專利名稱：具有線性BH回線的非晶形Fe基金屬合金的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及鐵磁性的非晶形金屬合金；更具體而言，涉及使合金退火的方法，使其對外加磁場的磁化曲線是線性的。
2.對現(xiàn)有技術(shù)的說明金屬玻璃是沒有長范圍順序的亞穩(wěn)態(tài)材料。非晶形金屬合金的X-射線衍射掃描，只出現(xiàn)與對無機(jī)氧化物玻璃觀測到的相似的擴(kuò)散暈。在US-3,856,513中已經(jīng)公開了金屬玻璃(非晶形的金屬合金)。這些合金包括化學(xué)式為MaYbZc的組合物，式中M是選自鐵、鎳、鈷、釩、和鉻的金屬，Y是選自磷、硼、和碳的元素，Z是選自鋁、硅、錫、鍺、銦、銻、和鈹?shù)脑?，“a”為約60-90原子％，“b”為約10-30原子％，和“c”為約0.1-15原子％。其中還公開了具有化學(xué)式TiXj的金屬玻璃絲，其中T是至少一種過渡金屬，X是選自磷、硼、碳、鋁、硅、錫、鍺、銦、鈹、和銻的元素，“i”為約70-87原子％，“j”為約13-30原子％。所述的材料適合采用本領(lǐng)域眾所周知的加工技術(shù)，以約1×106℃/s的速率迅速從熔融體冷卻制備。
這些公開內(nèi)容還提到許多金屬玻璃不尋常的或獨(dú)特的磁性質(zhì)，它們都落入廣泛的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。然而，對于電流/電壓變換器等一些具體的應(yīng)用，需要兼有線性磁滯回線(BH loop)和低損耗的金屬玻璃的組合。
線性B-H特性一般是用軟磁性材料獲得的，其中材料容易磁化的軸與激磁方向垂直。在這些材料中，外部磁場H往往向磁通量B的平均方向傾斜，所以測定的B量與H成比例。然而，大多數(shù)的磁性材料都具有非線性的B-H特性。因此，不容易獲得理想的線性B-H特性。與理想B-H線性的偏離，引起對外加磁場H磁性響應(yīng)的相應(yīng)偏離。
具有線性B-H特性的磁性材料的傳統(tǒng)實(shí)例，是稱作恒導(dǎo)磁率合金(Isoperm)的50％Fe-Ni冷軋合金。在非晶形的磁性合金中，已知熱處理過的富Co合金能提供線性的B-H特性，目前在電流變換器中用作磁芯材料。非晶形富Co合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般低于約10kG或1Tesla(泰斯拉)，這限制了施加的最高磁場強(qiáng)度。然而，由于形成這些合金需要大量的Co，所以這些合金很昂貴。目前顯然需要飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高于10kG又具有線性B-H特性的便宜合金。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種提高金屬玻璃合金磁性能的方法，該合金兼有線性BH回線和低磁芯損耗。一般認(rèn)為，金屬玻璃基本上由約70-87原子％的鐵，以及取代高達(dá)約20原子％鐵和鎳的鈷，取代高達(dá)約3原子％鐵的至少一種錳、釩、鈦、或鉬，和約13-30原子％選自硼、硅、和碳的元素組成。該方法包括金屬玻璃合金的熱處理步驟，熱處理的時間和溫度足以達(dá)到消除應(yīng)力和遠(yuǎn)離帶軸(ribbon axis)的磁化取向。在本發(fā)明的一個方面，該方法是在無磁場的情況下進(jìn)行的。在本發(fā)明的另一個方面，該方法包括在外加磁場存在下進(jìn)行的步驟，外加磁場的方向與帶軸垂直。
按照本發(fā)明方法處理的金屬玻璃合金，特別適合用于需要對磁場產(chǎn)生線性響應(yīng)的裝置，例如對于計(jì)量使用的電流/電壓變換器。
附圖簡述參照下面的詳細(xì)說明和附圖會更充分地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)也會變得顯而易見了。圖中相同的數(shù)字表示幾個圖中相同的元件，圖中

圖1是描述本發(fā)明非晶形的Fe-B-Si基合金的B-H特性曲線；圖2是描述圖1起頻率作用的非晶形Fe基合金的磁導(dǎo)率曲線；圖3是描述在沒有外加磁場的情況下，在420℃熱處理6.5h的本發(fā)明非晶形的Fe基合金B(yǎng)-H特性的曲線。
發(fā)明詳述本發(fā)明金屬玻璃合金的熱處理能提高該合金的磁性能。更具體而言，當(dāng)按照本發(fā)明熱處理時，金屬玻璃合金會具有下列性質(zhì)的優(yōu)良組合線性的BH回線和低的交流磁芯損耗。該合金基本上由約70-87原子％的鐵，以及取代所存在的高達(dá)約20原子％鐵和鎳的鈷、取代高達(dá)約3原子％鐵的至少一種錳、釩、鈦、或鉬，和選自硼、硅、和碳的其余元素組成。熱處理方法包括下列步驟(a)將合金加熱到足以消除應(yīng)力的溫度；(b)至少在冷卻步驟中給合金施加磁場，磁場的方向與帶軸垂直。冷卻步驟一般是在冷卻速率約-0.5℃/min--100℃/min，優(yōu)選在約-0.5℃/min--20℃/min下進(jìn)行的。在無外加磁場的情況下進(jìn)行熱處理，一般會獲得非線性的BH回線。然而，部分結(jié)晶能產(chǎn)生局部磁場，它起外加磁場的作用。對于小的激磁作用，這也會獲得線性的B-H特性。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，沿著垂直帶軸方向施加橫向磁場就變成任選了。
一般都知道形成金屬玻璃合金的過程會產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。由金屬玻璃合金制造磁性器械的過程可能產(chǎn)生另一些應(yīng)力。因此，優(yōu)選將金屬玻璃合金加熱并保持到足以消除這些應(yīng)力的溫度和時間。在熱處理過程中施加磁場能促進(jìn)在施加磁場的方向上形成磁學(xué)各向異性。當(dāng)合金處于下列溫度時磁場是特別有效的(i)接近居里溫度或達(dá)到低于居里溫度50℃，和(ii)溫度高到足以使其組成發(fā)生原子擴(kuò)散或重排。
在橫向上施加磁場，所述的橫向定義為與操作過程中的激磁方向垂直的方向。當(dāng)磁性器械是繞制的環(huán)形線圈時，將連續(xù)的金屬玻璃帶繞制在其本身上。對于所述的環(huán)形線圈，橫向與環(huán)形線圈的軸平行。將環(huán)形線圈同軸放在永久磁體或電磁體的二個極之間，或?qū)h(huán)形線圈同軸放在被適宜電流激磁的螺線管內(nèi)，能方便地施加橫向磁場。
本發(fā)明金屬玻璃優(yōu)選的熱處理溫度(T)和熱處理持續(xù)時間(t)取決于合金的組成。T一般為約300-450℃，t是1-10h。
提高本發(fā)明合金磁性能的方法的另一個特性，是熱處理過程中外加磁場的方向。
優(yōu)選的方法包括在橫向磁場存在下進(jìn)行熱處理，任選在混合磁場存在下進(jìn)行熱處理，混合磁場具有在橫向上施加的第一種成分和在縱向上施加的第二種成分。當(dāng)在橫向磁場存在下進(jìn)行熱處理時，磁場強(qiáng)度為50-2,000Oe(4,000-160,000A/m)。獲得的材料具有線性BH回線和低磁芯損耗的特性。采用所述退火的材料制造的磁芯，特別適合電流/電壓變換器等應(yīng)用，用于測量交流磁場的強(qiáng)度。不變的磁導(dǎo)率或線性的BH回線，使電流/電壓變換器等裝置能在很寬的外加磁場范圍內(nèi)提供線性輸出。
給出下列實(shí)施例以供更全面地了解本發(fā)明。為了說明本發(fā)明的基本原理和實(shí)際應(yīng)用，所述的具體技術(shù)、條件、材料、比例、和所報(bào)告的數(shù)據(jù)都是示范性的，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為它們并不限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例實(shí)施例1非晶形的鐵基合金本發(fā)明非晶形的鐵基合金厚度約15-30μm，是采用快速固化技術(shù)鑄造的。磁性螺線管是采用帶或縱切的帶繞制的，在箱式爐(box oven)中進(jìn)行熱處理。橫向磁場是將環(huán)形線圈按軸向放在二個永久磁體的磁極之間，或?qū)h(huán)形線圈放在具有所需電流的螺線管內(nèi)產(chǎn)生的。
將非晶形的鐵基合金帶繞制成環(huán)形線圈的形狀，制成磁性的環(huán)形線圈。然后使環(huán)形線圈在爐中進(jìn)行熱處理，爐中具有沿環(huán)形線圈軸向的磁場。然后采用在市場上購買的BH磁滯曲線繪制儀(hysteresigraph)檢測環(huán)形線圈，查明B-H的線性關(guān)系，其中B和H分別表示磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。圖1比較了按照本發(fā)明制備的非晶形鐵基磁芯和現(xiàn)有技術(shù)非晶形的Co基合金環(huán)形線圈的B-H特性。本發(fā)明的磁芯在400℃下熱處理10h，外加的16,000A/m磁場與環(huán)形線圈環(huán)面的方向垂直。在外加磁場強(qiáng)度為約-15Oe(-1,200A/m)-+15Oe(+1,200A/m)，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通量的變化為-12kG(-1.2T)-+12kG(+1.2T)的范圍內(nèi)，本發(fā)明磁芯的B-H特性是線性的。另一方面，現(xiàn)有技術(shù)Co基磁芯B-H的線性區(qū)域，被限制在磁通量的變化為約-7kG(-0.7T)-+7kG(+0.7T)，這限制了磁響應(yīng)的能力。B-H的線性特性系指由B/H定義的磁導(dǎo)率是線性的。圖2示出，直至頻率高達(dá)約1000kHz或1MHz，本發(fā)明的非晶形Fe基合金的磁導(dǎo)率是不變的。這意味著在高達(dá)約1000kHz的整個頻率范圍內(nèi)，本發(fā)明的非晶形Fe基合金的磁響應(yīng)都可保持在一定的水平上。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對小于約3Oe(240A/m)的外部磁場，采用圖3所示部分結(jié)晶的非晶形Fe基合金的磁芯，得到線性的B-H特性。在這種情況下，在熱處理過程中的磁場是任選的。這種磁芯能提供對低水平電流靈敏的電流變換器。
在表I中列出非晶形Fe基合金直流磁導(dǎo)率的典型實(shí)例，其中Fe-B-Si基環(huán)形線圈形狀磁芯試樣的尺寸為外徑＝13.0mm，內(nèi)徑＝9.5mm，高度＝4.8mm，F(xiàn)e-B-Si-C基磁芯的尺寸為外徑＝25.5mm，內(nèi)徑＝16.5mm，高度＝9.5mm。Fe-B-Si和Fe-B-Si-C基合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.56和1.60T。
表I
實(shí)施例2試樣的制備按照Chen等人在US-3,856,513中所述的技術(shù)，采用約106K/s的冷卻速率，使非晶形合金從熔融體迅速退火。獲得的帶厚度一般為10-30μm，寬度約1cm-約20cm，采用X-射線衍射方法(采用Cu-Kα輻射)和差式掃描量熱法，確定獲得的帶無值得注意的結(jié)晶度。帶狀的非晶形合金是堅(jiān)固的、有光澤的、硬質(zhì)的、和有延展性的。
將如此生產(chǎn)的帶縱切成較窄的帶，然后將其繞制成不同尺寸的環(huán)形線圈形狀。環(huán)形線圈在有或沒有磁場的情況下在爐中進(jìn)行熱處理，溫度為300-450℃。當(dāng)在熱處理過程中施加磁場時，磁場的方向沿著環(huán)形線圈環(huán)面方向的橫向。典型的磁場強(qiáng)度是50-2,000Oe(4,000-160,000A/m)。
磁性的測定采用常規(guī)的BH磁滯曲線繪制儀，檢測按照實(shí)施例2制備的磁性環(huán)形線圈，獲得B-H特性。對起頻率作用的環(huán)形線圈測定義為B/H的磁導(dǎo)率，磁導(dǎo)率以曲線的形式示于圖2。
至此已經(jīng)更詳細(xì)地?cái)⑹隽吮景l(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些細(xì)節(jié)沒有必要被嚴(yán)格地附上，而可以對它們本身提出各種變更和改進(jìn)，這些變更和改進(jìn)全部都落在所附權(quán)利要求規(guī)定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非晶形鐵基合金，其基本上由約70-87原子％的鐵，取代高達(dá)約20原子％鐵的鈷，取代高達(dá)約3原子％鐵的鎳、錳、釩、鈦、或鉬組成，存在的其余元素包括選自硼、硅、和碳的元素，所述的合金進(jìn)行過熱處理，以產(chǎn)生線性的BH特性和低的磁損耗。
2.權(quán)利要求1所述的熱處理過的非晶形鐵基合金，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度超過約10kG或1Tesla。
3.權(quán)利要求1所述的非晶形鐵基合金，所述的合金是帶狀的，具有預(yù)定的容易磁化的方向，已在磁場中進(jìn)行過熱處理，所述磁場的幅度為約50Oe(4,000A/m)-約2,000Oe(160,000A/m)，所述的外加磁場與所述帶預(yù)定的容易磁化的方向垂直。
4.權(quán)利要求1所述的非晶形鐵基合金，所述的合金在溫度接近合金的居里溫度下進(jìn)行過熱處理。
5.權(quán)利要求4所述的非晶形鐵基合金，所述的合金在溫度高到足以使其組成發(fā)生原子擴(kuò)散或重排的溫度下進(jìn)行過熱處理。
6.一種非晶形鐵基合金，其基本上由約70-87原子％的鐵，取代高達(dá)約20原子％鐵的鈷，和取代高達(dá)約3原子％鐵的鎳、錳、釩、鈦、或鉬組成，存在的其余元素包括選自硼、硅、和碳的元素，所述的合金在磁場存在下進(jìn)行過熱處理，以產(chǎn)生線性的BH特性和低的磁損耗。
7.權(quán)利要求6所述的熱處理過的非晶形鐵基合金，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度超過約10kG或1Tesla。
8.權(quán)利要求6所述的非晶形鐵基合金，所述的合金是帶狀的，具有預(yù)定的容易磁化的方向，所述的磁場幅度為約50Oe(4,000A/m)-約2,000Oe(160,000A/m)，所述的外加磁場與所述帶預(yù)定的容易磁化的方向垂直。
9.權(quán)利要求6所述的非晶形鐵基合金，所述的合金在溫度接近合金的居里溫度下進(jìn)行過熱處理。
10.權(quán)利要求9所述的非晶形鐵基合金，所述的合金在溫度高到足以使其組成發(fā)生原子擴(kuò)散或重排的溫度下進(jìn)行過熱處理。
全文摘要
金屬玻璃合金帶基本上由約70－87原子％的鐵組成。高達(dá)約20原子％的鐵被鈷所取代，高達(dá)約3原子％的鐵被鎳、錳、釩、鈦、或鉬所取代。約13－30原子％的其余元素包括選自硼、硅、和碳的元素。該合金在足以消除其應(yīng)力的溫度下進(jìn)行熱處理。在熱處理過程中，外加的磁場使遠(yuǎn)離帶預(yù)定的容易磁化的方向的地方發(fā)生磁化。金屬玻璃具有線性的直流BH回線以及低的交流損耗。因此，它們特別適合在電流/電壓變換器中使用。
文檔編號H01F1/12GK1646719SQ03807817
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月8日
發(fā)明者R·J·馬蒂斯, R·哈塞加瓦 申請人:梅特格拉斯公司