智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯及其制备方法
【专利摘要】本发明属于软磁合金领域，具体公开了智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯及其制备方法。磁芯的分子式为Fe100?a?b?c?d?eSiaBbMcCudNbeM’f，a、b、c、d、e、f为原子百分比，取值范围分别为：8≤a≤14，2≤b≤10，0.8≤c≤3，1≤d≤4，0.5≤e≤2，0.02≤f≤0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M为Al或Zn，M’选自Y、Gd、V、Mo、Mn、Ge、Er、Ga、Sn中的一种或几种。本发明还提供了采用复合磁场退火处理的方法制备得到软磁性能优异的磁芯，满足智能电表用低角差互感器高精度测量的要求。
【专利说明】
智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁巧及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于软磁合金领域，具体设及智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁忍及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 对于家用电能计量，从前一直采用转盘感应式电表，而近年来随着电能计量智能 化尤其是远程抄表和分段计费系统的实施，已经开始普及智能电表。对智能电表来说电流 互感器必不可少，而磁忍是电流互感器的核屯、部件，目前广泛使用非晶纳米晶软磁合金带 材做互感器磁忍。电流互感器的精确度决定了智能电表的测量精确度，互感器磁忍的综合 磁性能是影响互感器精度的主要因素之一。互感器在测量电流时的误差有比差和角差两 种，为了达到较高的精度，要求互感器铁忍材料具有高饱和磁感应强度W保证仪表正常工 作，高且线性度好的磁导率，W减小漏磁通和保证在不同电流负荷下比差一致，，低损耗W 保证互感器具有较低的角差。
[0003] CN1688003A公布了 一种抗直流分量电流互感器磁忍，该互感器磁忍采用高导磁磁 忍A和抗饱和磁忍B复合而成，综合了高导磁和抗饱和的特点，同时达到高饱和磁感应强度 及高磁导率、低铁损。但是大多数复合磁忍结构为了避免由于设置气隙而导致绕组损耗增 大，取消了气隙的设置，可是，其虽然减小了绕组损耗，但会导致磁忍损耗的增加，从而磁性 元件的总损耗增加，且应用频率较低。
[0004] 美国专利申请US20030151483公开了用铁基非晶合金制造的互感器铁忍，其饱和 磁感应强度可达到1.5TW上，但其初始磁导率低、损耗大，所制造的互感器的比差和角差不 能满足高精度的要求。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种高精度、 低角差的智能电表用纳米晶软磁合金磁忍，该磁忍具有高饱和磁感应强度、高且线性度好 的磁导率及低损耗的特性。本发明的另一目的在于提供上述纳米晶软磁合金磁忍的制备方 法。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0007] 本发明提供一种智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁忍，磁忍的分子式为 Feioo-a-b-c-d-eSiaBbMcCudNbeM' f，a、b、C、d、e、f 为原子百分比，取值范围分别为：8 < a。4，2 < b< 10,0.8<c< 3，1 <d<4,0.5<e< 2,0.02<f <0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M 为 Al或 Zn，M'选自 ￥、6(1、￥、]\1〇、]\111、66、化、6曰、511中的一种或几种。
[000引作为优选，所述磁忍中的纳米晶晶粒为IlnmW下。
[0009] 作为优选，所述磁忍由宽度为10±0.1mm、厚度为30±1皿的非晶合金薄带卷绕成 环状或矩形后晶化退火制得。
[0010] 本发明进一步提出了上述智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁忍的制备方法，包 括W下步骤：
[001 U ( 1 )原材料配比：按照所述软磁合金分子式Fei日日-a-b-c-d-eSiaBbMcCUdM' e中各元素的 原子百分比进行配料，得到母合金原料；
[0012] (2)母合金原料烙炼:将配比好的母合金原料加入中频烙炼炉内在大气环境下进 行烙炼，反复烙炼若干次，得到母合金铸锭；
[0013] (3)制备非晶薄带:将步骤(2)得到的母合金铸锭破碎进行二次烙炼，重新烙融后 将合金溶液喷敷在快速旋转的铜银上，WioetVs的冷却速率快速冷却甩带制得非晶合金 薄带；
[0014] (4)制备非晶磁忍:将步骤(3)得到的非晶合金薄带卷绕成外径21.4±0.1mm，内径 13.2 ±0.1 mm的非晶磁忍；
[0015] (5)去应力热处理:将步骤(4)得到的非晶磁忍在真空、惰性气氛或还原气氛中W IOtVmin的升溫速率升至500-550°C进行去应力热处理2-化，然后W20-50°C/min的速率冷 却至200°C取出空冷至室溫；
[0016] (6)复合磁场退火:将步骤巧)去应力后的非晶磁忍放入磁场热处理管式炉中施加 横向磁场和纵向磁场进行复合磁场退火处理，冷却至室溫后既得产品。
[0017] 作为优选，步骤(2)和步骤（3)所述烙炼的过程中均采用炼钢造渣剂覆盖进行保 护。在烙炼过程中，有些元素容易被氧化，因此很多非晶合金的烙炼都是在真空环境中进 行，增加了工艺难度。本发明采用炼钢造渣剂覆盖在烙融的母合金溶液上，在大气环境中即 可实现防止氧化的目的，将炼钢造渣剂覆盖5-lOmin后即可拱渣。
[0018] 作为优选，步骤(2)所述的反复烙炼的次数为3-5次，每次烙炼的时间为45-60min， 其中优选烙炼4次，W确保在烙炼过程中母合金中各成分的均匀性。
[0019] 作为优选，步骤(6)所述的磁场热处理管式炉的炉体用环形螺旋管线圈包覆，内部 通冷却水降溫、通入惰性气体或还原性气体防止氧化，所述去应力后的非晶磁忍内部穿过 铜棒。环形螺旋管线圈通入直流电后即产生一个与磁忍断面垂直的横向磁场，铜棒通入直 流电后将产生一个与磁忍绕制方向平行的纵向磁场，所述惰性气体为化、Ar或化，所述还原 性气体为出或惰性气体与氨气的混合气，在通入气体前，退火炉内真空度先抽至IX ICT3Pa, 再通入惰性气体或还原性气体，气体压力为0.02-0.05MPa。
[0020] 作为优选，步骤(6)所述的横向磁场的强度为lOmT，纵向磁场的强度为2mT。
[0021 ] 作为优选，步骤(6)所述的退火溫度为550-600°C，时间为0.5-化。
[0022] 有益效果:与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0023] (1)通过合理的元素成分设计，在本发明的纳米晶软磁合金磁忍中添加 Sn、Ga、Al 元素后，可W提高合金溶液的热稳定性，同时改善钢液的流动性，降低生产工艺难度，减小 非晶合金薄带的厚度，初性增加;Al或化与化协同作用为纳米晶核提供位置，提高了非晶形 成能力，M'中的元素与Nb进一步提高了非晶形成能力，在纳米晶形成过程中抑制晶粒长大， 细化晶粒，提升了磁忍的软磁性能；
[0024] (2)单一的横磁处理导致剩磁化和磁导率降低，单一的纵磁处理导致剩磁的急剧 上升造成的铁损增加，本发明采用复合磁场退火处理提升磁忍的综合软磁性能一一矫顽力 低、磁导率高且线性度好、Bs高，本发明制备方法得到的磁忍可满足智能电表用低角差互感 器的使用要求，提高其测量精度。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合实施例对本发明进一步解释说明。
[0026] 本发明的具有高Bs、低矫顽力、高磁导率的用于智能电表的磁忍由纳米晶软磁合 金制成，具有线性的B-H回线；其中该纳米晶软磁合金的化学通式为磁忍的分子式为 Feioo-a-b-c-d-eSiaBbMcCudNbeM' f，a、b、C、d、e、f 为原子百分比，取值范围分别为：8 < a。4，2 < b< 10,0.8<c< 3，1 <d<4,0.5<e< 2,0.02<f <0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中M 为Al或ai，M'选自￥、6(1、￥、1〇、111、66、化、6曰、511中的一种或几种。本发明的具有高63、低矫顽 力、高磁导率的用于智能电表的磁忍由纳米晶软磁合金制成，具有线性的B-H回线。
[0027] 实施例1
[002引本实施例中的纳米晶软磁合金的化学通式为化82Si10B2.5Ah.2Cu2.3Nb2Y0.02V0.02。
[0029] 制备方法如下：首先按照上述软磁合金的化学式中的原子百分比配比工业原料， 得到母合金原料。将上述配比好的母合金原料加入至在中频烙炼炉中，中频烙炼炉的起始 烙炼功率为35KW，W〇.5-2KW/min的速率升至130-140KW，至母合金原料完全烙化，停止加 热，将炼钢造渣剂覆盖在烙融的合金溶液上，5-lOmin后拱渣，然后将中频烙炼炉翻转重复 烙炼3-5次，随后中频烙炼炉的功率迅速降至起始烙炼功率，合金溶液凝固后得到成分均匀 一致的母合金铸锭。
[0030] 将母合金铸锭破碎后，加入制带机的中频感应加热烙炼炉内重烙，重烙过程中采 用炼钢造渣剂覆盖在烙融的合金溶液上防止氧化，拱渣，然后将合金溶液喷敷在快速旋转 的铜银上，WioetVs的冷却速率快速冷却甩带制得非晶合金薄带。带材宽度为10±0.1mm、 厚度为30±Uim，可紧贴直径4mm的抛光钢棒回折180°通过，初性良好，带材平整光滑边缘无 裂口和毛刺。表面无呈周期性的波浪形缺陷和少量權皱。将得到的非晶合金薄带卷绕成外 径21.4±0.1 mm，内径13.2 ±0.1 mm的非晶磁忍，磁忍整体完好，叠片致密。
[0031] 将卷绕好的非晶磁忍在化中W IOtVmin的升溫速率升至500-550°C进行去应力热 处理2-化，然后W20-50°C/min的速率冷却至200°C取出空冷至室溫;再放入磁场热处理管 式炉中，磁场热处理管式炉的炉体用环形螺旋管线圈包覆，内部通冷却水降溫、铜棒穿过非 晶磁忍，炉内真空度先抽至1 X IO-3Pa，再通入0.02-0.05M化化防止磁忍氧化。环形螺旋管 线圈通入直流电后即产生一个与磁忍断面垂直的IOmT横向磁场，铜棒通入直流电后将产生 一个与磁忍绕制方向平行的2mT纵向磁场，在550-600 °C下施加横向磁场和纵向磁场进行复 合磁场退火处理0.5-化，冷却至室溫后既得产品。
[0032] 实施例2
[0033] 本实施例中磁忍的制备方法与实施例1基本相同，所不同之处在于磁忍的化学式 为!^ssSigBsZmCus. 3饥)1.日 Yo. 〇2Vo.〇2Sn〇. 2。
[0034] 实施例3
[0035] 本实施例中磁忍的制备方法与实施例1基本相同，所不同之处在于磁忍的化学式 为化82Si泌sZmCwNbo. sMoo. iVo. 1，所使用的气体为出。
[0036] 磁忍的饱和磁感应强度Bs采用振动样品磁强仪（VSM)进行测定，损耗测量采用 MATS-2010SA测量装置在0.88T，50化时检测Po.87/50 ,初始磁导率y〇化=0.08A/m时)采用伏安 法测量并计算。实施例1-3所制备的产品的性能测试结果如表1所示。本发明制备出的产品 Bs在1.5-1.68T之间，铁损Po. 88/50小于O . 04W/Kg，初始磁导率大于14万Gs/Oe，矫顽力低于 1.3A/m，优异的软磁性能可W降低磁滞损耗和满流损耗，满足智能电表用互感器高精度测 量的要求。
[0037]表1实施例1-3所制备的产品的性能测试结果 「nnoQl
~W上描述是用于实施本发明的一些最佳模式和其他实施方式，只是对本发明的技 术构思起到说明示例作用，并不能W此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离 本发明技术方案的精神和范围内，进行修改、等同替换或组合，均应落在本发明的保护范围 之内。
【主权项】
1. 智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，其特征在于：所述磁芯的分子式为 Fe·-a-b-c-d-eSiaBbM cCudNbeM' f，a、b、c、d、e、f 为原子百分比，取值范围分别为:8 < a < 14，2 < 10,0.8<c<3，l <(1<4,0.5<6<2,0.02<€<0.5余量为铁和不可避免的杂质，其中]\1 为A1或Zn，M'选自丫、6(1、￥、]\1〇、]\111、66』广6&、311中的一种或几种。2. 根据权利要求1所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，其特征在于:所述磁 芯中的纳米晶晶粒为llnm以下。3. 根据权利要求1所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯，其特征在于:所述磁 芯由宽度为10 ±〇. 1mm、厚度为30± Ιμπι的非晶磁合金薄带卷绕成环状或矩形后晶化退火制 得。4. 一种如权利要求1所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特 征在于:所述制备方法包括以下步骤： (1) 原材料配比：按照所述软磁合金分子式?6100-3-1)-。-(^3；[31^。(：11(^' (3中各元素的原子 百分比进行配料，得到母合金原料； (2) 母合金原料熔炼:将配比好的母合金原料加入中频熔炼炉内在大气环境下进行熔 炼，反复熔炼若干次，得到母合金铸锭； (3) 制备非晶薄带:将步骤(2)得到的母合金铸锭破碎进行二次熔炼，重新熔融后将合 金溶液喷敷在快速旋转的铜锟上，以l〇6°C/s的冷却速率快速冷却甩带制得非晶合金薄带； (4) 制备非晶磁芯:将步骤⑶得到的非晶合金薄带卷绕成外径21.4±0.1mm，内径13.2 ±0.1mm的非晶磁芯； (5) 去应力热处理:将步骤(4)得到的非晶磁芯在真空、惰性气氛或还原气氛中以10°C/ min的升温速率升至500-550°C进行去应力热处理2-5h，然后以20-50°C/min的速率冷却至 200 °C取出空冷至室温； (6) 复合磁场退火:将步骤(5)去应力后的非晶磁芯放入磁场热处理管式炉中施加横向 磁场和纵向磁场进行复合磁场退火处理，冷却至室温后既得产品。5. 根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征 在于:步骤(2)和步骤(3)所述熔炼的过程中均采用炼钢造渣剂覆盖进行保护。6. 根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征 在于:步骤(2)所述的反复熔炼的次数为3-5次。7. 根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征 在于:步骤(6)所述的磁场热处理管式炉的炉体用螺旋管线圈包覆，内部通冷却水降温、通 入惰性气体或还原性气体防止氧化，所述去应力后的非晶磁芯内部穿过铜棒。8. 根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征 在于:步骤(6)所述的横向磁场的强度为10m T，纵向磁场的强度为2m T。9. 根据权利要求4所述的智能电表用低角差纳米晶软磁合金磁芯的制备方法，其特征 在于:步骤(6)所述的退火温度为550-600 °C，时间为0.5-2h。
【文档编号】H01F1/147GK105861959SQ201610356590
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】陈雨峰, 朱昭峰
【申请人】江苏奥玛德新材料科技有限公司