[发明专利]铁磁非晶合金带材及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及在变压器铁芯、旋转机械装置、电扼流圈(electrical choke)、磁传感器和脉冲电源设备中使用的铁磁非晶合金带材，还涉及该带材的制造方法。

背景技术

基于铁的非晶合金带材表现出优良的软磁特性，优良的软磁特性包括：在AC激励下的磁损耗低；能够应用于诸如变压器、电动机、发电机、能量管理设备(其包括脉冲电源发生器和磁传感器)等能效磁设备(energy efficient magnetic device)中。在这些设备中，具有高的饱和感应强度和高的热稳定性的铁磁材料是优选的。而且，在大规模工业应用中，材料易于制造以及它们的原材料成本都是重要的因素。基于非晶Fe-B-Si的合金满足上述这些要求。然而，这些非晶合金的饱和感应强度低于在诸如变压器等设备中传统地使用的晶体硅钢(crystalline silicon steel)的饱和感应强度，这在某种程度上导致了基于非晶合金的设备具有更大的尺寸。因而，为开发出具有更高的饱和感应强度的非晶铁磁合金而付出了各种努力。一种途径就是增加基于Fe的非晶合金中的铁含量。然而，这并不是简单易行的，因为这类合金的热稳定性随着Fe含量的增加而降低。为了缓解这个问题，曾经添加了诸如Sn、S、C和P等元素。例如，美国专利No.5,456,770(称为′770专利)披露了非晶Fe-Si-B-C-Sn合金，在该类合金中，Sn的添加增加了这类合金的可成形性和它们的饱和感应强度。在美国专利No.6,416,879(称为′879专利)中披露了在非晶Fe-Si-B-C-P体系中添加P，且以增加的Fe含量来增大饱和感应强度。然而，在基于Fe-Si-B的非晶合金中诸如Sn、S和C等元素的添加降低了经铸造而成的带材的延展性(ductility)，这导致难以制造出宽的带材。此外，如同′879专利中披露的那样如果在基于Fe-Si-B-C的合金中添加P，则会导致长期热稳定性的丧失，这继而会导致磁芯损耗在数年内增大几十个百分比。因此，′770专利和′879专利中所披露的非晶合金实际上尚未通过从它们的熔融状态进行铸造而制造出来。

除了在诸如变压器、感应器之类的磁设备中所需的高的饱和感应强度之外，高的B-H方形比(B-H squareness ratio)和低的矫顽力H_c也是所期望的，其中B和H分别是磁感应强度和激励磁场。其原因在于：这类磁性材料具有高的磁性软度，即意味着易于磁化。因此，这导致了在使用这些材料的磁设备中具有低的磁损耗。在意识到这些因素的情况下，本申请的发明人发现：通过在如美国专利No.7,425,239中描述的非晶Fe-Si-B-C体系中按照一定的水平对Si∶C的比率进行选择，来将带材表面上的C沉淀层保持为一定厚度，由此实现这些所期望的除了高的带材延展性之外的磁特性。而且，在日本专利公开No.2009052064中提出了高饱和感应强度的非晶合金带材，该带材通过在合金体系中添加Cr和Mn来控制C沉淀层的高度，由此该带材表现出改善的热稳定性，即在设备以150℃运行的情况下多达150年的热稳定性。然而，所制造出来的带材显示出很多表面缺陷：例如沿带材的长度方向形成的以及在面对铸造氛围侧(该侧跟与铸造用冷却体(casting chill body)表面相接触的带材表面相反)的带材表面上形成的诸如刮痕、面线(face line)和开裂线(split line)等。图1示出了开裂线和面线的实例。美国专利No.4,142,571中图示了铸造用喷口、冷却体表面在旋转轮上的基本布置和最终得到的经铸造而成的带材。

因而，需要的是如下的铁磁非晶合金带材：其表现出高的饱和感应强度、低的磁芯损耗、高的B-H方形比、高的机械延展性、高的长期热稳定性、以及在高水平的带材可制造性情形下减少了的带材表面缺陷。这是本发明的主要方面。更具体地，通过在铸造期间对铸造出来的带材的表面品质的全面研究，得到了如下发现：表面缺陷开始于铸造的早期，且当沿带材的长度方向的缺陷长度超过大约200mm或缺陷深度超过带材厚度的大约40％时，带材会在缺陷位置处断裂，这导致铸造的突然终止。由于这样的带材断裂，在铸造启动之后的30分钟内铸造终止的比率共计为大约20％。另一方面，对于具有小于1.6T的饱和感应强度的带材，在30分钟内铸造终止的比率为大约3％。另外，在这些带材上，缺陷长度小于200mm，且缺陷深度小于带材厚度的40％，沿带材的长度方向的每1.5m长度内的缺陷发生率为1或2。因而，显然需要减少在具有超过1.6T的饱和感应强度的带材中沿带材的长度方向形成的表面缺陷，以实现连续的铸造。这是本发明的另一个方面。