一种纳米晶软磁合金带材预处理系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米晶合金的热处理技术，特别涉及一种纳米晶软磁合金带材预处理系统和方法。
【背景技术】
[0002]热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和物理化学性能的加工工艺。热处理可以对材料的缺陷、应力、微观结构、形貌等都产生重要影响，是材料研究、加工中最常用到的工艺。随着热处理技术的进步，热处理的定义范围扩大，热处理过程中需要控制的参量不断增加，热处理工艺过程日趋复杂，如复合调整升温速度、降温速度、保温时间等。根据热处理的工艺参数要求，设计热处理装置，对样品在不同形态下进行相应的热处理，逐步进行结构和性能的调控，实现最终性能的优化，是当前热处理工艺的最新发展，受到越来越多的关注。
[0003]非晶晶化法制备的纳米晶软磁材料具有磁感应强度高、损耗低、磁导率高、电阻率高、抗腐蚀性强等性能优势，以及喷带一次成型，工艺流程短、耗能少的生产工艺优点，被誉为21世纪生产和应用双节能的绿色材料。近几年出现的Fe(Si，B, P, C)Cu系高饱和磁感应强度具有高饱和磁感应强度(BS)、高磁导率(μ)、低损耗(P)和低磁致伸缩系数(λ)等性能优点，是变压器和电机等能源传输和转换领域应用的理想软磁材料。研究、发展、生产和应用性能优异的新型纳米晶软磁材料，对发展我国高新技术产业、提升传统产业、带动相关产业的发展具有重要的意义，其应用可促进现代电力电子产品向节能、高效、小型化和安静化方向发展。
[0004]当前高饱和磁感应强度的纳米晶软磁合金的生产和应用存在的最关键障碍是纳米晶化过程需要使用快速加热工艺。Ohta和Makino等的研究均表明，纳米晶合金的磁性能受带材中的晶核密度和加热速度的影响极大。高密度的晶核同步长大并相互竞争是Fe(Si, B, P, C)Cu系列纳米晶合金细化晶粒和获得高结晶度的本源。在带材中形成高密度的晶核是高饱和磁感应强度的Fe (Si, B, P, C) Cu系列合金降低纳米晶化热处理条件，获得优异磁性能的关键。在纳米晶化热处理过程中采用高加热速度是另一种提高Fe (Si, B, P, C)Cu系列合金晶核密度和磁性能的常用手段。但是这种方法仅适用于带材和极小尺寸的磁芯上。为了降低脆性和应力敏感性影响，带材通常都先做成磁芯然后进行热处理，稍大尺寸的磁芯就难以实现快速加热热处理，内外层不均匀的加热速度也不利于获得均匀的磁性能。
[0005]申请号为201510259827.9的中国发明专利文献公布了一种纳米晶合金的热处理方法，该方法在非晶晶化法制备纳米晶合金材料时，将热处理过程分为两步，第一步利用非晶合金带材高导热率和低热容的特点，进行快速升温和短时间保温的预热处理，激发带材中形成高密度和均匀分布的晶核，然后在第二步的常规纳米晶化热处理中，使高密度晶粒同步生长，利用晶粒间的竞争作用促进晶粒细化。与现有的热处理方法相比，该方法分开控制非晶晶化的形核和晶粒长大过程，提高了晶粒密度与结晶度、提高了晶粒尺寸与分布的均匀性，并且细化了晶粒，从而提高了合金的性能。然而，该方法的第一步需要的快速加热、快速冷却和短时间保温控制方式要求在现有热处理装置中难以满足，现有热处理装置如管式炉、箱式炉、马弗炉等装置具有加热面积大、操作简单等特点，仅适用于大批量处理常规样品。此外，这些设备的升温速度受热传导方式和样品热容负载大的限制，难以实现快速升温，升温过程和降温过程通常都需要几分钟甚至几十分钟，无法实现短时间快速热处理的精确控制要求。
[0006]目前常用的可快速升温的热处理炉的加热方式，即辐射加热源有红外光、激光、感应电流、通电焦耳热等(A.1.Taub, A new method for stress relievingamorphous-alloys to improve magnetic-properties.1EEE Trans Magn.1984 ；20:564-70.)。辐射加热源对样品的加热受样品表面光滑度影响，表面反光的样品温度误差大。红外光加热的方法可实现较快的加热速度，升温速度可达103°C /s以上，但是由于红外加热器和测温热电偶的检测和反馈时间差，红外加热炉难以实现高精度控温，通常加热速度越快，温度过冲幅度越大。另外，红外加热过冲中样品和炉体同时受热，样品在腔内难以实现快速冷却，导致热处理时间误差较大，难以实现短时间快速的热处理；激光热处理可以实现快速加热和快速冷却，也便于精确控制处理时间。但是激光热处理的区域受激光束的尺寸限制，扫描平面的方式可以实现大面积热处理，但是效率低，使用成本也高。感应电流和通电焦耳热加热(A.R.Yavari et al.Rapid annealing of Fe-S1-B amorphous tapesby joule heating-effects on magnetic and mechanical-properties.J Magn MagnMater.1987 ；69:43-52.)的方式很早已经有人研究，但是后来发现也都存在严重的温度过冲和控温精度低等问题，适用性受到限制。
[0007]对于升降温速度和温度控制精度高的热处理，上述设备已无法满足要求，非常有必要开发新的提高晶核密度的方法。申请号为201510483080.5的中国发明专利文献中公开了一直快速升温的热处理炉，通过控制驱动部件和定位件驱动部件使样品进入热源，进行直接接触加热，热源采用加热面相对布置的两块平行加热板。该装置采用两块加热板对样品进行双面同步接触加热，利用薄带样品的小热容和高热导率，通过直接接触的方式实现超高升降温速度和热处理时间的精确控制，并且可以根据需要调节降温速度，具有升降温速度快，操作方便，温度和时间控制精度高，适用于高导热率和小热容的薄带、薄膜和粉末样品热处理。然而，该方法仅适合实验室进行材料研究，不能满足大规模连续生产的要求。
[0008]授权公告号201080061863.X的专利文献公开了一种连续处理非晶态合金带的系统和方法，可在不导致带材变脆的情况下改善磁性能，同时该方法采用加热棍轮接触加热的方式，可实现大于103°C /s的升降温速度。然而，我们很容易发现，该方法中的在线退火的系统的示意图与1984年发表的文章(J Magn Magn Mater.1987 ；69:43-52.)中的系统等基本一样，都有供带轮、引导轮、收带轮、加热和冷却单元等部件。两种系统的唯一不同是申请号为201080061863.X的专利文献中改用了加热辊加热方式。由于该专利的目的是对非晶合金进行去应力退火和拉应力提高磁各向异性能，没有考虑带材带材单面贴辊的截面温度梯度对晶化形核和长大的影响。此外，该方法中为了获得磁芯加工所需的特定弯曲半径，辊轮的尺寸、配合方式以及棍速都已限定，不能加工出平直的带材。由于在非晶合金带材中晶核形成的速度和密度受温度影响极大，该装置和方法不能满足要求。
[0009]ffaeckerle等在专利号为US2008/0196795的美国专利文献中公开了一种纳米晶合金带材退火装置，退火过程中带材在纵向拉伸应力的牵引下以0.lm/s的速度通过隧道炉，实现纳米晶化并可保持带材具有较好的韧性。然而该方法依然采用辐射传热的方式，升温和降温速度都比较慢，不能达到预制晶核的要求。