專利名稱：鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，主要是一種用于高頻大功率逆變直流弧焊機(jī)單極性和雙極性脈沖主變壓器鐵芯的制造方法，該方法主要包括如下步驟選擇鐵芯用材，卷鐵芯和鐵芯熱處理。
用于逆變直流弧焊機(jī)高頻大功率脈沖主變壓器的鐵芯，其工作頻率一般為10～50KHz，輸出功率1～10KW。眾所周知，這種高頻大功率的變壓器鐵芯目前一般都選用Mn-Zn鐵氧體或薄硅鋼帶材料。日本專利平3-41708(1991年2月22日公開(kāi)特許公報(bào))公開(kāi)了采用鐵和錳的氧化物粉末壓型后再燒結(jié)的粉末冶金方法來(lái)制作Mn-Zn鐵氧體鐵芯的工藝，如果選用采用這種方法制成的Mn-Zn鐵氧體鐵芯來(lái)制作逆變直流弧焊機(jī)的高頻大功率脈沖變壓器鐵芯，雖然其損耗很低，在高頻下使用溫升較小，但由于這種鐵芯飽和磁感強(qiáng)度很低，結(jié)果必須把鐵芯作成很大的體積，或增加繞線匝數(shù)，最后的直流弧焊機(jī)就很笨重。相反，如果選用市售的薄硅鋼帶來(lái)卷繞這種鐵芯，鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度的確很高，但由于薄硅鋼帶的高頻損耗太高，不能工作在很高的頻率下，很容易發(fā)熱。歐洲專利EP0435680A2提供了一種利用鐵基快淬軟磁合金薄帶卷繞的鐵芯，在工藝上通過(guò)薄帶之間涂加絕緣涂層來(lái)提高鐵芯的性能，但未具體涉及本發(fā)明所提供的弧焊機(jī)主變壓器鐵芯性能提高的方法。
本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)存技術(shù)中的不足之處，提供一種對(duì)于高頻大功率脈沖主變壓器鐵芯來(lái)說(shuō)，既具有低損耗又具有高磁感的快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，把采用這種方法制得的鐵芯應(yīng)用于高頻大功率逆變直流弧焊機(jī)脈沖主變壓器，可以使變壓器體積和重量顯著減小，同時(shí)其效率大大提高。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下的措施來(lái)達(dá)到，首先是通過(guò)選用快淬軟磁合金中鐵含量高的超微晶合金帶和非晶合金帶，依靠這種高含鐵合金帶的高飽和磁感強(qiáng)度的特性，來(lái)提高鐵芯的最大磁感強(qiáng)度Bm，從而達(dá)到提高鐵芯工作磁感△B(對(duì)于雙極性脈沖變壓器鐵芯△B＝2Bm，對(duì)于單極性脈沖變壓器△B＝Bm-Br，其中Br是鐵芯的剩余磁感強(qiáng)度)的目的，對(duì)于變壓器來(lái)說(shuō)就可以縮小體積和重量。然后將此兩種帶材卷繞成矩形截面的環(huán)形鐵芯，并分別在高于(超微晶鐵芯)和低于(非晶鐵芯)各自晶化溫度的溫度下，保溫一段時(shí)間，隨爐冷卻。從而使構(gòu)成鐵芯的薄帶中在淬火時(shí)出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力得以消除，同時(shí)分別形成超微晶和部分晶化的組織狀態(tài)，使得鐵芯高頻損耗下降，導(dǎo)磁率提高。而對(duì)于單極性脈沖變壓器的鐵芯尚要在退火時(shí)施加橫向磁場(chǎng)，處理后合金帶中的磁疇結(jié)構(gòu)為與帶軸成45°～90°角的平行條狀疇，從而鐵芯的Br得以下降，鐵芯工作磁感△B＝Bm-Br增大，有利于鐵芯體積和重量的減小。最后將鐵芯裝入一種無(wú)磁材料制成的保護(hù)盒中，保護(hù)鐵芯不致由于鐵芯熱處理后產(chǎn)生的脆性導(dǎo)致破損和受應(yīng)力后磁性下降，因?yàn)檫@種快淬軟磁合金卷鐵芯材質(zhì)脆，且磁性的應(yīng)力敏感性很大。
本發(fā)明的目的還可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到，就是選用的超微晶合金帶的具體成分和含量(原子%，以下相同)為Fe71～77，M2～4，Cu1～3，Si9～15，B8～12，其中M可以是No，Mo，W，Ta，Zr，Hf，Ti，Cr中的一種或兩種。非晶合金帶的具體成分和含量對(duì)于高磁感是一個(gè)關(guān)鍵的因素。研究表明，如超微晶合金帶，當(dāng)合金中鐵含量由72%增加到76%時(shí)，合金帶的B10(磁場(chǎng)為100e時(shí)的磁感強(qiáng)度)慢慢地由1.23T增加到1.29T，并且導(dǎo)磁率和損耗都無(wú)大變化。雙極性脈沖特性測(cè)試結(jié)果表明，在其他條件相同情況下(頻率鐵芯重量、大小及匝數(shù)相同)，含鐵76%的鐵芯可以施加的最大工作電壓為200伏，而含鐵73.5%的鐵芯才能加148伏。但鐵含量過(guò)高，也將導(dǎo)致磁性惡化，如當(dāng)鐵含量增加到79.5%時(shí)，鐵芯的導(dǎo)磁率大幅度下降，損耗大幅度增加。因此本發(fā)明選用的超微晶合金帶的最佳成分和含量，與合金中鐵的含量相適應(yīng)，應(yīng)當(dāng)是Fe76Nb3Cu1Si10B10。而最佳的非晶合金帶的成分和含量應(yīng)當(dāng)是Fe82Si3B14C1。
根據(jù)上述成分和含量的鐵基快淬軟磁合金帶的選擇，對(duì)于超微晶合金鐵芯而言，其退火保溫的溫度范圍應(yīng)是高于材料的晶化溫度，其范圍為460～580℃。因?yàn)樵谠伎齑銧顟B(tài)，合金帶并不是超微晶狀態(tài)，只有在高于晶化溫度(并且對(duì)不同的成分和含量其處理溫度不同)退火后才能出現(xiàn)超微晶組織狀態(tài)，這種bcc結(jié)構(gòu)的超微晶晶粒組織的出現(xiàn)再加上快淬時(shí)應(yīng)力的消除，才能使鐵芯具有低損耗和高導(dǎo)磁的優(yōu)異性能。對(duì)于上述最佳成分超微晶合金帶(Fe76Nb3Cu1Si10B10)卷繞的鐵芯其最佳的退火溫度為550℃。而對(duì)于本發(fā)明成分范圍內(nèi)鐵基非晶合金帶卷繞的鐵芯，退火保溫的溫度范圍應(yīng)是低于材料的晶化溫度，其范圍為350～450℃。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)保溫溫度對(duì)獲得良好的鐵芯磁性至關(guān)重要，對(duì)超微晶來(lái)說(shuō)溫度過(guò)高會(huì)在合金中析出使磁性惡化的FeB化合物，且晶粒長(zhǎng)大;溫度過(guò)低，則淬火應(yīng)力消除不完全，且原子不能充分?jǐn)U散，磁場(chǎng)處理效果不明顯。在非晶合金帶中，制得的鐵芯表現(xiàn)出最佳磁性的合金帶是成分為Fe82Si3B14C1，它的最佳退火保溫溫度為400℃。
本發(fā)明單極性脈沖主變壓器鐵芯為了獲得低Br值，以提高工作磁感△B，必須在退火時(shí)施加300～600℃Oe的橫向磁場(chǎng)，退火后鐵芯合金帶的疇結(jié)構(gòu)由淬態(tài)迷宮疇轉(zhuǎn)變?yōu)榕c帶軸成45～90°角的平等條狀疇，從而鐵芯獲得＜0.2T的低Br值。而雙極性脈沖變壓器鐵芯要求除具有高飽和磁感Bs外，尚應(yīng)具備高導(dǎo)磁率和低損耗，它必須在退火時(shí)不加任何種類的磁場(chǎng)。如果施加縱向磁場(chǎng)，處理后雖然靜態(tài)導(dǎo)磁率較高，但由于帶中產(chǎn)生粗大的條狀疇結(jié)構(gòu)，又使高頻損耗增大，如果施加橫向磁場(chǎng)，處理后鐵芯的導(dǎo)磁率不高，使變壓器工作激磁電流增大，是不理想的。
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1選用最佳成分(原子Fe76Cu1Nb3Si10B10超微晶合金帶(帶厚25μm，帶寬20mm)卷繞成內(nèi)徑60mm，外徑100mm，高20mm的單極性脈沖變壓器鐵芯，放入管式爐中進(jìn)行橫向磁場(chǎng)退火，磁場(chǎng)強(qiáng)度為500Oe，在氫氣保護(hù)下以5℃/分的速度升溫至550℃，保溫1小時(shí)后隨爐冷卻，使鐵芯中的應(yīng)力消除，并使其產(chǎn)生超微晶組織和所需的疇結(jié)構(gòu)。本發(fā)明例環(huán)形超微晶合金鐵芯與對(duì)比例鐵芯性能對(duì)比列于表1.2。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，鐵基超微晶合金鐵芯綜合性能大大優(yōu)于MnZn鐵氧體鐵芯，其飽和磁感為鐵氧體的4倍，工作磁感為鐵氧體的2倍以上，在體積相同情況下，頻率f＝20KHz時(shí)的損耗僅為鐵氧體1/4～1/5。結(jié)果使逆變直流焊機(jī)主變壓器重量和體積減小，效率提高。
表1.
本發(fā)明實(shí)施例與本發(fā)明所選超微晶成分范圍以外成分合金單極性脈沖變壓器鐵芯性能對(duì)比列于表2。由表數(shù)據(jù)可見(jiàn)由于本發(fā)明實(shí)施例采用Fe含量達(dá)76%的高含鐵合金帶，在匝數(shù)和截面積相同條件下，與對(duì)比例比較，可輸出較大電壓，反之，由于輸出電壓與△B及鐵芯截面積S成正比，所以對(duì)于一定的輸出電壓來(lái)說(shuō)，△B越大，則S可減小，從而達(dá)到減小體積及重量的目的。
表2.
實(shí)施例2選用最佳成分(原子%)Fe82B14Si3C1鐵基非晶合金帶(帶厚25μm、寬20mm)卷繞成內(nèi)徑60mm，外徑100mm，高20mm的單極性脈沖變壓器鐵芯，放入管式電爐，施加橫向磁場(chǎng)500Oe，在氫氣保護(hù)下以5℃/分的速度升溫至400℃，保溫1小時(shí)后隨爐冷卻。其磁性列于表3，并與適用于一般高頻變壓器的Fe75Ni4Mo3Si2B16非晶合金帶卷繞的單極性脈沖變壓器鐵芯相比。由表3數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明高含鐵非晶合金帶Fe80B14Si3C1卷繞的鐵芯，由于其具有高的飽和磁感值，在較大的工作磁感△B下工作時(shí)，其脈沖導(dǎo)磁率μ和損耗P都明顯的優(yōu)于對(duì)比例的鐵芯，有利于鐵芯體積和重量下降，提高變壓器效率。
表3.
＊B10相當(dāng)于Bs，已近飽和實(shí)施例3.
選用最佳成分Fe76Cu1Nb3Si10B10超微晶合金帶，與實(shí)施例1相同卷繞成單極性脈沖變壓器鐵芯，其鐵芯尺寸規(guī)格都相同，分成三組進(jìn)行退火處理，處理的條件和所得性能結(jié)果列于表4。由表4可以看出，在頻率f＝30KHz時(shí)實(shí)施例鐵芯剩磁Br和損耗都相當(dāng)?shù)停瑢?dǎo)磁率μ較高，而退火溫度為520℃較低溫退火的對(duì)比例1，由于溫度過(guò)低未達(dá)到納米晶析出的最佳晶化程度，因而導(dǎo)磁率很低，且損耗大大高于經(jīng)最佳溫度退火的實(shí)施例鐵芯。對(duì)比例2雖退火溫度為最佳值，但未加橫磁場(chǎng)退火，結(jié)果Br較高，雖然在低△B條件下，其導(dǎo)磁率與實(shí)施例相當(dāng)，但在△B較高時(shí)，由于接近飽和，導(dǎo)磁率下降，在△B＝0.9T時(shí)，鐵芯已飽和，因而只有在最佳退火溫度和施加橫向磁場(chǎng)的條件下才能保證鐵芯體積和重量下降。
表4.
實(shí)施例4.
選用成分Fe73Cu1Nb3Si13B10超微晶合金帶卷繞為內(nèi)徑60mm，外徑100mm，高20mm的雙極性脈沖鐵芯，放入管式電爐中分別在不加磁場(chǎng)，施加橫向和縱向磁場(chǎng)的條件下，以5℃/分速度升溫至560℃，保溫1小時(shí)，隨爐緩冷制成三種鐵芯，經(jīng)測(cè)試其性能示于表5。
表5.
由表5得知經(jīng)無(wú)磁場(chǎng)退火的本發(fā)明實(shí)施例雙極性脈沖變壓器鐵芯其脈沖導(dǎo)磁率和損耗都明顯地優(yōu)于經(jīng)縱向和橫向磁場(chǎng)退火的對(duì)比例鐵芯，且工藝比較簡(jiǎn)單。故作為雙極性脈沖變壓器鐵芯而言，本發(fā)明認(rèn)為其鐵芯退火時(shí)不施加任何形式的磁場(chǎng)會(huì)得到更好的效果。
實(shí)施例5.
采用與實(shí)施例1.一樣的工藝制備的單極性脈沖變壓器鐵芯，裝入保護(hù)盒保持園環(huán)狀和未裝入保護(hù)盒徑向受力使鐵芯呈橢園狀兩種鐵芯經(jīng)測(cè)試，損耗示于表6。
表6.
由表6所示在△B＝0.5T，f＝30KHz條件下測(cè)得的本發(fā)明實(shí)施例鐵芯性能數(shù)據(jù)表明，由于鐵芯裝入保護(hù)盒中沒(méi)有受到徑向應(yīng)力作用，其損耗明顯低于受徑向應(yīng)力變形為橢園形的對(duì)比例。故本發(fā)明認(rèn)為鐵芯裝入保護(hù)盒能防止繞線或安裝過(guò)程中受擠壓而使性能惡化，同時(shí)由于退火后鐵芯的脆性，裝入保護(hù)盒后可避免鐵芯破損。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比其優(yōu)點(diǎn)如下(1)本發(fā)明由于選用高含鐵的超微晶和非晶合金帶卷繞鐵芯，并相應(yīng)地將鐵芯在最佳退火溫度下退火和經(jīng)其他工序，消除應(yīng)力和形成最佳組織狀態(tài)，使得這種高頻大功率逆變直流弧焊機(jī)脈沖主變壓器鐵芯既具有高磁感又具有低損耗的優(yōu)異綜合性能。因而這種鐵芯與鐵氧體鐵芯相比，飽和磁感提高4倍，工作磁感提高到2倍以上，頻率為20KHz時(shí)的損耗僅為鐵氧體鐵芯的1/4～1/5。結(jié)果使該種主變壓器的體積和重量大減小，同時(shí)效率提高。
(2)由于選用高含鐵的超微晶和非晶合金帶卷繞單極性脈沖主變壓器鐵芯，并在最佳退火溫度和施加橫向磁場(chǎng)條件下退火，使得成品鐵芯具有相當(dāng)?shù)偷氖４臖r和損耗，同時(shí)導(dǎo)磁率相當(dāng)高。結(jié)果保證了變壓器體積和重量的減小和效率的提高。
(3)由于本發(fā)明將卷鐵芯裝入保護(hù)盒中防止繞線和安裝過(guò)程中受擠壓而使鐵芯磁性惡化，使這種材質(zhì)較脆和應(yīng)力很敏感的材料制得的鐵芯得以工業(yè)應(yīng)用，并且綜合性能大大優(yōu)于現(xiàn)有的鐵芯。
權(quán)利要求
1.一種用于高頻大功率逆變直流弧焊機(jī)單極性脈沖和雙極性脈沖主變壓器鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，其中主要包括快淬軟磁合金帶材的選擇，鐵芯的成形和鐵芯熱處理，其特征是選用的快淬軟磁合金帶為鐵含量高的超微晶合金帶和非晶合金帶，超微晶合金帶的成分和含量(原子%)為Fe71～77，M2～4，Cu1～3，Si9～15，B8～12，其中M可以是Nb，Mo，W，Ta，Zr，Hf，Ti，Cr的一種或兩種，非晶合金帶的成分和含量(原子%)為Fe80～83，M0～8，Si3～8，B11～15，C0～3，其中M可以是Mo，Ni，Nb，Mn，W，V，Cr，Co中一種或兩種，然后將此兩種帶材卷繞成截面積為矩形的環(huán)形卷鐵芯，接著將卷鐵芯進(jìn)行退火處理，超微晶合金帶鐵芯在高于晶化溫度Tx的溫度下保溫一定時(shí)間，非晶合金帶鐵芯在低于晶化溫度Tx的溫度下保溫一定時(shí)間，對(duì)于單極性脈沖主變壓器的超微晶和非晶合金帶鐵芯還要在退火時(shí)施加橫向磁場(chǎng)，最后將退火后的鐵芯裝入無(wú)磁材料制成的保護(hù)盒中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1.所述的鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，其特征是選用的鐵基超微晶合金帶的最佳成分和含量(原子%)為Fe76，Nb3，Cu1，Si10，B10，選用的鐵基非晶合金帶的最佳成分和含量(原子%)為Fe82Si3B14C1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，其特征是鐵基超微晶合金帶卷繞的鐵芯退火時(shí)的保溫溫度為460～580℃，鐵基非晶合金帶卷繞的鐵芯退火時(shí)的保溫溫度為350～450℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，其特征是單極性脈沖主變壓器鐵芯退火時(shí)在保溫階段和爐冷階段施加300～600奧斯特的橫向磁場(chǎng)，而雙極性脈沖主變壓器鐵芯退火時(shí)不加磁場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法，其特征是成分為Fe76Nb3Cu1Si10B10鐵基超微晶合金帶卷繞的環(huán)形鐵芯的最佳退火保溫溫度為550℃，成分為Fe82Si3B14C1的鐵基非晶合金帶卷繞的環(huán)形鐵芯的最佳退火溫度為400℃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于高頻大功率逆變直流弧焊機(jī)單極性和雙極性脈沖主變壓器鐵芯的制造方法。該方法選用高含鐵的超微晶和非晶合金帶卷繞成環(huán)形鐵芯，然后根據(jù)所選帶材的化學(xué)成分采用相應(yīng)的退火溫度，用于單極性脈沖變壓器的鐵芯退火時(shí)加橫向磁場(chǎng)，用于雙極性脈沖變壓器的鐵芯子加磁場(chǎng)，退火后再裝入保護(hù)盒中，至此就獲得了高磁感低損耗體積小和重量輕的主變壓器鐵芯。
文檔編號(hào)H01F41/02GK1092201SQ9410092
公開(kāi)日1994年9月14日 申請(qǐng)日期1994年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月29日
發(fā)明者李玉國(guó), 全白云, 陳新華, 馮淑琴 申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院