专利名称：制造由纳米晶软磁材料制的磁心的方法
技术领域：
本发明涉及纳米晶磁性材料，特别是供制造电器件磁路的纳米晶磁性材料。
纳米晶磁性材料是熟知的，特别是已被述于欧洲专利申请EP0271657和EP0299498中。它们是铁基合金，含有大于60at％(原子％)的Fe、Cu、Si、B和任选至少一种选自Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo的元素，它们被铸成非晶带材的形式，然后进行使其产生非常细小晶体的热处理(该晶体直径小于100纳米)。这些材料具有磁性，这种性能特别适于制造电气工程器件，如剩余电流电路断电器用的软磁心。特别是，它们具有极好的磁导率和或者有宽磁滞回路(Br/Bm≤0.5)或者有窄磁滞回路(Br/Bm≤0.3)，Br/Bm是剩磁感与最大磁感之比。当热处理由在约500℃温度下单一退火操作组成时，获得宽磁滞回路。当热处理包括至少一个磁场下的退火操作时，获得窄磁滞回路，该退火操作可能是旨在产生纳米晶的退火。
那些磁滞回路宽的材料可具有很高的磁导率，其导磁率甚至大于一般的坡莫型合金。这种很高的磁导率使它们理所当然地特别适于制造AC-级剩余电流电路断电器用的磁心，即那些对交变故障电流敏感的断电器用的磁心。但是，对于这类可能的用途而言，该磁心在大量制造时，其重现性不足。
要大量制造AC-级剩余电流电路断电器的磁心，可使用能获得纳米晶组织的非晶磁性合金带材。通过在轴周围绕一定长度的带材并通过点焊来制造一系列大致为矩形横截面的铁心，然后使这样获得的铁心经受一次退火操作，以使之形成纳米晶，结果给予它们合乎要求的磁性能。选择在500℃区域的退火温度，从而使合金具有最大的磁导率。这样获得的磁心旨在装线圈用，该线圈产生使铁心磁性能下降的机械应力。为限制绕制线圈应力的影响，将铁心楔入保护罩内部，例如通过泡沫材料衬垫楔入。但是，将该铁心嵌入其罩本身产生小的应力，它不利于铁心上产生极好磁性能。使用保护罩，虽然有效，不总是足够的，绕制线圈后，通过工艺方法制造而获得的器件的性能下降，并且太分散，以致仍不能适用于预想的用途。
本发明的目的是通过推荐的一种大量制造纳米晶材料磁心的方法来克服这些缺点，用该纳米晶材料制成的磁心具有大于400000的磁导率(50Hz最大阻抗的相对磁导率)和宽磁滞回路，以上述方法所得的磁性能的分散的磁心适用于大量制造AC级剩余电流电路断电器。
所以，本发明的主题是一种制造至少一种磁心的方法，该磁心是由具有纳米晶组织的铁基软磁合金制成的，其中—由该合金制造非晶带材；—确定在该带材的情况下导致最大磁导率的退火温度Tm；—由该带材制造至少一种磁心坯料；和—使至少一种磁心坯料经受至少一种在Tm+10℃和Tm+50℃之间，更好是在Tm+20℃和Tm+40℃之间的温度T下进行的退火操作，温度持续时间在0.1和10小时之间，更好在0.5和5小时之间，以使纳米晶产生。至少一种退火操作可以在磁场下进行。
该方法适用于能产生纳米晶组织的所有铁基软磁合金，特别适用于那些其化学成分包含(原子％)Fe≥60％0.5％≤Cu≤1.5％5％≤B≤14％5％≤Si+B≤30％2≤Nb≤4％的合金。
现在，以非限制性的方式并将通过实施例更详细地叙述本发明。
要大量制造Ac—级剩余电流电路断电器(对交变故障电流敏感的)用的磁心，使用由具有非晶组织的软磁合金制的带材，这种合金可产生纳米晶组织，它主要含量大于60％(原子)的铁，且进一步含有
—0.1-3％(原子)，更好0.5-1.5％(原子)的铜；—0.1-30％(原子)，更好2-5％(原子)的至少一种选自铌、钨、钽、锆、铪、钛和钼的元素；更好是铌含量在2-4％(原子)之间；—硅和硼，这些元素含量之和在5-30％(原子)之间，更好在15-25％(原子)之间，硼含量可能高达25％(原子)，更好是在5-14％(原子)之间，而硅含量可能达到30％(原子)，更好是在12-17％(原子)之间。
该合金的化学组成还包含少量由原料带来或由冶炼产生的杂质。
以本身已知的方式通过将液体合金快速凝固获得此非晶带材。也以本身已知的方式，通过在轴周围绕该带材，将其割断并用点焊固定其端头，从而获得矩形横截面的小的铁心来制造磁心坯料。为了在非晶基体上析出尺寸小于100纳米的纳米晶，则必须将此坯料经退火处理。这种很细小的晶体使其可能获得合乎要求的磁性能，从而能将磁心坯料作成磁心。
发明人意外地发现，退火条件对磁心的磁性的影响不仅取决于该合金的化学成分，而且还取决于稍难控制的制造各带材单独采用的特定的制造条件，所以对于给定了持续时间的退火操作而言，使由该带材制造的铁心上获得可能的最大磁导率的温度Tm在进行此退火操作前确定。该温度Tm对于各带材是特定的，所以通过本技术领域中的普通技术人员已知如何进行的试验来确定每个带材的Tm。
温度Tm确定后，在Tm+10℃和Tm+50℃之间，更好是在Tm+20℃和Tm+40℃之间的温度T下进行退火，退火时间为0.1和10小时之间，更好在0.5和5小时之间。
对于调节退火而言，温度和时间是两个部分等效的参数。但是，退火温度的变化具有比退火时间的变化更显著的作用，这在允许的退火温度范围的端值处尤为如此。所以，温度是调节处理条件的相对粗的参数，时间是细调节参数。
根据磁心的预定用途确定该处理的具体条件。
热处理后，将每个磁心置于保护罩中，该心比如是用泡沫材料嵌入的。对于某些用途而言，每个磁心可密封在树脂中。
由于退火温度不等于Tm，所以磁心的磁导率不是最大值。但是，本发明人发现通过以这种方法处理可能足够可靠地获得，大于400000的磁导率。他们还发现，所获得的磁心很适合大量制造剩余电流电路断电器，特别是，它们对线圈应力的影响不敏感。
以一方面举实施例和另一方面举比较例的方式，制造A、B和C三批200个几何形状相同的环形磁心(I.D.＝11mm，O.D＝15mm，高＝10mm)。该三批磁心由合金Fe73Cu1Nb3Si15B8(原子％)制造，铸成厚度22μm的非晶带材形式。制造磁心坯料后，确定温度Tm，它是500℃，1小时。按照现有技术将A批磁心在505℃(Tm+5℃)退火1小时，按照本发明，将B在530℃(Tm+30℃)退火3小时；按照比较方法，将C在555℃(Tm+55℃)退火3小时。对于每批磁心而言，一方面是对裸磁心，而另一方面是对封装磁心(即由于将铁心嵌于其罩中而稍微承受应力的那些磁心)确定磁导率的平均值和标准偏差。所有的测量结果如下(在三种情况下，Br/Bm比约为0.5
这些结果表明，与在批样A中所观察到的相反，批样B的磁心磁导率平均值几乎不受将磁心用衬垫放入罩中和这样产生的应力的影响。对于批样C同样是正确的。另一方面，虽然封装的磁心批样A和B的磁导率平均值是相似的，而封装的磁心批样C的磁导率平均值显著地降低。
还可以看出的是批样B和C的封装或不封装的磁心的磁导率标准偏差值小于批样A的封装或不封装的磁心的磁导率标准偏差值。批样A和B之间的差别的原因在于批样B的磁心比批样A的磁心对机械应力的敏感小。可推测的是，批样C的磁心比批样B的磁心对机械应力的敏感小，但是，它们都呈现与用途不相容的导磁性。
一方面由于平均值间的偏差而另一方面由于标准偏差之间差别，批样A中约23％的磁心及批样C中80％的磁心的磁导率小于400000，而批样B中仅有13％的磁心的磁导率小于400000。
此外，因为批样B中的磁心的磁性能比批样A磁心的磁性能的分散小，又因为批样B比批样A这些性能对机械应力的敏感性小，所以卷绕后，批样B的磁心很适合用于AC-级剩余电流电路断电器，而这样使用批样A的磁心是不可靠的。虽然在理论上说批样C中的磁心比批样B中的磁心对机械应力敏感小，但它不适合用于剩余电流电路断电器，这特别是因为它们不具有足够高的磁导率。
对于某些用途(例如，A-级剩余电流电路断电器)而言，需要使用具有窄磁滞回路的磁心。这种磁心可通过在磁场下进行至少一次退火操作来制造。在磁场下的退火既可以是刚叙述的，使纳米晶析出的退火，也可是在350-550℃之间进行的另一种退火操作。这样获得的磁心，以相同的的方式，对机械应力的敏感性大大降低，因此，提高大量制造可靠性。
权利要求
1.制造至少一种由具有纳米晶组织的铁基软磁合金制成的磁心的方法，其特征在于—由磁性合金制造非晶带材；—确定导致该带材的最大磁导率的退火温度Tm；—由该带材制造至少一种磁心坯料；和—使至少一种磁心坯料经受至少一种退火操作，所说的退火以Tm+10℃和Tm+50℃之间的温度T进行，该温度持续时间t在0.1和10小时之间，以使纳米晶产生。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于该温度持续时间在0.5和5小时之间。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于该退火温度T在Tm+20℃和Tm+40℃之间。
4.按照权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于该铁基软磁合金的化学成分包含(原子％)Fe≥60％0.1％≤Cu≤3％0％≤B≤25％0％≤Si≤30％—至少一种含量在0.1％和30％之间的，选自Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo的元素，余量为冶炼产生的杂质，该成分还满足关系5％≤Si+B≤30％。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于使得该铁基软磁合金的化学成分满足15％≤Si+B≤25％。
6.按照权利要求4的方法，其特征在于该铁基软磁合金的化学成分满足0.5％≤Cu≤1.5％。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于使该铁基软磁合金的化学成分含有至少一种含量在2％和5％之间的，选自Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo的元素。
8.按照权利要求4的方法，其特征在于使该铁基软磁合金的化学成分满足12％≤Si≤17％。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于使该铁基软磁合金的化学成分满足0.5％≤Cu≤1.5％5％≤B≤14％15％≤Si+B≤25％和选自Nb、W、Ta、Zr、Hf、Ti和Mo的至少一种，含量在2％和4％之间的元素。
10.按照权利要求1的方法，其特征在于至少一种退火操作在磁场下进行。
全文摘要
制造至少一种由具有纳米晶组织的铁基软磁合金制成的磁心的方法,其特征在于由该磁合金制造非晶带材,在该带材情况下确定导致最大磁导率的退火温度Tm,由该带材制造至少一种磁心坯料,并使至少一种磁心坯料经受至少一种退火操作,所说退火在Tm+10℃和Tm+50℃之间的温度T进行,温度持续t在0.1和10小时之间,从而产生纳米晶。
文档编号C22C38/00GK1188317SQ9712528
公开日1998年7月22日 申请日期1997年10月24日 优先权日1996年10月25日
发明者P·威伦, G·库德顺 申请人:梅加日公司