单体线性非晶合金铁芯制备方法与流程

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种单体线性非晶合金铁芯制备方法。

背景技术：

线性互感器非晶合金铁芯作为电流互感器核心器件，主要应用于仪器仪表和智能化电能测量与计量。传统的非线性电流互感器铁芯的缺点是矫顽力大，线性度差，线性区域范围窄。电流互感器的非线性特性主要由励磁特性的非线性及铁芯饱和引起，由于电流互感器铁芯励磁特性曲线的非线性，当铁芯饱和时，其励磁特性呈现非线性，导致电流互感器传变非线性，进而产生误差。而制备同时具有低剩磁br、低矫顽力hc饱和恒磁导率线性非晶合金铁芯工艺较为复杂。

目前，线性互感器非晶合金铁芯，通常采用三种制备方法。一是非晶合金部分晶化法，基于非晶合金相变的热力学原理，将非晶合金铁芯通过一定的温度、时间等退火条件下，控制合金由非晶态转为部分晶化及结晶度大小以实现线性恒导磁；二是橫向磁场法，非晶合金铁芯在在退火的同时，通过施加橫向磁场作用，扭转磁畴并趋向一致以实现线性恒导磁；三是双体复合法，通常采用非晶合金与纳米晶合金等不同功能材料复合方式，也称双体铁芯，即利用非晶合金铁芯的线性度性能和纳米晶合金铁芯的磁导率性能复合而实现线性恒导磁。

上述现有线性恒导磁非晶合金铁芯所采用的三种制备方法均存在着不同程度的缺点，具体如下：

非晶合金部分晶化法：此法只能适当延长合金铁芯的退火保温时间，通常需2小时以上，促使合金形成部分结晶，以提高铁芯的线性度，但随着退火保温时间的延长，合金晶粒将随之长大，而破坏晶粒的细化和均匀分布，致使磁导率低，损耗增大。此法工艺难操控。

横向磁场法：在合金居里温度以上，对非晶铁芯施加横向磁场，将非晶合金磁畴沿磁场作用的同一方向排列，实现铁芯线性。此法与部分晶化法相较，保温时间短，磁导率较高、损耗较低。但因横向磁处理工艺的不完善，以及横磁处理后铁芯冷却方式等缺陷，导致磁导线性度略差。另外，现有的常规非晶合金对磁场敏感性不强，直接影响横向磁场对铁芯加磁效果。

双体复合法：是基于以上两种方法的优缺点，采用具有线性特性的非晶合金与具有高磁导率的纳米晶合金等材料复合方式，也称双体线性铁芯，可提高磁导率、降低损耗，且具有较好的线性度，但双体复合法磁导线性往往存在着突变线段，在一定状态下可能影响其应用。双体线性铁芯体积较大，不利于器件的小型化趋势。

线性恒导磁非晶合金铁芯，需要线性度高(恒磁导率)，但线性度往往与铁芯损耗和磁导率大小之间存在矛盾，即线性度好，则易于导致损耗增大，磁导率降低。反之，则线性度变弱。现有的技术很难同时实现线性度、铁芯损耗和磁导率三者综合性能优良。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种单体线性非晶合金铁芯制备方法，以解决现有技术的制备方法在制备非晶合金铁芯时不能同时兼顾线性度高、铁芯损耗低和磁导率高三者的问题。本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种单体线性非晶合金铁芯制备方法，包括：

步骤1：在fe基非晶合金中添加钴元素，添加后，所述非晶合金按原子百分比计包含铁40-60at％、硅6-10at％、硼8-18at％和钴10-20at％，且铁、硅、硼和钴元素的原子百分比之和为100at％，然后进入步骤2；

步骤2：对所述非晶合金进行恒温退火，并在退火过程中对所述非晶合金施加横向磁场，然后进入步骤3；

步骤3：在对所述非晶合金退火结束时，在继续保持对所述非晶合金施加横向磁场的状态下，采用快淬急冷方式将所述非晶合金急速冷却至其居里温度以下，然后进入步骤4；

步骤4：继续保持对所述非晶合金施加横向磁场，直至所述非晶合金完全冷却。

进一步地，所述快淬急冷方式为：

向所述非晶合金灌吹冷却气体或喷洒冷却液。

进一步地，对所述非晶合金进行恒温退火是在380-500℃惰性气体环境下进行的。

进一步地，所述横向磁场的强度为800-1300高斯。

进一步地，所述非晶合金按原子百分比计包含铁55at％、硅9at％、硼17at％和钴19at％。

与现有技术相比，本发明提供的单体线性非晶合金铁芯制备方法，通过在fe基非晶合金基础上添加适量铁磁性强、磁化率高的钴元素，以增大非晶合金的磁滞各向异性，提高合金对磁场的感应度；同时，在对非晶合金恒温退火时，对其施加横向磁场，控制磁滞各向异性的方向，以调整材料的磁滞回线；退火结束后，在继续保持施加横向磁场的状态下，采用快淬急冷方式将非晶合金急速冷却至其居里温度以下，以将非晶合金磁畴中沿磁场作用的同一方向排列的原子磁矩迅速固化，避免合金原子因热运动破坏磁矩取向，以及因合金冷却过慢，导致合金按金属固有微观结构结晶及改变原子排列而影响性能。最终制得的非晶合金铁芯线性度高、铁芯损耗低、磁导率高。

附图说明

图1：本发明实施例提供的单体线性非晶合金铁芯制备方法的流程示意图；

图2：本发明实施例提供的单体线性非晶合金铁芯制备方法制备的线性非晶合金铁芯的磁化曲线和磁导率曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于更好理解本发明技术方案，将本发明涉及的各主要术语说明如下：

1、线性互感器非晶合金铁芯：磁化曲线中磁感应强度与磁场强度呈线性关系，也可体现为输入电流与输出电压之间呈线性关系的互感器非晶合金铁芯。

2、单体线性互感器非晶合金铁芯：仅用单独1只铁芯制备线性磁导非晶合金铁芯，有别于用不同材质的多只铁芯配套复合制备的线性磁导非晶合金铁芯。

3、线性度：线性度为线性关系的评定俗称。线性的理论计算值与实际值存在一定偏差，偏差值与理论值的比值就是线性误差，线性误差绝对值越小,线性度越好，反之,线性度越差。

4、横向磁场：平行于带材(铁芯)宽度方向的磁场。对于软磁材料，通常在退火的过程中施加磁场，可以简单的看作是给材料施加了一个单轴磁各向异性，通过磁场强度，控制磁滞各向异性的方向，以调整材料的磁滞回线，从而使材料满足某些特定的性能需要。

如图1所示，本发明实施例提供的单体线性非晶合金铁芯制备方法，包括如下步骤：

步骤s1：在fe基非晶合金中添加钴元素，添加后，非晶合金按原子百分比计包含铁40-60at％、硅6-10at％、硼8-18at％和钴10-20at％，且铁、硅、硼和钴元素的原子百分比之和为100at％，然后进入步骤2。在fe基非晶合金基础上添加适量的铁磁性强、磁化率高的钴元素，可增大非晶合金的磁滞各向异性，提高合金对磁场的感应度。具体地，非晶合金按原子百分比计包含铁55at％、硅9at％、硼17at％和钴19at％。

步骤s2：对非晶合金进行恒温退火，并在退火过程中对非晶合金施加横向磁场，然后进入步骤3。本实施例中，对非晶合金进行恒温退火具体是在380-500℃惰性气体环境下进行的。在退火过程中对非晶合金施加横向磁场可控制磁滞各向异性的方向，以调整材料的磁滞回线。本发明实施例中，横向磁场的强度为800-1300高斯。恒温退火的时间一般在0.5-1.5小时，相比部分晶化法缩短2/3时间，功效高，且工艺简单、易操作。

步骤s3：在对非晶合金退火结束时，在继续保持对非晶合金施加横向磁场的状态下，采用快淬急冷方式将非晶合金急速冷却至其居里温度以下，然后进入步骤4。采用快淬急冷方式将非晶合金急速冷可以将非晶合金磁畴中沿磁场作用的同一方向排列的原子磁矩迅速固化，避免合金原子因热运动破坏磁矩取向，以及因合金冷却过慢，导致合金按金属固有微观结构结晶及改变原子排列而影响性能。在本实施例中，快淬急冷方式为向非晶合金灌吹冷却气体或喷洒冷却液。

步骤s4：继续保持对非晶合金施加横向磁场，直至非晶合金完全冷却。

图2是本发明实施例提供的单体线性非晶合金铁芯制备方法制备的非晶合金铁芯的磁化曲线和磁导率曲线。从图2中的曲线可以看出，在饱和之前非晶合金铁芯的磁导率随着磁场强度的增加基本上没有衰减，呈直线关系。

下表为本发明线性非晶合金铁芯与横向磁场法常规工艺制备的线性非晶合金铁芯的性能参数对比。

从上表中可以看出，本发明方法制备的线性非晶合金铁芯相对横向磁场法常规工艺制备的线性非晶合金铁芯具有更优良的性能。

最后应说明的是：上述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换。而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。