專利名稱：鐵基快淬軟磁合金鐵芯的制造方法
技術領域：
本發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日公開特許公報)公開了采用鐵和錳的氧化物粉末壓型后再燒結的粉末冶金方法來制作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鐵氧體鐵芯來制作逆變直流弧焊機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度很低，結果必須把鐵芯作成很大的體積，或增加繞線匝數，最后的直流弧焊機就很笨重。相反，如果選用市售的薄硅鋼帶來卷繞這種鐵芯，鐵芯的磁感應強度的確很高，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，在工藝上通過薄帶之間涂加絕緣涂層來提高鐵芯的性能，但未具體涉及本發明所提供的弧焊機主變壓器鐵芯性能提高的方法。
本發明的目的是避免上述現存技術中的不足之處，提供一種對于高頻大功率脈沖主變壓器鐵芯來說，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用于高頻大功率逆變直流弧焊機脈沖主變壓器，可以使變壓器體積和重量顯著減小，同時其效率大大提高。
本發明的目的可以通過以下的措施來達到，首先是通過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度的特性，來提高鐵芯的最大磁感強度Bm，從而達到提高鐵芯工作磁感△B(對于雙極性脈沖變壓器鐵芯△B＝2Bm，對于單極性脈沖變壓器△B＝Bm-Br，其中Br是鐵芯的剩余磁感強度)的目的，對于變壓器來說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，保溫一段時間，隨爐冷卻。從而使構成鐵芯的薄帶中在淬火時出現的內應力得以消除，同時分別形成超微晶和部分晶化的組織狀態，使得鐵芯高頻損耗下降，導磁率提高。而對于單極性脈沖變壓器的鐵芯尚要在退火時施加橫向磁場，處理后合金帶中的磁疇結構為與帶軸成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磁材料制成的保護盒中，保護鐵芯不致由于鐵芯熱處理后產生的脆性導致破損和受應力后磁性下降，因為這種快淬軟磁合金卷鐵芯材質脆，且磁性的應力敏感性很大。
本發明的目的還可以通過以下措施來達到，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于高磁感是一個關鍵的因素。研究表明，如超微晶合金帶，當合金中鐵含量由72%增加到76%時，合金帶的B10(磁場為100e時的磁感強度)慢慢地由1.23T增加到1.29T，并且導磁率和損耗都無大變化。雙極性脈沖特性測試結果表明，在其他條件相同情況下(頻率鐵芯重量、大小及匝數相同)，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。但鐵含量過高，也將導致磁性惡化，如當鐵含量增加到79.5%時，鐵芯的導磁率大幅度下降，損耗大幅度增加。因此本發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，應當是Fe76Nb3Cu1Si10B10。而最佳的非晶合金帶的成分和含量應當是Fe82Si3B14C1。
根據上述成分和含量的鐵基快淬軟磁合金帶的選擇，對于超微晶合金鐵芯而言，其退火保溫的溫度范圍應是高于材料的晶化溫度，其范圍為460～580℃。因為在原始快淬狀態，合金帶并不是超微晶狀態，只有在高于晶化溫度(并且對不同的成分和含量其處理溫度不同)退火后才能出現超微晶組織狀態，這種bcc結構的超微晶晶粒組織的出現再加上快淬時應力的消除，才能使鐵芯具有低損耗和高導磁的優異性能。對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℃。而對于本發明成分范圍內鐵基非晶合金帶卷繞的鐵芯，退火保溫的溫度范圍應是低于材料的晶化溫度，其范圍為350～450℃。本發明者發現保溫溫度對獲得良好的鐵芯磁性至關重要，對超微晶來說溫度過高會在合金中析出使磁性惡化的FeB化合物，且晶粒長大;溫度過低，則淬火應力消除不完全，且原子不能充分擴散，磁場處理效果不明顯。在非晶合金帶中，制得的鐵芯表現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，必須在退火時施加300～600℃Oe的橫向磁場，退火后鐵芯合金帶的疇結構由淬態迷宮疇轉變為與帶軸成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，尚應具備高導磁率和低損耗，它必須在退火時不加任何種類的磁場。如果施加縱向磁場，處理后雖然靜態導磁率較高，但由于帶中產生粗大的條狀疇結構，又使高頻損耗增大，如果施加橫向磁場，處理后鐵芯的導磁率不高，使變壓器工作激磁電流增大，是不理想的。
下面結合實施例進一步詳述本發明。
實施例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，放入管式爐中進行橫向磁場退火，磁場強度為500Oe，在氫氣保護下以5℃/分的速度升溫至550℃，保溫1小時后隨爐冷卻，使鐵芯中的應力消除，并使其產生超微晶組織和所需的疇結構。本發明例環形超微晶合金鐵芯與對比例鐵芯性能對比列于表1.2。由實驗數據得知，鐵基超微晶合金鐵芯綜合性能大大優于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時的損耗僅為鐵氧體1/4～1/5。結果使逆變直流焊機主變壓器重量和體積減小，效率提高。
表1.
本發明實施例與本發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比列于表2。由表數據可見由于本發明實施例采用Fe含量達76%的高含鐵合金帶，在匝數和截面積相同條件下，與對比例比較，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，所以對于一定的輸出電壓來說，△B越大，則S可減小，從而達到減小體積及重量的目的。
表2.
實施例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500Oe，在氫氣保護下以5℃/分的速度升溫至400℃，保溫1小時后隨爐冷卻。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數據可知，本發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，其脈沖導磁率μ和損耗P都明顯的優于對比例的鐵芯，有利于鐵芯體積和重量下降，提高變壓器效率。
表3.
＊B10相當于Bs，已近飽和實施例3.
選用最佳成分Fe76Cu1Nb3Si10B10超微晶合金帶，與實施例1相同卷繞成單極性脈沖變壓器鐵芯，其鐵芯尺寸規格都相同，分成三組進行退火處理，處理的條件和所得性能結果列于表4。由表4可以看出，在頻率f＝30KHz時實施例鐵芯剩磁Br和損耗都相當低，導磁率μ較高，而退火溫度為520℃較低溫退火的對比例1，由于溫度過低未達到納米晶析出的最佳晶化程度，因而導磁率很低，且損耗大大高于經最佳溫度退火的實施例鐵芯。對比例2雖退火溫度為最佳值，但未加橫磁場退火，結果Br較高，雖然在低△B條件下，其導磁率與實施例相當，但在△B較高時，由于接近飽和，導磁率下降，在△B＝0.9T時，鐵芯已飽和，因而只有在最佳退火溫度和施加橫向磁場的條件下才能保證鐵芯體積和重量下降。
表4.
實施例4.
選用成分Fe73Cu1Nb3Si13B10超微晶合金帶卷繞為內徑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，施加橫向和縱向磁場的條件下，以5℃/分速度升溫至560℃，保溫1小時，隨爐緩冷制成三種鐵芯，經測試其性能示于表5。
表5.
由表5得知經無磁場退火的本發明實施例雙極性脈沖變壓器鐵芯其脈沖導磁率和損耗都明顯地優于經縱向和橫向磁場退火的對比例鐵芯，且工藝比較簡單。故作為雙極性脈沖變壓器鐵芯而言，本發明認為其鐵芯退火時不施加任何形式的磁場會得到更好的效果。
實施例5.
采用與實施例1.一樣的工藝制備的單極性脈沖變壓器鐵芯，裝入保護盒保持園環狀和未裝入保護盒徑向受力使鐵芯呈橢園狀兩種鐵芯經測試，損耗示于表6。
表6.
由表6所示在△B＝0.5T，f＝30KHz條件下測得的本發明實施例鐵芯性能數據表明，由于鐵芯裝入保護盒中沒有受到徑向應力作用，其損耗明顯低于受徑向應力變形為橢園形的對比例。故本發明認為鐵芯裝入保護盒能防止繞線或安裝過程中受擠壓而使性能惡化，同時由于退火后鐵芯的脆性，裝入保護盒后可避免鐵芯破損。
本發明與已有技術相比其優點如下(1)本發明由于選用高含鐵的超微晶和非晶合金帶卷繞鐵芯，并相應地將鐵芯在最佳退火溫度下退火和經其他工序，消除應力和形成最佳組織狀態，使得這種高頻大功率逆變直流弧焊機脈沖主變壓器鐵芯既具有高磁感又具有低損耗的優異綜合性能。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時的損耗僅為鐵氧體鐵芯的1/4～1/5。結果使該種主變壓器的體積和重量大減小，同時效率提高。
(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條件下退火，使得成品鐵芯具有相當低的剩磁Br和損耗，同時導磁率相當高。結果保證了變壓器體積和重量的減小和效率的提高。
(3)由于本發明將卷鐵芯裝入保護盒中防止繞線和安裝過程中受擠壓而使鐵芯磁性惡化，使這種材質較脆和應力很敏感的材料制得的鐵芯得以工業應用，并且綜合性能大大優于現有的鐵芯。
權利要求
1.一種用于高頻大功率逆變直流弧焊機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形卷鐵芯，接著將卷鐵芯進行退火處理，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間，對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施加橫向磁場，最后將退火后的鐵芯裝入無磁材料制成的保護盒中。
2.根據權利要求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.根據權利要求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的保溫溫度為460～580℃，鐵基非晶合金帶卷繞的鐵芯退火時的保溫溫度為350～450℃。
4.根據權利要求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在保溫階段和爐冷階段施加300～600奧斯特的橫向磁場，而雙極性脈沖主變壓器鐵芯退火時不加磁場。
5.根據權利要求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形鐵芯的最佳退火溫度為400℃。
全文摘要
本發明提供一種用于高頻大功率逆變直流弧焊機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形鐵芯，然后根據所選帶材的化學成分采用相應的退火溫度，用于單極性脈沖變壓器的鐵芯退火時加橫向磁場，用于雙極性脈沖變壓器的鐵芯子加磁場，退火后再裝入保護盒中，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H01F41/02GK1092201SQ9410092
公開日1994年9月14日 申請日期1994年1月29日 優先權日1994年1月29日
發明者李玉國, 全白云, 陳新華, 馮淑琴 申請人:冶金工業部鋼鐵研究總院