专利名称：铁基无定形合金薄带及用它做的铁心的制作方法
背景技术：
1、发明所属领域本发明涉及到一种用于电源变压器、高频变压器等缠绕铁心的无定形合金薄带。
2、有关技术的说明通过迅速冷却熔化状态的合金连续生产薄金属带材和线材的方法包括离心快速冷却法，单辊法，双辊法等等。这些方法是将熔化状态的金属由小孔注入到高速旋转的金属辊(鼓)的里或外的表面上，使它被快速固化成薄金属带或线材。而且，通过严格地控制合金的成分，有可能生产出类似液态金属的无定形合金并得到有良好磁性和力学性质的材料。
由于无定形合金良好的性能，所以它作为工业材料用途很多。在无定形合金中，Fe基无定形合金薄带如Fe-Si-B无定形合金薄带由于其具有低铁损、高饱和磁通量密度、高磁导率及其它优点而用作电源变压器、高频变压器的铁心。
尽管Fe-Si-B无定形合金薄带和硅钢片相比具有较低的铁损，但它的饱和磁通量密度Bs还是较差的。这是因为，为提高饱和磁通量密度，增加Fe的含量，使得形成无定形状态的能力降低，而且使得无定形合金薄带的稳定生产变得困难。如果有可能在增加饱和磁通量密度的同时仍保持着形成无定形状态的能力，它将使缩减铁心尺寸变的可行，且在设计用于变压器铁心中的自由度提高，这样会带来很大的好外。针对上述的需要，下面的技术已被提出。
例如，日本未经审查的专利申请说明书，公开号为No.平5-140703，披露了一种由式(FeaSibBcCd)100-xSnx表示的无定形合金薄带的组成，其原子百分数为a＝0.80-0.86，b＝0.01-0.12，c＝0.06-0.16，d＝0.001-0.04，a+b+c+d＝1，x＝0.05-1.0。这种技术通过加入Sn，在Fe的加入量大时也能改善形成无定形状态的能力，但是实际上获得的合金饱和磁通量密度至多为1.73T。
日本未经审查的专利申请说明书，公开号为No.平6-220592，披露了一种由式FeaCobSicBdMx表示的无定形合金薄带的组成。其原子百分量为60≤a≤83，3≤b≤20，80≤a+b≤86，1≤c≤10，11≤d≤16，当M是Sn时，0.1≤x≤1.0，当M是Cu时，0.1≤x≤2.0当M是S时0.01≤x≤0.07，a+b+c+d+x＝100。这种技术中由于加入了Co使合金具有大的饱和磁通量密度。然而Co是非常贵的元素，虽然含Co的铁基无定形合金薄带可用在一些要求质量较高的场合，但成本高仍是这项技术的不足之处。
除了这些之外，日本未经审查的专利申请说明书，公开号为No.平6-264197披露了一种由式FexBySizMna表示的无定形合金薄带的组成。其原子百分数为80＜x≤83，y＝6-11，z＝8-13，a＝0.5-3。在这项技术中，由于加入Mn，使得材料绝缘膜处理性能有了提高，但合金的磁通量密度没有达到1.7T。
因此，采用传统技术不能够生产出实际可用的、成本低且具有高饱和磁通量密度的铁基无定形合金薄带。
如上所述，在铸造状态或退火条件下，稳定地获得无定形合金薄带是困难的，因为当为提高合金的饱和磁通量密度，而增加铁基无定形合金薄带中Fe的含量时，形成无定形状态合金的能力就会降低而且还会在局部生成结晶。
在用无定形合金薄带装配缠绕铁心变压器或层压铁心变压器时，通常的方法是用许多的薄带相互叠成在一起，形成磁芯，并在它的磁路方向上通入直流电磁场，使铁心退火。退火的目的是降低薄带的应变和形成在所加磁场方向上产生的磁各向异性，但是，当退火的温度太低时，会使降低应变和产生磁各向异性变得困难。
相反，当退火温度过高时，薄带会形成结晶而且作为无定形材料的良好的软磁性质会消失。根据这个理由铁心退火是有一个最佳的温度。
对于越重和越大体积的铁心，将它装入热处理炉中后，加热期间在它的不同部位的温度分布就越不均匀。当对它进行足够长的时间加热或冷却后，不同部位的温度不均才会减到最小程度，但这样会使生产率降低。
已提出了不同的改进退火工艺的方法。如一种将绝热材料附着在铁心的内外表面，在退火期间将铁心各部分上的温差减小到最小的方法(日本未经审查专利申请说明书，公开号No.昭63-45318)；一种将铁心浸入到保持在退火温度下的装有超耐热绝缘油槽中的退火方法。(日本未经审查专利申请说明书，公开号为No.昭60-255934)；一种将铁心浸入到保持在适当的但不超过玻璃转化温度的熔融锡槽中，然后在液体冷却槽中冷却的退火方法(日本未经审查专利申请说明书，公开号为No.昭62-294154)；等等。
以上这些方法改进了退火工艺。但是，这些方法并没有改善合金薄带的质量，不仅在磁性上没有提高，甚至铁心的不同部分之间仍然存在着温度不均匀性。
另一方面，作为改善薄带性能的一项技术，日本未经审查专利申请说明书，公开号为NO.S57-185957提出了一种用原子百分数为1-10％的P替代无定形合金薄带中价格高的B的方法。在原配方中B的原子百分数为1-5％，Si的原子百分数为4-14％。在这个专利公开中P的作用是一种提高形成无定形状态能力的元素，就象B.Si和C那样。
再者，日本未经审查专利申请说明书，公开号为平8-193252披露出一种减少组成中价格高的B的用量的配方。在该配方中，以原子百分数计，B为6-10％，Si为10-17％，P为0.02-5％，其余为Fe。在这个专利公开的组成中，P的作用是改善薄带表面的粗糙度。
日本未经审查专利申请说明书，公开号为No.平9-202951中披露出另一个合金组成，其组成是按原子百分数含量计Fe为76-80％，B为6-10％，Si为8-17％，P为0.02-2，％，Mn为0.2-1.0％，目的在于在高Si含量及B原子百分数含量为10％或低于10％条件下提高磁性和可加工性能。在这个专利公开中的合金组成中，P的作用局限在改善形成无定形状态的能力，加入Mn是抑制由于多元素组合物所导致的结晶化所必不可缺少的。
日本未经审查专利申请说明书，公开号为No.平9-268354披露出一种合金组成，目的在于即使在B含量低于原子百分数10％的情况下，通过适当地控制薄带表面粗糙度来提高合金的磁性，其组成为(原子百分数)B为6-10％，Si为10-17％作为优选范围，C为0.1-2％，Mn为0.2-1.0％，P为0.02-2％。在这个专利公开中的合金组成中P的作用局限在改善形成无定形状态的能力和表面的粗糙度。
另一个例子是日本未经审查的专利申请说明书，公开号为平11-293427披露了一个合金的组成。其原子百分含量为Fe75.0-77.0％，C2.5-3.5％，B0.5-6.5％，P是B含量的0-12.0％，其余的为Si。目的是在低B含量情况下有效地扼制软磁性能的下降。在这种合金组成中P的作用局限在改善形成无定形状态的能力如上所描述的按照上面的任何一项专利中请说明书公开中的技术，通过加入P都可以改善薄带形成无定形状态的能力和(或)表面的粗糙度。
但是，对于由Fe基无定形合金薄带被缠绕形成的绕制铁心或由层压合金薄带形成的层压铁心，在退火期间如何将由铁心的不同部位由于加热过程产生的温度不均匀性所造成的铁心性能下降问题减至最小，上述公开文献中没有一个方法提到。
然而，日本未经审查的专利申请说明书，公开号为No.昭62-93339披露了一项技术能改善材料的脆性，同时也能保持铁损在一个低的水平上。在这个专利公开中披露了一种以FexBySi(100-x-y)式表达的组成。式中，原子百分含量为76≤x≤81，97≤2x-5y≤112。合金的成分被限定在靠近Fe-Si-B三元系统的共晶线附近。因为用这种配方制成的合金薄带，按规定的温度曲线退火时，脆性产生之前就已经完成退火过程，所以上述专利公开中的合金薄带能够保持低铁损和不脆裂的特征。
但是，日本未经审查的专利说明书，公开号为No.昭62-93339没有提到任何关于合金薄带脆性的定量评价。关于磁通量密度，该专利公开说明书中有过描述，在实施例中即使在退火不充分的情况下加到Fe-Si-B无定形薄带上的磁场为1000A/m时，得到的磁通量密度值B10接近饱和的磁通量密度。但是，退火不充分磁滞回线升高变小，B80(在磁场为80A/m下的磁通量密度)变低，因而，激发功率增加。
除上述的专利公开之外，日本未经审查的专利说明书，公开号为No.平7-33139中披露了一种具有改善铁损性能及不脆裂的薄带材料，制造方法与上面的相同。该专利公开说明书公开的无定形薄带具有极好的磁性和耐脆性，该材料的平均粗糙度Ra在中心线0.6μm或0.6μm以下。组成表达式为FexBySizMna，按原子百分数计75≤x≤82，7≤y≤15，7≤z≤17，0.2≤a≤0.5。
虽然Mn对改善铁损有效，但增加它的含量会降低磁通量密度并使材料发脆。基于这种考虑，该专利公开的技术中采用减少抗磁场的方法以提高磁通量密度， 采用减少裂隙点的方法以抑制脆裂。采用在含有1-4％H2的CO2的气氛中，将上述的合金组分迅速固化的方法以减少片材表面的不均匀度。
但是，日本未经审查的专利申请说明书，公开号为No.平7-331396为改进合金薄带的软磁性能，在合金薄带迅速硬化后立即进行退火，仍没能改进材料的脆性。
而且，日本未经审查的专利说明书，公开号为No.平8-144079中披露出一种合金薄带，其生产方法与上述的日本未经审查的专利说明书，公开号为No.平7-331396的相同。该合金薄带的表面粗糙度Ra是0.8μm或0.8μm以下。但是，为改进合金薄带的软磁性能，在合金组分迅速硬化后立即进行退火。还是没有改进材料的脆性。
如上面所述，为获得如磁通量密度、铁损等良好的软磁性，在磁场下退火后具有优良抗脆性的Fe基无定形合金薄带，采用常规的方法是不能得到的。
发明概要在许多不同的磁性质中，本发明首先是致力于获得高饱和磁通量密度，研究了多种Fe基无定形合金薄带的组成后，找到了一种即使是在Fe含量高的情况下，迅速冷却后也能很容易地形成无定形状态的组成。本发明在研究了各种组成后得到了一个确定的结果，即在一定组成范围内，无定形态能够稳定地保持着，甚至在退火至能充分地消除薄带中的应变之后。本发明的这一结果，是通过将一定量的P加入到由一定量Fe，Si，B和C组成的合金中而得到的。
本发明发现了当Fe基无定形合金薄带的成分被限定在一定的范围内，即使在一很宽的温度范围内退火，也能获得良好的磁性。基于上述研究，发明了一种铁基无定形合金薄带，其使在退火期间铁心不同部位出现温度的差异，也具有良好的磁性，本发明是将一定量的P加入到含有一定量的Fe，Si，B和C的合金中去而实现的。值得注意的是，在先前技术的描述中，尽管提到合金中加入P对形成无定形状态的能力和(或)对表面粗糙度有改善作用，但本发明人发现的“P对于扩大最佳退火范围的作用”这一点，在上述的未经审查的专利申请，公开号为昭57-185957，平8-193252，平9-202951，平9-268354和平10-293427中都没有谈到。
本发明将一定量的P加入到含有一定量的Fe，Si，B和C的Fe基无定形合金薄带中，得到了一种在一个宽的退火温度范围ΔT至少为80℃和交流的情况下，具有良好软磁性能的Fe基无定形合金薄带，这里ΔT＝Tmax-Tmin，其中Tmax为薄带退火的最高温度，Tmin是薄带退火的最低温度。
Tmax是Fe基无定形合金薄带在交流电50Hz，且保持最大磁场80A/m条件下退火，而不引起薄带晶化且最大磁通量密度B80为1.35T或更高时的最高退火温度。换句话说，当Fe基无定形合金薄带退火温度超过Tmax时，薄带就要晶化，磁性下降而且最大磁通量密度B80低于1.35T。
Tmin是Fe基无定形合金薄带为减少薄带应变，在退火期间在施加磁场方向上产生磁各向异性，并且在退火后最大磁通量密度B80在1.35T或更高时的最低退火温度。
在本发明中，将一定量的P加入到含有Fe，Si，B和C的无定形合金薄带中，就可以制造出在用于交流电应用场合具有突出软磁性的无定形合金薄带，退火后它的磁通量密度值B80为1.35T或更高，它抗脆性的程度即弯曲断裂应变εf为0.01或更高的良好脆性。
这里的εf＝t/(Df-t)，式中t是薄带的厚度，Df是薄带断裂时的弯曲直径。
本发明具有上述特征的要点，叙述如下(1)一种由Fe，Si，B，C和P主要元素及不可避免的杂质组成的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，78≤Fe≤90，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12。
(2)一种根据(1)的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，78≤Fe≤86，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12。
(3)一种根据(2)的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于Fe含量以原子百分数计，80＜Fe≤82。
(4)一种根据(2)或(3)的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于P含量是以原子百分数计，1≤P≤12(5)一种根据(2)-(4)中任何一个的用于交流电软磁性良好Fe基无定形合金薄带，其特征在于B含量是以原子百分数计，5＜B＜14。
(6)一种根据(2)-(5)中任何一个的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于退火后具有B80值为1.35T或更高的软磁性而且B80的标准偏差低于0.1。
(7)一种根据(6)的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其更进一步的特征是退火后具有铁损值为0.12W/Kg或更低的铁损性。
(8)一种根据(2)-(7)中的任何一个的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是具有退火温度范围ΔT至少为80℃的特性，保障B80值为1.35T或更高的软磁性且B80的标准偏差小于0.1的薄带最高退火温度是Tmax，达到同样效果的薄带最低退火温度是Tmin，而且ΔT＝Tmax-Tmin。
(9)一种根据(8)的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是除软磁性外，具有退火温度范围ΔT至少为60℃的特性，其中保障铁损值为0.12W/Kg或更低铁损值的薄带最高退火温度是Tmax，达到同样效果的薄带最低退火温度是Tmin，而且ΔT＝Tmax-Tmin。
(10)一种根据(2)-(5)中任何一个的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后同时具有B80值为1.35T或更高的优良的软磁性和弯曲断裂应变εf为0.01或更高的优良的抗脆性(这里的εf＝t/(Df-t)，t是薄带的厚度，Df是薄带断裂时的弯曲直径)。
(11)一种根据(10)的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后具有铁损值为0.12W/Kg或更低的铁损性。
(12)一种根据(1)的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，86＜Fe≤90，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12。
(13)一种根据(12)的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征在于Fe含量以原子百分数计，86＜Fe≤88。
(14)一种根据(12)或(13)的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后薄带的Bs值为1.74T或更高。
(15)一种根据(12)-(14)中任何一个的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后薄带的B80值超过1.5T。
(16)一种根据(15)的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其进一步特征是；退火后薄带的铁损值为0.12W/Kg或更低。
(17)一种根据(1)的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，82＜Fe≤90，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12，退火后，薄带的Bs值为1.74T或更高。
(18)一种用于交流电应用场合具有良好软磁性的缠绕铁心，其特征在于是通过将(1)-(17)中任何一个用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带环形缠绕并进行退火而制成的。
(19)一种用于交流电应用场合的具有良好软磁性的层压铁心，其特征在于通过将(1)-(17)中任何一个用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带冲压成规定形状的小片，将小片层压后进行退火而制成。
最佳实施方案的描述如上所述，本发明通过将一定量的P加入到含有Fe，Si，B和C的合金中去，大大地提高了Fe的加入量，使得在80A/m的磁场条件下的饱和磁通量密度和磁通量密度B80提高到前所未有的水平。同时，本发明还同时获得了高的磁通量密度和优良的软磁性。这里所说的优良的软磁性指的是在交流电50Hz，磁通量密度为1.3T的情况下，测定的单片铁损值为0.12W/Kg或更低。
一种饱和磁通量密度值Bs为至少1.74T或更高的无定形合金薄带，可用来设计和制造具有高磁通量密度的变压器。这样，就使表现出高Bs性能无定形合金薄带变压器的出现成为了可能。B80被看作是材料被磁化难易程度的一个物理量，就象磁化率、磁导率等那样。由于Bs值增大的影响，使得当B80超过1.5T，升高的Bs的作用反映在变压器的性能上。当在交流电50HZ，磁通量密度为1.3T的情况下，测定的单片铁损值为0.12W/Kg或更低，因此，获得了性能优良的无定形合金薄带。
在进行变压器设计时需预先指定或者要术磁通量密度，或者要求铁损，这取决于设计的需要。因此，对于变压器的材料并不需要同时满足高的磁通量密度和低的铁损两个条件。如果要同时达到这两个条件，它就意味着无定形合金薄带的性能能使得变压器的效能达到最完美的程度。
本发明限定合金薄带组成的理由将在下面说明。本发明的主要特征是将P加入到低Si含量的组分中去(以原子百分数计2≤Si＜4)。每种成分被限定的理由如下。
以原子百分数计，Fe含量必须在82＜Fe≤90之间。因为，当Fe含量是82％或更小时，就不能得到足够的磁通量密度和结构密实的铁心设计，当Fe含量大于90％时，会使形成无定形状态变得困难，因此不能得到好的磁性产品。较好的是控制Fe含量为86＜Fe≤90％，因为，在此情况下可以稳定地获Bs值为1.74T或更高的产品。更好的是控制Fe含量为86＜Fe≤88，因为，在此情况下，可形成更稳定的无定形状态，稳定地获得Bs值为1.74T或更高。当Fe含量控制在上述范围之内时，B80值可稳定地保持在1.5T以上。
以原子百分数计，78＜Fe≤86是必须的。因为，Fe含量低于78％时，铁心不能保证得到足够的磁通量密度，当含量超过86％时，会使形成无定形状态变得困难，其结果，是不能获得良好的磁性。为在较宽的退火温度范围内获得B80值为1.35T或更高的目的，必须增加Fe的含量，使它超过80％。为了使得到无定形材料更稳定，其含量又不应超过82％。这样，控制Fe含量在80-82％之间就可以获得较好性能的无定形合金薄带。
以原子百分数计，Si的含量应局限在2≤Si＜4之间，因为，当Si的含量小于2％时，它会使稳定地形成无定形材料变得困难。当Si含量等于或大于4％时它就不可能在高Fe含量的条件下，通过加入P的方法而获得优良的磁性能，也不可能使最佳的退火温度范围得到扩大，而最佳退火温度范围的扩大正是本发明特征的重要体现。
以原子百分数计，B的含量应局限在5＜B≤16之间。因为，当B含量小于和等于5％时，它会使稳定形成无定形材料变得困难，而超过16％时，不会使形成无定形状态的能力进一步增加。为了有效地发挥添加物P的作用，以便在高Fe含量条件下获得优良的磁性和扩大最佳的退火温度范围，B的含量应降低至14％以下。这样，以原子百分数计，5＜B＜14的情况下，可以获得磁性更均匀的、性能更优良的无定形薄带。
C对于增加薄带的可铸性是有效的。当合金中含有C时，可增高熔融合金与冷却基片之间的润温度。因此可生成更好质量的薄带。以原子百分数计，当C的含量低于0.02％时，不会出现这种作用，但是当C的含量高于4％时，这种作用也不会增强。因此，C的含量应限制在0.02≤C≤4％之间。
P是本发明中最重要的元素。本发明人已经发现并且公开在日本未经审查专利申请说明书，公开号为No.202946中公开了P含量的重量百分数为0.008≤P≤0.1％(相当于原子百分数0.16％)，它提高了Mn和S的容许含量，增加了使用廉价材料的可能性。
本发明经过将一定量的P加入，并改变Fe，Si，B和C的含量的一系列实验，证明了在高Fe含量的情况下可以得到在交流电下具有优良软磁性的薄带，而同时仍然保持高的磁通量密度。以原子百分数计，P的含量应是在0.2≤P≤12范围内。理由是当P含量小于0.2％时，不可能在退火条件下获得磁性优良且保持高的磁通量密度的薄带，而当P的含量超过12％时，P所起的作用不会再提高，而且薄带的磁通量密度还会下降。当1≤P≤12时，由于P的作用，在整个薄带中的磁通量密度更均匀；更优选当1≤P≤10时，在此情况下不仅能阻止磁通量密度降低，而且更能有效的发挥P的作用。因此，可采用弯曲断裂应变εf为0.01或更高薄带制造出一般的变压器，几乎没有出现薄带断脆现象。当薄带的εf为0.015或更高时，质量仍然很好，因此，使变压器的制造变得更加容易。
如果薄带中有不可避免的杂质如Mn，S等存在，其含量如日本未经审查专利申请说明书，公开号为NO.平9-202946中所示的那样，薄带的质量也将不会出现什么问题。
本发明中，将一定量的P加入到含有一定量Fe，Si，B和C的合金中去，特别是合金中Si的低含量以原子百分数计2≤Si＜4量，才能发挥出P的作用。因此，限制合金组分为一定的量是重要的。
本发明通过将一定量的P加入到如上所述的含有一定量的Fe，Si，B和C的Fe基无定形合金薄带中，在一个宽的温度范围ΔT至少为80℃的条件下退火，就可以制造出在交流电下使用的具有优良软磁性的Fe基无定形合金薄带。这里，ΔT表示薄带最高退火温度Tmax和最低退火温度Tmin之差，即ΔT＝Tmax-Tmin。
这里，“优良的软磁性”指的是最大磁通量密度B80为1.35T或更高，它是在最大交流磁场80A/m，交流频率50HZ，退火温度范围ΔT至少为80℃的条件下退火得到的，其B80的标准偏差“小于0.1”，上面用于确定ΔT的方法，也同样对确定铁损值具有意义。铁损值为“0.12W/Kg或更小”，它是在交流频率50HZ，磁通量密度为1.3T，退火温度范围用ΔT至少为60℃的条件下退火得到的薄带，经测定其中的单片而得到的。
当经过环形缠绕Fe基无定形合金薄带而形成的缠绕铁心或经过冲压Fe基无定形合金薄带成小片，然后层压小片而形成的层压铁心等，更经过退火以减小薄带的应变和产生磁各向异性时，加热期间铁心不同部位之间的温度将会不同。当无定形合金薄带的B80至少在1.35T或更高时，无定形合金薄带的性能同样也会反映到变压器的性能中去。但是，由退火温度不均匀而产生的B80值不均匀，会使铁心软磁性局部下降，同时也会导致变压器性能出现问题。
当本发明合金薄带的B80的标准偏差低于0.1时，工作铁心的磁通量密度变得更加均匀，不仅Fe基无定形合金薄带保持着优良的磁性而且也使变压器的设计变得更容易。
同时，在Tmax到Tmin温度范围用ΔT至少为60℃条件下退火，铁损为0.12w/Kg时，也能获得优良性能的Fe基无定形合金薄带。由于在较宽的温度范围ΔT至少为60℃情况下可获得优良的铁损性能，因此，即使铁心的不同部位有温度差异出现，作为铁心整体的软磁性也不会降低。
根据不同的使用情况，在设计一个变压器时，首先确定的不是要求磁通量密度就是要求铁损性能。因此，保证得到B80为1.35T或更高的退火温度范围和保证得到铁损为0.12w/Kg或更低的退火温度范围就不需要一定相同。但是，如果两个退火温度范围相同的话，Fe基无定形合金薄带的性能会在变压器的性能上得到最高程度的体现。
本发明的薄带除了具有上述优良软磁性，还具有弯曲断裂应变εf为0.01或更高的抗脆薄带。这里εf＝t/(D-t)，式中t是薄带厚度，D是薄带断裂时的弯曲直径。
通过将薄带弯曲成180°，逐步加力压它，使其两个端之间的距离不断减小，直到薄带断裂时的外表面之间的距离D就作为评价薄带脆性的指标。(距离D和断裂处弯曲直径相对应)。
当薄带断裂时，薄带外表面之间的距离被定义为弯曲断裂直径Df。被弯曲薄带的外侧表面的应变ε＝t/(D-t)，式中t是薄带厚度。因此，薄带断裂时的应变，被定义为εf＝t/(Df-t)。
传统的Fe-Si-B无定形合金薄带为获得软磁性要经过退火，退火后薄带不可避免地产生脆性。但是，依照本发明所限定的合金组分范围，薄带经退火后可获得优良的软磁性，同时薄带的脆性也可大部分被消除。按照本发明的Fe基无定型合金薄带用作变压器的铁心材料时，能设计出高磁通量密度的变压器，可同时实现提高其使用性能并能减少薄带尺寸。
本发明的Fe基无定形合金薄带，用作变压器的铁心材料时也可防止在铁心退火过程中，由于不同部位的温度不均匀而产生的铁心性能的降低。
按照本发明Fe基无定形合金薄带可以通过将规定组分的合金熔融后经过狭喷咀被注入到如单辊法、双辊法或类似方法的正在移动的冷却衬底上而被迅速冷却熔融合金的方法来制造的。用在单辊法中的设备包括一个使用转鼓内表面的快速离心冷却器、使用环形皮带的设备带有备用辊的改进型设备和一个在低压、真空或惰性气体条件下使用的熔炼机。本发明对薄带的尺寸不做特殊规定(如厚度、宽度等等)。但最好的是厚为大于等于10μm到小于100μm之间，宽为20mm或更多一些。
用铁矿石作原料炼钢生产出的一些牌号的合金钢可以作为本发明的材料。这些牌号的合金钢的组成包括如Fe83.5Si3B12C1P0.5，Fe84.1Si2.5B11.4C1P1，Fe86.5Si2.2B6.8C0.5P4，Fe87Si2.1B5.6C0.3P5，Fe87.3Si2.1B5.5C0.3P4.8等等。
本发明的Fe基无定形合金薄带成分包括，如Fe80.5Si3B15C1P0.5，Fe79Si3B16C1P1，Fe80.2Si2.3B13C0.5P4，Fe79.4Si3.8B10C0.8P6，Fe81.5Si2.2B6.3C1P9等等。但是，本发明的合金成分并不局限在这些例子中。
实施例1用FeaSibBcCdPe表示的以原子百分数计的合金组成中含有0.2％的杂质，如Mn，S等(式中a+b+c+d+e＝99.8)。该合金组成通过单辊法铸造而成，铸片经检验确定是否为无定形状态，其结果列于表1。
首先将不同组分的合金放在石英坩埚中，用高频感应加热法熔融，接着将熔体经过装在坩埚项部的开有0.4×25mm矩形狭缝注入到以每分钟转数为800转，直径为580mm的铜合金冷却辊上，制造出厚大约25μm，宽大约25mm的薄带。然后，采用X-射线衍射法测定铸件的自由表面(浇铸时不与辊接触的表面)和贴辊表面(浇铸时与辊相接处的表面)的衍射图。测定结果列在表1。衍射图中面积较宽大的证明材料是无定形态，用记号O表示。衍射图中有尖锐结晶峰的用×表示，而介于中间的用△表示。
表1
正如表1所见到的那样，尽管样品1-8是无定形状态，可是样品7和8中仍包括很少量的结晶相，含有超过90原子百分数％Fe的样品9很难生成无定形态。需要指出的是试样1的磁通量密度并没有落入如如实施例2所示的本发明的范围内。样品10-12不含有P，很难形成无定形态，而样品12则不能制成连续的薄带。
样品13-17中含Fe量都高，只不过B和P的含量有差异。其中在13号和14号样品中含本发明范围内的B和P可形成无定形态，而比较样品15-17中含B量以原子百分数计为5％或低于5％，不能形成无定形态。
在样品18-20中Si的含量不同，Si含量低于2％(原子百分数)的样品18，虽然形成无定形态，但局部是不稳定形态。样品19-21形成无定形态，需要指出的样品21的铁损没有落入在本发明如实施例2中所限定的范围内。
由上面的实施例子可以了解到，按照本发明的合金组成的范围，在高Fe含量的情况下，可以制造出无定形状态的合金薄带，而在通常的高Fe含量情况下是不可能制造出无定形状态的合金薄带。
实施例2将实施例1中制成的无定形薄带切成120mm长的单片，加入磁场，在氮气氛围中，由260℃-400℃之间，每个间隔为20℃，退火一小时，然后采用单片测试仪(SST)测试单片在交流电情况下的磁性。用在测试期间所加的最大磁场80A/m的条件下，最大的磁通量密度B80以及在最大磁通量密度为1.3T时的铁损来评价磁性。实验所用的频率是50Hz。另外，饱和磁通量密度Bs是用VSM法来测定的。
表2显示出测试结果。表2显示出在260-400℃温度下退火所得到的最好软磁性的数值。需要指出的是，样品7，8和18中，有的部分并没有完全形成无定形态。测试时只采用其中完全是无定形态部分。
表2
正如表2中所见到的测试结果，样品2-14中含Fe量超过82％(原子百分数)，最高达90％(原子百分数)，Bs为1.74T或更高，B80为1.5T或更高。从表2中也可以看出，获得的良好的铁损值为0.12W/Kg或更低。Fe含量为82％(原子百分数)或更低的样品1，没有获得较高的Bs值。
观察含有不同量Si的样品18-21，Si含量低于2％(原子百分数)的样品18，其磁通量密度没有达到本发明的范围，Si含量为4％(原子百分数)或更高一些的样品21，其铁损也没有低于本发明样品的范围。
由上述的实施例子可以看到，使用本发明合金组成可在高Fe含量情况下生成无定形态。而这在常规的情况是不可能的，同时合金薄带具有优良的软磁性。
实施例3以原子百分数计，用Fe80.3Si2.5B16-xPxC1表示的合金组成(式中X＝0.5，1.1，3.2，6.4，或9.5)中含有0.2％(原子百分数)的杂质，如Mn，S等。其它作为比较样品合金是通过将X值变成0，0.05，13.5和16制成的。
首先，将上面所说的合金组成放到石英坩埚中，用高频感应法将其熔融。然后将熔体经过装在坩埚顶部的开有0.4×25mm的矩形狭逢注入到每分钟转数为800转的，直径为580mm铜合金的冷却辊上，生产出厚大约27μm，宽大约25mm的薄带。
浇铸成的薄带被切成长120mm的小片，于氮气氛围和磁场条件中，在320，340，360，380和400℃下退火一小时，然后，采用单片测试仪(SST)测试交流电情况下的磁性能。
磁性能的评价是以测定时所加的最大磁场80A/m时最大磁通量密度B80和最大磁通量密度为1.3T时的铁损值作为标准。测试所用的交流电频率为50Hz。表3和表4显示出了测试结果。
表3 B80的测试结果 (单位T)
表4铁损的测试结果(单位W/Kg)
样品23在420℃追加退火后，B80为1.29T。从这个结果和表3的样品24-29(发明样品)中P含量在大于等于2％(原子百分数)和小于等于12％(原子百分数)之间，退火温度范围从Tmin＝320℃到Tmax＝400℃，即一个宽的退火温度范围ΔT＝80℃时显示出高的磁通量密度B80值为1.35T或更高，在上述退火温度范围内B80的标准偏差低于0.01的事实，说明减少磁通量密度的不均匀性是可能的。
样品25-29中，P含量的范围是1％(原子百分数)或更高些到12％(原子百分数)或更小些之间，它的B80的标准偏差为0.07或更小，这个事实表明，所获得的薄带，其磁通量密度的不均匀性是比较小的。而且，样品26-29中，B的含量范围超过5％(原子百分数)小于14％(原子百分数)，它的B80的标准偏差为0.05或更小，这个事实表明，所获得的薄带其磁通量密度的不均匀性，仍然是比较小的。
表4表明具有本发明组成的样品24-29(发明样品)，在退火温度范围从Tmin＝320℃到Tmax＝380℃，即一个宽的退火宽度范围ΔT＝60℃时，显示出低的铁损值为0.12W/Kg或更低。虽然作为比较样品30的铁损值在宽的退火温度范围60℃下没有超过0.12W/Kg，但它的B80值水平仍是在比较样品的程度范围内，在400℃下退火的样品31没有激励到磁通量密度达到1.3T。
实施例4以原子百分数计，用Fe80.3SiyB15.2-yP3.3C1表示的合金组成(式中Y＝1.7，2.2，2.9，3.4，3.8，4.3，或5.5)中含有0.2％(原子百分数)的杂质，如Mn，S等。采用实施例3的方法将合金组成铸成薄带，同时用实施例3相同的方式对薄带进行磁性测试。表5和表6显示出测试结果。
表5B80的测试结果(单位T)
表6 铁损的测试结果(单位W/Kg)
样品32，37和38在追加420℃退火后的B80值分别是1.34，1.31和1.27T。从这些结果和表5的样品33-36(发明样品)中，Si含量在2％(原子百分数)或更高些到低于4％(原子百分数)之间，退火温度范围从Tmin＝320℃到Tmax＝400℃，即一个宽的退火温度范围ΔT＝80℃时，显示出高的磁通量密度B80值为1.35T或更高，在上述退火温度范围内B80的标准偏差低于0.1的事实，说明减少磁通量密度的不均匀性是可能的。
虽然样品37(比较样品)B80的标准偏差低于0.1，但在退火温度范围ΔT至少为80℃的情况下，B80值并不都是1.35T或更高。
而且从表6中能看到样品33-36(发明样品)在退火温度范围从Tmin＝320℃到Tmax＝380℃，即一个宽的温度范围ΔT＝60℃时，显示出低的铁损值为0.12W/Kg或更低。虽然作为比较样品32的在退火温度范围ΔT＝60℃范围的铁损值低于0.12W/Kg，但它的B80的水平在比较样品的范围内。由上面表可以看出，当Si含量为4％(原子百分数)或更高些时，本发明中P添加物的作用就没有出现。
实施例5采用与实施例3相同的方法，由含有不同量的Fe，B和C，但是P和Si的量始终分别保持在3.4％和2.5％(原子百分数)的合金组成熔铸而成的薄带。合金组成中含有0.2％(原子百分数)的杂质，如Mn，S等。
除了退火温度范围从280℃-400℃之外，薄带的磁性的测试采用与实施例3相同的方式。
表7和表8显示出测试结果。
表7 B80的测试结果(单位T)
表8 铁损的测试结果(单位W/Kg)
用退火温度带宽为80℃(表7中用粗线围出的区域)所得到的数值计算出的标准偏差值是最小的。
样品46在追加的420℃下退火后，B80值为1.33T。由这个结果和表7的样品40-45(发明样品)中含Fe量为78％(原子百分数)或更高一些到86％(原子百分数)或更少一些，在一个宽的退火温度范围ΔT至少为80℃时，显现出高的磁通量密度，B80值为1.35T或更高，同时在上述的退火温度范围内B80的标准偏差低于0.1的事实，说明磁通量密度的不均匀性被减少了。
Fe含量超过86％(原子百分数)的样品39(比较样品)，虽然它的磁通量密度的标准偏差低于0.1，但不能形成无定型状态而且它的B80值低于1T或更小。在比较样品46和47中，象上面的情况一样，虽然磁通量密度的标准偏差低于0.1，但在一个宽的退火温度范围ΔT至少为80℃或更高温度时，它的B80值没有达到1.35T或更高些。
Fe含量在大于80％(原子百分数)而小于等于82％(原子百分数)之间的样品42和43在一个宽的退火温度范围从Tmin＝280℃到Tmax＝400℃时，它们B80的标准偏差是小的，而且B80值为1.35T或更高，这个事实说明，得到的是性能优良的薄带。
从表8中的结果中可以看到，样品40-45(发明样品)，46和47(比较样品)在一个宽的退火温度范围Δ至少为60℃或更高时得到铁损值为0.12W/Kg或更少，这些结果是用常规技术所不能得到的。因为样品46-47在一个宽的退火温度范围ΔT至少为80℃时，B80值达不到1.35T或更高，它被归为比较类样品。由于样品39(比较类样品)不能形成无定形态，所以它的铁损是很大的。
实施例6宽50mm无定型合金薄带是由样品27合金组成熔铸而成。它的浇铸方法除了矩形狭逢尺寸为0.4×50mm之外，其于的都与实施例3相同，薄带铸件厚度是26μm。
薄带被缠绕成厚度为缠绕厚度50mm的环形铁心，然后以不同的加热速率将铁心从室温加热到400℃，在400℃保温2个小时后，在炉内冷却。加热期间在以圆周方向上向铁心加入磁场。加热温度由炉内气氛来控制，铁心的实际温度用放在铁心不同部位的热电偶来测量。
测量结果表明加热速率越大，炉内气氛和铁心之间的温度差异就越大而且铁心不同部位之间的温度差异也越大。铁心的温度没有超过炉内气氛温度。
退火后将铁心缠上初级线圈和次级线圈，再测量铁心的B80值。
结果表明当铁心不同部位之间的温度差异为80-100℃时铁心的B80值还保持为1.43T或更高。
出于相互比较的目的，同样的实验用样品37进行。当铁心不同部位之间的温度差异为80-100℃时，样品37的B80值明显下降为1.32T或更低。
实施例7以原子百分数计，用Fe80.3Si2.7B16-xPxC0.8表示的合金组成(式中X＝1.3，3.5，6.2，或9.4，)中含有0.2％(原子百分数)的杂质，如Mn，S等。其它作为比较样品合金是通过将X变成0和14.5制成的。
首先将上面所说的组成合金放到石英坩埚中，用高频感应加热法将其熔融，然后将熔体经过装在坩埚顶部的开有0.4×25mm的矩形狭逢注入到每分钟转速为800转、直径为580mm的铜合金的冷却辊上，生产出厚大约26μm，宽大约25mm的薄带。
浇注成的薄带被切成长120mm的小片，加入磁场，于氮气氛围和磁场中，在320，340，360，380和400℃下退火一小时，然后采用单片测试仪(SST)测试交流电情况下的磁性能。
磁性能的评价是以测定时所加的最大磁场80A/m时，最大磁通量密度B80和最大磁通量密度为1.3T(W33/50)时的铁损值作为标准。测试所采用的交流电频率为50Hz。
上面每一个温度下退火的薄带弯曲断裂应变εf也经过测试。薄带被弯曲使R表面(浇铸时与辊接触的表面)朝外。表9显示出测试结果。
表9 B80(T)，(W13/50)(W/kg)和εf的测试结果 表9中被粗线包围的区域是薄带同时具有弯曲断裂应变为εf为0.01或更高的抗脆性和B80为1.35T或更高及W13/50为0.12W/Kg的优良软磁性能的区域。
尽管在样品48-51中提高εf值到0.01或更高的退火温度是360℃或更低些，但样品48(比较样品)的B80在320℃下退火后却下降到1.35T以下。
而且，样品48(比较样品)的W13/50在任何退火温度下都不能降到0.12W/Kg以下。相反，样品49-51(发明样品)保持了B80值为1.35T或更高和W13/50值为0.12W/Kg或更低的优良的软磁性。即使是为提高εf在360℃或更低的温度下退火后仍能使脆性得到改善的情况下，样品52(发明样品)在340℃或更低的温度下退火显示出优良的抗脆性和软磁性。样品53(比较样品)在320℃或更低的温度下退火后，虽然它的εf值呈现出0.01或更高些，但它的B80值却下降到1.35T或更低。
权利要求
1.一种由Fe，Si，B，C和P主要元素及不可避免的杂质组成的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，78≤Fe≤90，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12。
2.一种根据权利要求1的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，78≤Fe≤86，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12。
3.一种根据权利要求2的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于Fe含量以原子百分数计为80＜Fe≤82。
4.一种根据权利要求2或3的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于P含量是以原子百分数计，1≤P≤12。
5.一种根据权利要求2-4中任何一项的用于交流电软磁性良好的Fe基无定形合金薄带，基特征在于B含量是以原子百分数，5＜B＜14。
6.一种根据权利要求2-5中任何一项的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于退火后具有B80值为1.35T或更高的软磁性而且B80的标准偏差低于0.1。
7.一种根据权利要求6的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征在于退火后具有铁损值为0.12W/Kg或更低的铁损性。
8.一种根据权利要求2-7中的任何一项的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是具有退火温度范围ΔT至少为80℃的特性，保障B80值为1.35T或更高的软磁性且B80的标准偏差小于0.1的薄带最高退火温度是Tmax，保障同样效果的薄带最低退火温度是Tmin，而且ΔT＝Tmax-Tmin。
9.一种根据权利要求8的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是除软磁性外，具有退火温度范围ΔT至少为60℃的特性，其中保障铁损值为0.12W/Kg或更低铁损值的薄带最高退火温度是Tmax，保障同样效果的薄带最低退火温度是Tmin，而且ΔT＝Tmax-Tmin。
10.一种根据权利要求2-5中任何一项的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后同时具有B80值为1.35T或更高的优良的软磁性和弯曲断裂应变εf为0.01或更高的优良的抗脆性(这里的εf＝t/(Df-t)，t是薄带的厚度，Df是薄带断裂时的弯曲直径)。
11.一种根据权利要求10的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后具有铁损值为0.12W/Kg或更低的铁损性。
12.一种根据权利要求1的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，86＜Fe≤90，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12。
13.一种根据权利要求12的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征在于Fe含量以原子百分数计，86＜Fe≤88。
14.一种根据权利要求12或13的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后薄带的Bs值为1.74T或更高。
15.一种根据权利要求12-14中任何一项的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后薄带的B80值超过1.5T。
16.一种根据权利要求15的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征是退火后薄带的铁损值为0.12W/Kg或更低。
17.一种根据权利要求1的具有高磁通量密度的Fe基无定形合金薄带，其特征在于组成是以原子百分数计，82＜Fe≤90，2≤Si＜4，5＜B≤16，0.02≤C≤4，0.2≤P≤12，退火后，薄带的Bs值为1.74T或更高。
18.一种用于交流电应用场合具有良好软磁性的缠绕铁心，其特征在于是通过将权利要求1-17中任何一项的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带环形缠绕并进行退火而制成的。
19.一种用于交流电应用场合的具有良好软磁性的层压铁心，其特征在于通过将权利要求1-17中任何一项的用于交流电应用场合具有良好软磁性的Fe基无定形合金薄带冲压成规定形状的小片，将小片层压后进行退火而制成。
全文摘要
本发明的目的是提供一种用于交流电应用场合的具有良好软磁性的,即使在高铁含量的情况下也可保持高磁通量密度的铁基无定形合金薄带。用这种薄带甚至在退火期间由于铁心的不同部位间存在着温度差异的条件下,仍可制成具有良好软磁性的铁心。本发明的Fe基无定形合金薄带具有高磁通量密度,主要成分中含有Fe,Si,B,C和P元素及不可能避免的杂质,其特征在于:它的组成以原子百分数计:82<Fe≤90,2≤Si<4,5<B≤16,0.02≤C≤4,0.2≤P≤12,退火后B
文档编号H01F1/153GK1356403SQ0114400
公开日2002年7月3日 申请日期2001年9月27日 优先权日2000年11月27日
发明者坂本广明, 佐藤有一 申请人:新日本制铁株式会社