個磁心包括100kg6.7″寬的帶子構(gòu)成，按一般方式是環(huán)形纏繞的。這些磁心的尺寸與指定用于商品配電變壓器(額定值20至30kVA)的尺寸近似。這些磁心(列于表Ⅳ)在沿環(huán)形方向施加磁場的條件下進行了退火。溫度用熱電偶測量。每個磁心的中心在某一中心溫度保持一段所示的退火時間，然后冷卻至環(huán)境溫度，冷卻時間約6小時。采用標準方法在60Hz正弦形磁通激勵的條件下測定了磁心損耗和激勵功率，該標準方法包括用普通的響應(yīng)伏特計測量磁通量，用RMS響應(yīng)電計測量電流、電壓和激勵功率，用電子瓦特計測量功率損耗。于室溫在最大磁感為1.3和1.4T條件下測出的這些磁心的損耗和激勵功率的數(shù)據(jù)列于下面的表Ⅳ中。
表Ⅳ1.4T 1.3T磁心號 退火磁場 中心溫度 損耗 VA 損耗 VA(Oe) (℃) W/kg VA/kg W/kg VA/kg11 6 340 0.282 0.824 0.23 0.46512 6 325 0.301 2.13 0.251 0.98413 6 340 0.284 0.971 0.218 0.37914 12 340 0.267 0.873 0.222 0.52215 12 337 0.256 1.12 0.212 0.57216 12 330 0.266 1.79 -- --繞制測試線圈在25℃，60Hz，1.4T條件下測出的磁心損耗不大于約0.3W/kg，激勵功率不大于約1.0VA/kg，這些值用于商品配電變壓器是頗適宜的。
實施例4用前曾描述的平面流鑄造法由本發(fā)明的合金制備了帶狀制品。樣品平均厚23μm，寬6.7″。樣品20至27的組成列于下面的表Ⅴ(a)。制備了四批樣品。每一批樣品包括20至27號每種樣品的4根30cm長的帶子。每一批的所有樣品接著放入一磁軛中，該磁軛用作磁通區(qū)域即對帶子沿其鑄造方向施加磁場的手段。這一批樣品然后接下面表Ⅴ(b)至Ⅴ(e)所列的溫度和時間進行了熱處理。在熱處理和冷卻過程中維持著至少10奧斯特的磁場。
對這些直帶形的樣品用標準方法在正弦形磁通微勵條件下測量了磁心損耗和激勵功率。用一數(shù)字式示波器檢測平均電壓以測量磁通量，并檢測RMS電流和電平以測量激勵功率。磁心損耗是按瞬時功率的平均值計算的，其方法是數(shù)字化的電流波形和電壓波形相乘。對最佳合金在室溫，60Hz和1.4T測出的磁心損耗和激勵功率分別不大于約0.15W/kg和0.5VA/kg。
表Ⅴ(a)本發(fā)明合金的樣品。樣品是按商業(yè)批量制成6.7″寬的帶子。組成根據(jù)對帶子進行化學分析得出的Fe、B、Si、C的原子百分數(shù)表示(不計偶然的雜質(zhì))。
樣品號 組成(原子%)Fe B Si C20 80.2 9.2 7.0 3.621 80.2 9.2 7.0 3.622 80.2 9.2 7.0 3.623 80.2 9.2 7.0 3.624 80.1 9.2 7.0 3.725 80.1 9.1 7.0 3.826 80.2 9.1 7.0 3.727 80.2 9.1 7.0 3.7
表Ⅴ(b)本發(fā)明合金直帶樣品的磁心損耗和激勵功率。樣品經(jīng)352℃，50分鐘退火，然后冷卻至環(huán)境溫度，用60Hz正弦形磁通激勵至最大磁感1.3和1.4T進行測量。磁心損耗單位為W/kg，激勵功率單位為VA/kg。
樣品號 1.3T 1.4T磁心損耗 激勵功率 磁心損耗 激勵功率20 0.118 0.222 0.144 0.53321 0.123 0.355 0.145 0.58322 0.121 0.351 0.150 0.06123 0.121 0.339 0.137 0.54424 0.115 0.278 0.139 0.43025 0.123 0.318 0.142 0.50226 0.126 0.306 0.143 0.43927 0.115 0.284 0.159 0.617表Ⅴ(c)本發(fā)明合金直帶樣品的磁心損耗和激勵功率。樣品經(jīng)355℃，90分鐘退火，然后冷卻至環(huán)境溫度，用60Hz正弦形磁通激勵至最大磁感1.3和1.4T進行測量。磁心損耗單位為W/kg，激勵功率單位為VA/kg。
樣品號 1.3T 1.4T磁心損耗 激勵功率 磁心損耗 激勵功率20 0.142 0.302 0.163 0.41821 0.141 0.299 0.158 0.38822 0.141 0.308 0.165 0.47123 0.150 0.329 0.159 0.38124 0.131 0.256 0.154 0.33425 0.131 0.289 0.149 0.39426 0.134 0.266 0.160 0.37127 0.131 0.282 0.157 0.406表Ⅴ(d)本發(fā)明合金直帶樣品的磁心損耗和激勵功率。樣品經(jīng)348℃，90分鐘退火，然后冷卻至環(huán)境溫度，用60Hz正弦形磁通激勵至最大磁感1.3和1.4T進行測量。磁心損耗單位為W/kg，激勵功率單位為VA/kg。
樣品號 1.3T 1.4T磁心損耗 激勵功率 磁心損耗 激勵功率20 0.124 0.278 0.144 0.40621 0.120 0.259 0.147 0.40322 0.127 0.336 0.150 0.63123 0.129 0.292 0.152 0.43324 0.123 0.262 0.147 0.18625 0.127 0.297 0.152 0.47526 0.129 0.306 0.155 0.50727 0.137 0.336 0.168 0.610
表Ⅴ(e)本發(fā)明合金直帶樣品的磁心損耗和激勵功率。樣品加熱至356℃即冷卻至350℃保持45分鐘，然后冷卻至環(huán)境溫度，用60Hz正弦形磁通激勵至最大磁感1.3T和1.4T進行測量。磁心損耗單位為W/kg，激勵功率單位為VA/kg。
樣品號 1.3T 1.4T磁心損耗 激勵功率 磁心損耗 激勵功率20 0.117 0.320 0.140 0.51321 0.129 0.350 0.157 0.63022 0.130 0.447 0.157 0.84123 0.127 0.333 0.149 0.52124 0.123 0.304 0.144 0.17925 0.131 0.381 0.159 0.67326 0.130 0.353 0.156 0.65227 0.131 0.369 0.163 0.717實施例5用通常方法制作了本發(fā)明無定形合金(標稱組成Fe80.3B9.1S6.9C3.7的環(huán)形測試磁心和本發(fā)明范圍之外的一種商用Fe-B-Si無定形合金(METGLAS TCA)的磁心比較，然后在一惰性氣氛中退火。31至33號和35至36號磁心中的每一個都含有約80kg環(huán)形纏繞的5.6″寬的帶子。這些磁心在沿環(huán)形方向施加約6奧斯特磁場的條件下進行了退火。磁心是加熱到所示的中心溫度，保持2小時，然后在約6小時內(nèi)冷卻至環(huán)境溫度。采用標準方法在正弦形磁通激勵的條件下測試了這些磁心的損耗和激勵功率，該標準方法包括用普通的響應(yīng)伏特計測量磁通量，用RMS響應(yīng)電計測量電流、電壓和激勵功率，用電子瓦特計測量功率損耗。對這些磁心中的一些在室溫和最大磁感1.3T條件下測出的對應(yīng)于一系列頻率的磁心損耗和激勵數(shù)據(jù)列于下面的表Ⅵ中。
表Ⅵ磁心號 31 32 33 35 36退火溫度 335 340 340 340 340(℃)退火時間 1 3 4 0.5 0.5(h)頻率 磁心損耗(W/kg)(Hz)10 0.025 0.024 0.024 0.023 0.02220 0.056 0.052 0.054 0.054 0.05330 0.089 0.084 0.087 0.091 0.08940 0.125 0.117 0.122 0.131 0.12950 0.165 0.154 0.161 0.175 0.17360 0.205 0.193 0.203 0.223 0.264頻率 激勵功率(VA/kg)(Hz)10 0.232 0.128 0.078 0.056 0.09520 0.478 0.262 0.160 0.121 0.19730 0.720 0.399 0.245 0.190 0.30440 0.969 0.536 0.331 0.276 0.42950 1.22 0.676 0.423 0.337 0.52760 1.46 0.813 0.517 0.420 1.54對磁心34和37和數(shù)據(jù)作磁心損耗對于頻率的圖，示于圖5中。由該圖可見，以前作合金磁心37的回歸線斜率大于磁心34的斜率，這表明前者的損耗隨頻率增加而增大得快得多。由圖5還可見，磁心34在400Hz，1.4T和室溫的損耗小于約3W/kg，而磁心37在同樣條件下的損耗在3.6W/kg以上，因此磁心34應(yīng)用于工作條件為400Hz的空中電器以及千赫范圍的其它電子用途是特別有利的。
在較詳盡地描述了本發(fā)明之后，應(yīng)當指出，細節(jié)是不一定要嚴格遵守的，對于在本技術(shù)領(lǐng)域中熟練的人員來說，可對之進行一些改變和修正是不難想到的，而所有這些改變和修正是在所附權(quán)利要求表示的本發(fā)明范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種由鐵、硼、硅和碳組成的合金，其特征在于它至少約70%是無定形的，且其基本上的組成物通式為FeaBbSicCd，其中“a”至“d”為原子百分數(shù)，“a”、“b”、“c”、“d”之和等于100，“a”的范圍約77至約81，“b”小于約12，“c”大于約3，以及“d”大于約0.5，此組成應(yīng)使在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”=81的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(a)所示，A，B，C，D和E這些角點分別代表組成Fe81B11.5Si7C0.5，F(xiàn)e81B11.5Si3C4.5，F(xiàn)e81B11Si3C5，F(xiàn)e81B9.5Si4.5C5，F(xiàn)e81B9.5Si9C0.5；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”=80.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(b)所示，A，B，C，D，E，F(xiàn)這些角點分別表示Fe80.5B11.75Si7.25C0.5，F(xiàn)e80.5B11.75Si3C4.75，F(xiàn)e80.5B11Si3C5.5，F(xiàn)e80.5B8.71Si5.25C5.5，F(xiàn)e80.5B8.75Si8C2.75，F(xiàn)e80.5B11Si8C0.5；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”=80的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(c)所示，A，B，C，D，E這些角點分別表示組成物Fe80B12Si7.5C0.5，F(xiàn)e80B12Si3.25C4.75，F(xiàn)e80B8Si7.25C4.75，F(xiàn)e80B8Si8C4，F(xiàn)e80B11.5Si8C0.5；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”=79.5有三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(d)所示，A，B，C，D，E.F這些點分別表示組成物Fe79.5B12Si8C0.5，F(xiàn)e79.5B12Si3C5.5，F(xiàn)e79.5B11Si3C6.5，F(xiàn)e79.5B7.5Si6.5C6.5，F(xiàn)e79。5B7.5Si9.5C3.5，F(xiàn)e79.5B9Si8C3.5；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝79的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(e)所示，A，B，C，D，E，F(xiàn)這些角點分別表示組成物Fe79B12Si7.5C1。5,FE79B12Si3C6,Fe79B11Si3C7，F(xiàn)e79B7Si7C7，F(xiàn)e79B7Si10C4，F(xiàn)e79B9.5Si7.5C4；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝78.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEFA區(qū)域內(nèi)，如圖1(f)所示，A，B，C，D，E，F(xiàn)這些角點分別表示組成物Fe78.5B12Si8C1.5,Fe78.5B12SiC6.5,Fe78.5B11.5Si3C7,Fe78。5B6。5Si8C7，F(xiàn)e78。5B6。5Si11.5C3.5,Fe78.5B10Si8C3.5；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝78的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(g)所示，A，B，C，D，E這些角點分別表示組成物Fe78B12Si7.75C2.85，F(xiàn)e78B12Si3C7，F(xiàn)e78B6.5Si8.5C7，F(xiàn)e78B6.5Si11.75C3.75，F(xiàn)e78B10.5Si7.75C3.75；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝77.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDEA區(qū)域內(nèi)，如圖1(h)所示，A，B，C，D，E這些角點分別表示組成物Fe77.5B12Si7.5C7，F(xiàn)e77.5B12SI3.75C7，F(xiàn)e77.5B6Si9。5C7，F(xiàn)e77.5B6Si12。5C4，F(xiàn)e77.5B11Si7.5C4；在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”=77的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCDA區(qū)域內(nèi)，如圖1(i)所示，A，B，C，D這些角點分別表示Fe77B12Si7C4，F(xiàn)e77B12Si4C7，F(xiàn)e77B6Si10C7，F(xiàn)e77B6Si13C4，圖中在各含鐵量時界定組成范圍的多邊界邊界上的組成，如前所述，可以在含B，Si，C量上變動±0.1原子%，含F(xiàn)e量可變動±0.2原子%，同時可存在雜質(zhì)達0.5原子%。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于它至少約90%是無定形的。
3.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于它基本上100%是無定形的。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于雜質(zhì)含量不大于0.3原子%。
5.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于它基本上100%是無定形的。
6.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于其組成應(yīng)使在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝81的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABC21A區(qū)域內(nèi)，如圖1(a)所示，角點1，2分別表示組成物Fe81B10Si8.5C0.5，F(xiàn)e81B10Si4C5，而角點A，B，C表示如權(quán)利要求1所述的組成;在四元Fe-B-Si-C組成空間，“a”＝80.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCD21A區(qū)域內(nèi)，如圖1(b)所示，角點1，2分別表示組成物Fe80.5B11.25Si 7.75 C 0.5 ，F(xiàn)e80.5B8.75Si7.75C3，而角點A，B，C，D表示如權(quán)利要求1所述的組成;在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝80的三元截面上，“b”、“c”、“d”在ABCD1A區(qū)域內(nèi)，如圖1(c)所示，角點1表示組成物Fe80B8.5Si7.5C4，而角點A，B，C，D表示如權(quán)利要求1所述的組成;在四元Fe-B-Si-C組成空間“a”＝79.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在12CD341區(qū)域內(nèi)，如圖1(d)所示，角點1，2，3，4分別表示組成物Fe79.5B11.5Si7.5C1.5，F(xiàn)e79.5B11.5B3C6，F(xiàn)e79.5B7.5Si9C4，F(xiàn)e79.5B9Si7.5C4，而角點C，D表示如權(quán)利要求1所述折組成;在四元Fe-B-Si-C“a”＝79的三元截面上，“b”、“c”、“d”在1CEF1區(qū)域內(nèi)，如圖1(e)所示，角點1表示組成物Fe79B11Si7.5C2.5，而角點C，D，E，F(xiàn)表示如權(quán)利要求1所述的組成;在四元Fe-B-Si-C“a”＝78.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在1CD231區(qū)域內(nèi)，如圖1(f)所示，角點1，2，3分別表示組成物Fe78.5B11.5Si7.5C2.5，F(xiàn)e78.5B6.5Si11C4，F(xiàn)e78.5B10Si7.5C4，而角點Fe-B-Si-C組成空間“a”＝78的三元截面上，“b”、“c”、“d”在12341區(qū)域內(nèi)，如圖1(g)所示，角點1，2，3，4分別表示Fe78B11Si7c4，F(xiàn)e78B11Si5C6，F(xiàn)e78B6Si10C6，F(xiàn)e78B6Si12C4;在四元Fe-B-Si-C“a”＝77.5的三元截面上，“b”、“c”、“d”在E1CDE區(qū)域內(nèi)，如圖1(h)所示，角點表示組成物Fe77.5B11Si4.5C7，而角點C，D，E表示如權(quán)利要求1所述的組成;在四元Fe-B-Si-C“a”＝77的三元截面上，“b”、“c”、“d”在12CD1區(qū)域內(nèi)，如圖1(i)所示，角點1，2分別表示組成物Fe77B11Si8C4，F(xiàn)e77B11Si5C7，而角點C，D表示如權(quán)利要求1所述的組成，圖中在各含鐵量時界定組成范圍的多邊形的邊界上的組成，如前所述，在含鐵量上可變動±0.1原子%。
7.如權(quán)利要求6所述的合金，其特征在于它至少約90%是無定形的。
8.如權(quán)利要求6所述的合金，其特征在于它基本上100%是無定形的。
9.如權(quán)利要求6所述的合金，其特征在于其雜質(zhì)含量不大于0.3原子%。
10.如權(quán)利要求9所述的合金，其特征在于它基本上是100%是無定形的。
11.如權(quán)利要求6所述的合金，其特征在于它的組成范圍是“a”在約79至80.5，“b”在約8.5至10.25，“d”在約3.25至4.5。
12.如權(quán)利要求11所述的合金，其特征在于它基本上100是無定形的。
13.如權(quán)利要求11所述的合金，其特征在于其雜質(zhì)含量不大于0.3原子%。
14.如權(quán)利要求13的合金，其特征在于它基本上100%是無定形的。
15.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于其組成物Fe79.5B9.25Si7.5C3.75，F(xiàn)e79B8.5Si8C4或Fe79.1B8.9Si8C4。
16.如權(quán)利要求14所述的合金，其特征在于組成物為Fe79.5B9.25Si7.5C3.75，F(xiàn)e79B8.5Si8.5C4，F(xiàn)e79.1B8.9Si8C4，F(xiàn)e80.2B9.2Si7.0C3.6，F(xiàn)e78.5B11.5Si7.5C2.5，F(xiàn)e80.1B9.2Si7.0C3.7或Fe80.2B9.1Si7.0C3.7。
17.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于其結(jié)晶溫度至少約465℃，居里溫度至少約360℃，飽和磁化對應(yīng)于至少約165emu/g的磁矩。
18.如權(quán)利要求1所述的合金，其特征在于當合金退火后，測出25℃，60Hz，1.4T的磁心損耗不大于約0.35W/g，激勵功率不大于約1VA/kg。
19.如權(quán)利要求6所述的合金，其特征在于當合金退火后，測于25℃，60Hz，1.4T的磁心損耗不大于約0.28W/kg，激勵功率不大于約1VA/kg。
20.如權(quán)利要求11所述的合金，其特征在于當合金退火后，測出25℃，60Hz，1.4T的磁心損耗不大于約0.2W/kg，激勵功率不大于0.6VA/kg。
21.含有用權(quán)利要求1所述的合金制成的金屬帶的磁心，其特征在于合金至少約90%是無定形的。
22.如權(quán)利要求21所述的磁心，其特征在于知25℃，60Hz，1.4T測量的磁心損耗不大于約0.35W/kg，激勵功率不大于約1VA/kg。
23.一種含權(quán)利要求1所述的合金的制品。
24.如權(quán)利要求21的磁心，其特征在于在25℃，400Hz，1.3T測出的磁心損耗不大于約3W/kg。
25.含有用權(quán)利要求1所述的合金制造的金屬帶的間隙磁心，其特征在于該合金至少約90%是無定形的。
26.如權(quán)利要求11所述的合金，其特征在于其組成中的“c”至少約6.5%。
27.如權(quán)利要求20的磁性合金，其特征在于當合金退火后，測于25℃，60Hz，1.4T的磁心損耗不大于約0.15W/kg，激勵功率不大于約0.5VA/kg。
28.如權(quán)利要求22所述的磁心，其特征在于在25℃，60Hz1.4T測出的磁心損耗不大于約0.3W/kg，激勵功率不大于約1.0VA/kg。
29.如權(quán)利要求26所述的合金，其特征在于其組成為Fe79.5B9.25Si7.5C3.75，F(xiàn)e79B8.5Si8.5C4，F(xiàn)e79.1B8.9Si8C4，F(xiàn)e80.5B9.2Si7.0C3.6，F(xiàn)e78.5B11.5Si7.5C2.5，F(xiàn)e80.1B9.2Si7.0C3.7或Fe80.2B9.1Si7.0C3.7。
全文摘要
一類快速固化的由鐵、硼、硅、碳組成的無定型金屬合金。此類合金在工頻下顯示了高飽和磁感、高居里溫度、高結(jié)晶溫度、低磁心損耗和低激勵功率的性能，尤其適用于電力分配網(wǎng)絡(luò)用的變壓器磁心。
文檔編號C22C45/02GK1094097SQ9312128
公開日1994年10月26日 申請日期1993年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月23日
發(fā)明者V·R·V·拉馬納, G·E·費歇, H·H·李畢曼, 約翰·欣格爾斯 申請人:聯(lián)合信號股份有限公司