1.本发明属于带材领域，具体涉及一种具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材、制造方法及应用。
背景技术：2.非晶纳米晶合金是近年来迅速发展起来的一类软磁材料，与传统的电工钢、铁氧体等软磁材料相比具有更高的磁导率、更低的交流损耗，已经广泛应用于变压器、电感器、互感器、电机定子等磁性元器件中的铁心。在用于变压器、电感器、互感器、电机定子等场合时，一般是将厚度仅有约0.025毫米的非晶纳米晶合金带材卷绕或堆叠成铁芯。
3.为了减小铁芯及元器件体积，总希望非晶纳米晶合金带材具有尽可能高的叠片系数。非晶纳米晶合金带材的叠片系数(也称为叠层系数、占空系数等)定义为非晶纳米晶合金带材堆叠体横截面上非晶纳米晶材料所占实际截面积与该堆叠体外形截面积之比。非晶纳米晶合金带材的叠片系数可采用国际电工委员会标准iec 60404-8-11的方法测量。目前，主流非晶纳米晶合金带材产品的叠片系数一般在78％～88％之间。
4.中国专利cn1175436c公开了一种高叠片系数的非晶合金带材，它通过控制带材表面光滑度、并使厚度极度均匀，获得高于86％的叠片系数。
5.中国专利cn101384745a公开了一种占空系数优异的非晶合金薄带，通过控制冷却辊的粗糙度等措施，改善非晶带材的表面光滑度，最终使非晶带材的叠片系数达到80％以上。
6.随着工艺技术的不断提高，目前国内外可以稳定提供的非晶纳米晶合金带材的叠片系数已经达到88％，而且，市场已经对叠片系数高于90％的非晶纳米晶合金带材提出了明确的需求。但是，现有技术还不能保证非晶纳米晶合金带材的叠片系数稳定达到90％以上。
技术实现要素：7.本发明为解决上述问题，提供了一种具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材、制造方法及应用。
8.一种具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材，
9.在所述带材的宽度方向，所述带材的中间部位厚度h0大于带材两侧边缘厚度h
l
和hr，且其差值不大于2.5微米：
10.h
0-h
l
≤2.5微米，且h
0-hr≤2.5微米。
11.进一步地，所述带材中间部位厚度h0与所述带材两侧边缘厚度h
l
和hr的厚度差为0.1～2.5微米：
12.0.1≤h
0-h
l
≤2.5微米，且0.1≤h
0-hr≤2.5微米。
13.进一步地，所述带材中间部位厚度h0与所述带材两侧边缘厚度h
l
和hr的厚度差为0.5～1.5微米：
14.0.5≤h
0-h
l
≤1.5微米，且0.5≤h
0-hr≤1.5微米。
15.进一步地，在所述带材的宽度方向，所述带材一侧边缘厚度值与另一侧边缘厚度值之差的绝对值不大于2.0微米，即：
16.|h
l-hr|≤2.0微米。
17.进一步地，在所述带材的宽度方向，所述带材一侧边缘厚度值与另一侧边缘厚度值之差的绝对值不大于1.0微米：
18.|h
l-hr|≤1.0微米。
19.进一步地，在所述带材的宽度方向，除中间部位和两个边缘外，其它各个测量点的厚度值处于中间厚度值与相应边缘厚度值之间：
20.h
l
≤hi≤h0，且hr≤hj≤h0，
21.式中，i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，m。
22.进一步地，在所述带材的宽度方向，任意两个相邻厚度测量点之间的厚度差的绝对值不大于1.5微米。
23.进一步地，所述带材的贴辊面粗糙度的十点平均值ra≤0.50微米；所述带材的自由面粗糙度的十点平均值ra≤0.40微米。
24.进一步地，所述带材的叠片系数大于90％。
25.进一步地，所述带材的叠片系数大于92％。
26.进一步地，所述带材的主要成分具有如下的一般表达式：
27.xaybzc28.其中，x为铁磁性金属元素fe、co、ni中的至少一种，总含量a在65～85at％之间；
29.y为过渡金属元素ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo、w、mn、cu、ag、au、zn、及al、sn的至少一种，总含量b在0～10at％之间；
30.z为非晶形成元素si、b、p、c中的至少一种，总含量c在15～30at％之间。
31.进一步地，所述带材的主要成分合金中还含有总量不超过0.5at％的杂质元素。
32.一种铁芯，所述铁芯包含上述任意一项所述的带材。
33.一种磁性元器件，所述磁性元器件包含上述带材的铁芯，所述磁性元器件包括：变压器、电感器、互感器和电机定子。
34.一种具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材的制造方法，包括：
35.将原料熔化成合金液；
36.将合金液浇入底部带有喷嘴的喷嘴包中；
37.合金液从喷嘴中流出，铺展在喷嘴下方的高速旋转的冷却辊外圆周表面冷却形成非晶纳米晶合金带材；
38.所述合金液从喷嘴中流出过程中，喷嘴两侧区域的合金液流量小于喷嘴中部的合金液流量，得到中间部位厚度大于两侧区域厚度的带材；
39.喷嘴处合金液的静压力在20～60kpa。
40.进一步地，其特征在于，所述喷嘴包中合金液的温度在1250～1450℃之间。
41.进一步地，其特征在于，所述喷嘴的喷嘴缝中间宽度最大，由中间最大宽度向两侧边缘的喷嘴缝宽度连续减小。
42.进一步地，其特征在于，所述喷嘴中部与所述冷却辊表面的距离大于等于所述喷
嘴两侧区域与所述冷却辊表面的距离。
43.进一步地，其特征在于，所述冷却辊表面粗糙度ra不大于0.40微米。
44.进一步地，其特征在于，所述原料所用的合金具有如下的一般表达式：
45.xaybzc46.其中，x为铁磁性金属元素fe、co、ni中的至少一种，总含量a在65～85at％之间；
47.y为过渡金属元素ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo、w、mn、cu、ag、au、zn、及al、sn的至少一种，总含量b在0～10at％之间；
48.z为非晶形成元素si、b、p、c中的至少一种，总含量c在15～30at％之间。
49.进一步地，所述原料所用的合金中还含有总量不超过0.5at％的杂质元素。
50.本发明的有益效果：
51.本发明提供了具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材及其制造方法，本发明通过改进非晶纳米晶合金带材的板型，控制带材的中部厚度及两侧边缘厚度，同时改进带材的贴辊面和自由面粗糙度，实现本发明的非晶纳米晶合金带材的叠片系数超过90％。本发明的带材制造方法，步骤简单，控制方便，通过控制合金液压力、合金流量以及喷嘴与冷却辊之间的间距即可制备叠片系数超过90％的非晶纳米晶合金带材，进一步减小磁性元器件的体积。
52.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
53.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
54.图1为非晶纳米晶带材的横截面及厚度测量点示意图；
55.图2为带材板型与叠片系数的关系曲线图；
56.图3为带材表面粗糙度与叠片系数的关系曲线图。
具体实施方式
57.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
58.作为软磁材料使用的非晶纳米晶合金，目前大多采用由平面流技术制造的带材，通过卷绕或叠片形成各种形状的铁心。由于带材不可能具有理想的平整表面，因此在卷绕或叠片时在片层之间必然会存在一些空隙。这样，卷绕或叠片后的铁心中实际材料横截面积小于其外形横截面积，即叠片系数小于100％。
59.薄板或薄带材料沿宽度方向的厚度分布常称为板型。一般认为，薄片状材料在具
有理想板型(即平整表面，或具有均匀的厚度)时，将具有最高的叠片系数。但发明人的研究发现，对于用平面流技术制造的非晶纳米晶合金带材来说，这种规律并不成立，非晶纳米晶合金带材在具有中央略凸板型，即带材宽度中间位置的厚度在一定范围内大于两个边缘厚度时，才能得到最高的叠片系数。
60.发明人研究了482个批次、具有接近的自由面表面粗糙度(ra＝0.38～0.42微米)但不同板型的非晶带材的叠片系数变化规律。采用国际电工委员会标准iec 60404-8-11的方法测量上述带材沿宽度方向的厚度分布。具体方法是：从带材宽度的中间部位开始，以10mm的间距，分别向带材宽度的两侧依次逐点测量带材厚度，直至带材两侧边缘。带材中间部位的厚度值标记为h0；带材左侧边缘处的厚度值标记为h
l
；带材右侧边缘处的厚度值标记为hr；带材左侧其它位置的厚度值标记为hi，其中i表示位于中间部位h0右侧的第i个测量点，i＝1，2，...，m；带材右侧其它位置的厚度值标记为hj，其中j表示位于中间部位h0右侧的第j个测量点，j＝1，2，...，m。m的取值与带材宽度有关。带材的横截面及厚度测量方法如附图1所示。
61.经过上述研究，发明人得到了如附图2所示的带材板型与叠片系数的关系曲线。可以看出，即使带材板型是完全平整的(即：带材中间部位厚度与边缘厚度相等)，其叠片系数也并非最高，而是当带材中间部位厚度比带材两侧边缘厚度稍大时(即：h0》h
l
，且h0》hr)，即带材具有中央略凸板型时，才具有更高的叠片系数。但当中间部位厚度大于两侧边缘厚度2.5微米以上时，叠片系数又逐渐降低。因此，只有带材板型呈中央略凸型、即中间部位厚度比两侧边缘厚度大2.5微米以内时(即：0《h
0-h
l
≤2.5微米，且0《h
0-hr≤2.5微米)，带材具有最高的叠片系数范围。
62.为了使带材具有最高的叠片系数，除了带材中间部位的厚度应在一定范围内大于边缘厚度之外，带材其它部位的厚度也必须控制在一定范围内。具体地说，带材在除了中间部位和边缘以外的其它部位的厚度必须控制在中间部位厚度与边缘厚度之间(即：h
l
≤hi≤h0，且hr≤hj≤h0。其中i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，m)。
63.此外，为了使带材具有最高的叠片系数，带材两个边缘的厚度不能相差过大，二者的厚度差的绝对值应控制在2.0微米之内，即：|h
l-hr|≤2.0微米。另外，沿带材的宽度方向，任意两个相邻测量点的厚度值之差的绝对值应不大于1.5微米。
64.发明人的研究还发现，带材表面粗糙度对叠片系数具有比较明显的影响，减小表面粗糙度可以提高带材的叠片系数。在研究了309个批次、具有相似板型但不同表面粗糙度的非晶带材的叠片系数变化规律后，得到了如附图3所示的带材表面粗糙度与叠片系数的关系曲线。可以看出，当带材表面粗糙度降低时，叠片系数整体上呈单调上升趋势。因此，改善带材的表面粗糙度对提高叠片系数是有利的，即：带材的贴辊面粗糙度的十点平均值ra≤0.50微米，带材的自由面粗糙度的十点平均值ra≤0.40微米。
65.在深入研究了非晶纳米晶合金带材的表面状态与叠片系数的关系、得到了带材板型和表面粗糙度对叠片系数的影响规律之后，通过合理优化制造工艺，可获得具有所希望的中央略凸板型和良好表面质量的非晶纳米晶合金带材，从而提高带材的叠片系数。
66.本发明涉及一种具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材，在带材的宽度方向，带材中间部位厚度大于带材两侧边缘厚度，且带材中间部位厚度与所述带材两侧边缘厚度之差不大于2.5微米；
67.具体的，在带材的宽度方向，所带材中间部位测量点处带材厚度值为h0，位于带材左侧边缘测量点处对应的带材厚度值为h
l
，位于右侧边缘测量点处对应的带材厚度值为hr，h0与h
l
、hr的关系为：
68.h
0-h
l
≤2.5微米，且h
0-hr≤2.5微米；
69.进一步地，带材中间部位厚度与带材两侧边缘厚度的厚度差绝对值在0.1～2.5微米。即：在带材的宽度方向，所带材中间部位测量点处带材厚度值为h0，位于带材左侧边缘测量点处对应的带材厚度值为h
l
，位于右侧边缘测量点处对应的带材厚度值为hr，h0与h
l
、hr的关系为：
70.0.1≤h
0-h
l
≤2.5微米，且0.1≤h
0-hr≤2.5微米。
71.更进一步的，带材中间部位厚度与带材两侧边缘厚度的厚度差为0.5～1.5微米，即：0.5≤h
0-h
l
≤1.5微米，且0.5≤h
0-hr≤1.5微米。
72.具体的，在带材的宽度方向，带材一侧带材厚度值与另一侧带材厚度值的厚度差绝对值不大于2.0微米，即：|h
l-hr|≤2.0微米。
73.进一步地，在带材的宽度方向，两个边缘厚度的厚度差绝对值不大于1.0微米即：|h
l-hr|≤1.0微米。
74.具体的，在带材的宽度方向，除了中间和两个边缘以外，其它各点的厚度均应处于中间部位厚度与相应边缘的厚度之间，即：h
l
≤hi≤h0，且hr≤hj≤h0。其中i＝1，2，...，m；j＝1，2，...，m。
75.具体的，在带材的宽度方向，任意两个相邻测量点的厚度值之差的绝对值应不大于1.5微米。
76.具体的，带材的贴辊面粗糙度的十点平均值ra≤0.50微米；
77.进一步地，带材的贴辊面粗糙度的十点平均值ra≤0.40微米；
78.具体的，带材的自由面粗糙度的十点平均值ra≤0.40微米；
79.进一步地，带材的自由面粗糙度的十点平均值ra≤0.30微米；
80.具体的，带材的叠片系数不低于90％；
81.进一步地，带材的叠片系数不低于92％。
82.本发明还提供了一种铁芯，所述铁芯包含上述带材。
83.本发明还提供了一种磁性元器件，磁性元器件包含上述铁芯，磁性元器件包括：变压器、电感器、互感器和电机定子等其他磁性元件。
84.本发明通过上述对带材厚度的横向分布以及带材自由面与贴辊面粗糙度的控制，实现本发明的非晶纳米合金带材具有超过90％的叠片系数，满足上述条件的非晶纳米晶合金带材在磁性元器件铁芯中的应用。
85.本发明还提供了一种制造上述具有高叠片系数的非晶纳米晶合金带材的制造方法，具体采用平面流工艺制造。
86.本发明的制造方法包括：
87.步骤一：将一定配比的原材料用冶炼炉熔化成合金液；
88.步骤二：对冶炼好的合金液进行温度调节及生产节奏缓冲；
89.步骤三：将合金液浇入底部带有狭缝喷嘴的喷嘴包中；
90.步骤四：合金液从喷嘴中流出，铺展在喷嘴下方的高速旋转的冷却辊外圆周表面
冷却形成非晶纳米晶合金带材。
91.其中，合金液的温度调节及生产节奏缓冲通常在中间包中进行，在小规模或实验室制备带材时也可省去中间包。
92.合金液从喷嘴中流出过程中，控制喷嘴两侧边缘(对应于带材边缘)的合金液流量小于喷嘴中部(对应于带材中间部位)的合金液流量，实现制备出的带材中部厚度大于两侧区域厚度。
93.喷嘴包中合金液的温度在1250～1450℃之间；
94.进一步地，喷嘴包中合金液的温度在1300～1420℃之间。
95.喷嘴处合金液的静压力在20～60kpa；
96.进一步地，喷嘴处合金液的静压力在30～50kpa之间。
97.在本发明的制造方法中，为进一步保证能够制备出具有中央略凸板型的带材，可以设置喷嘴缝的宽度从中间向两个边缘呈连续减小，使喷嘴缝中间部位与边缘部位的宽度差值在0～0.1毫米之间。
98.也可以设置喷嘴底面的形状并调节喷嘴与冷却辊表面的间距(简称辊嘴间距)，保证喷嘴中部(对应于带材宽度的中间部位)的辊嘴间距大于等于喷嘴边缘(对应于带材两个横向边缘)的辊嘴间距，二者差值在0～0.1毫米之间。
99.为了保证所制造的非晶纳米合金带材的表面具有低的粗糙度，要控制冷却辊表面的粗糙度，具体的，控制冷却辊表面粗糙度ra不大于0.40微米。
100.冷却辊的表面预先经过加工，并且在制带过程中通过砂纸(布)轮、金属毛刷轮或含有研磨颗粒的树脂毛刷轮对冷却辊表面连续打磨，保证冷却辊表面的状态。
101.非晶纳米晶合金带材的主要成分具有如下的一般表达式：
102.xaybzc103.其中，x为铁磁性金属元素fe、co、ni的至少一种，总含量a在65～85at％之间；y为过渡金属元素ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo、w、mn、cu、ag、au、zn、及al、sn的至少一种，总含量b在0～10at％之间；z为非晶形成元素si、b、p、c等的至少一种，总含量c在15～30at％之间。此外，合金中还可含有总量不超过0.5at％的杂质元素，其中at％为原子数百分含量。
104.为更好地说明本发明的制备方法及参数控制，设置了如下的实施例：
105.以工业纯的原料冶炼不同成分的母合金液，按照本发明的制造方法，制造不同宽度和厚度的铁基、钴基、铁镍基非晶合金或纳米晶合金带材，在制造过程中对喷嘴包中合金液温度、喷嘴缝的宽度、辊嘴间距、喷嘴处的合金液压力、冷却辊表面线速度、辊面表面粗糙度等参数进行设置。还设置了不在本发明范围内的工艺参数作为比较例。
106.表1
107.108.[0109][0110]
采用国际电工委员会标准iec 60404-8-11的方法测量上述实施例和比较例中带材沿宽度方向的厚度分布和叠片系数、用中国国家标准gb/t3505-2009(iso 4287:1997)的方法测量带材贴辊面和自由面的表面粗糙度ra。表2为相应的测量结果。
[0111]
表2
[0112]
[0113][0114]
由表2可知，当采用本发明所规定的技术方案时，带材的板型和叠片系数均可达到本发明的目的。
[0115]
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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。