專利名稱：一種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng)力熱處理裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密合金熱處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng) 力熱處理裝置，進(jìn)一步涉及通過熱處理時(shí)施加應(yīng)力而產(chǎn)生蠕變各向異性，產(chǎn)生合適大小和 方向的單軸各向異性來調(diào)整鐵心的磁性能的方法。
背景技術(shù)：
非晶和納米晶合金軟磁材料是近20年發(fā)展起來的新型軟磁材料，該合金已經(jīng)取 代了大部分高M(jìn)含量的M-Fe坡莫軟磁合金，在一些硅鋼和鐵氧體不能勝任新應(yīng)用領(lǐng)域得 到越來越多的應(yīng)用。2010年世界范圍內(nèi)的總產(chǎn)銷量達(dá)到10萬噸，中國約使用4萬噸。這類 軟磁合金磁性能優(yōu)異，制造工藝流程短，制造和使用過程節(jié)能且對(duì)環(huán)境友好，在能源和環(huán)保 問題日益突出的當(dāng)今和未來階段，這種新材料將會(huì)得到人們更多的關(guān)注和喜愛。目前這類材料大部分以20 40微米厚薄帶的形式生產(chǎn)和使用，不同寬度的帶材 可以直接制備，或制備寬帶再剪切分條獲得窄帶。一般帶材繞制成鐵心必需要經(jīng)過熱處理 來提高磁性能。為更有效地調(diào)整材料的磁滯回線，經(jīng)常采用磁場(chǎng)熱處理的辦法，即在熱處 理時(shí)施加磁場(chǎng)來調(diào)整磁滯回線。比如通過熱處理時(shí)施加橫向磁場(chǎng)來獲得扁平磁滯回線； 或通過施加縱向磁場(chǎng)來獲得方形磁滯回線等。磁場(chǎng)熱處理調(diào)整磁滯回線的原理是磁場(chǎng)熱 處理可以產(chǎn)生單軸磁各向異性。由于應(yīng)用條件的多樣性，大部分情況下都需要通過施加不 同方向和大小的磁場(chǎng)，以獲得不同方向和大小的單軸磁各向異性，來得到相應(yīng)的磁滯回線 形狀和需要的磁性能。中國專利申請(qǐng)No. 200910039582. 3 “在橫向磁場(chǎng)下軟磁卷繞鐵心的 熱處理設(shè)備及方法”提供一種采用永磁體產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)的熱處理裝置；本申請(qǐng)人的中國專 利ZL96106793. 4 “軟磁鐵芯元件及其制造方法”介紹了一種采用橫向磁場(chǎng)調(diào)整鐵心磁滯回 線形狀的熱處理方法。由于磁場(chǎng)熱處理需要有比較強(qiáng)的磁場(chǎng)發(fā)生器，這使磁場(chǎng)熱處理設(shè)備 龐大而復(fù)雜，而且還需要銅線圈和大電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)，這需要使用大量銅，還要浪費(fèi)大量電 能，使得熱處理的成本很高?；蛘咄ㄟ^大塊的永磁體來產(chǎn)生磁場(chǎng)，但是永磁體又受到磁場(chǎng)范 圍和工作溫度的限制，因此目前永磁體施加磁場(chǎng)熱處理的方法還沒有得到普遍應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，在非晶和納米晶軟磁合金材料中，無論在非晶態(tài)、納米晶態(tài)以及兩相混 合態(tài)下保溫?zé)崽幚?、還是在非晶態(tài)向納米晶態(tài)轉(zhuǎn)變的熱處理過程中，應(yīng)力都將產(chǎn)生相應(yīng)的 蠕變感生磁各向異性，這種磁各向異性是單軸的。也就是說這類材料在應(yīng)力熱處理過程中， 應(yīng)力除了通過磁滯伸縮耦合產(chǎn)生磁各向異性外，還可以通過機(jī)械蠕變變形來感生磁各向異 性。這種單軸各向異性的數(shù)量級(jí)很大，超過由磁場(chǎng)感生的單軸磁各向異性。本發(fā)明就是利 用這種原理制造非晶和納米晶合金軟磁鐵心。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種性能優(yōu)異的非晶和(或)納米晶軟磁合金帶繞鐵心， 在熱處理時(shí)對(duì)鐵心施加應(yīng)力，以產(chǎn)生相應(yīng)的蠕變單軸磁各向異性，通過各向異性調(diào)整鐵心 材料本身的磁滯回線形狀，達(dá)到大幅度調(diào)整鐵心的磁性能的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案—種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng)力熱處理裝置，包括繞制非晶和/或納米晶合金 帶鐵心的組合式內(nèi)芯，該裝置包括至少一個(gè)組合式內(nèi)芯，所述組合式內(nèi)芯由互相匹配的第 一半芯1和第二半芯2組成，所述兩個(gè)半芯可沿切割面6進(jìn)行滑移，使得該組合式內(nèi)芯的有 效外周長(zhǎng)是可調(diào)整的。第一半芯1和第二半芯2的接觸面為一個(gè)平面的切割面6，所述切割面6通過整體 內(nèi)芯的幾何中心并與內(nèi)芯的軸線成一個(gè)滑動(dòng)角α。兩個(gè)半芯通過沿切割面6進(jìn)行滑移，使得整個(gè)組合式內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)可以調(diào) 鵪
iF. ο組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為3° 75°。在進(jìn)行由非晶轉(zhuǎn)化為納米晶合金的張應(yīng)力退火時(shí)，該裝置包括一個(gè)或多個(gè)組合式 內(nèi)芯，每對(duì)內(nèi)芯的第一半芯和第二半芯互相固定，其滑動(dòng)角α為3° 10°，使得退火結(jié)束 時(shí)順利將鐵心和內(nèi)芯分離。在進(jìn)行納米晶合金鐵心去應(yīng)力退火時(shí)，對(duì)于內(nèi)徑大于IOOmm的鐵心，退火開始時(shí) 組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為45° 75°，同時(shí)組合式內(nèi)芯的高度高出鐵心8 30mm以上， 使得隨退火產(chǎn)生的張應(yīng)力作用于兩個(gè)半芯，兩個(gè)半芯受到擠壓沿著切割面6滑動(dòng)，內(nèi)芯的 有效外周長(zhǎng)減小，以避免相變體積收縮在鐵心中產(chǎn)生張應(yīng)力。在進(jìn)行非晶態(tài)合金鐵心消除應(yīng)力退火時(shí)，將合金薄帶分別繞制在多個(gè)層疊布置的 組合式內(nèi)芯上，各個(gè)組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為15° 40°，第一半芯1兩兩平面接觸，對(duì) 應(yīng)的兩個(gè)第二半芯2的平面互相隔開，第二半芯2端部平面伸出繞制鐵心和第一半芯1組 成的平面8 30mm，在相鄰兩鐵心之間有一個(gè)金屬墊圈5支撐。一種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng)力熱處理方法，是將所述非晶和/或納米晶鐵心 的合金薄帶繞制在至少一個(gè)組合式內(nèi)芯上，熱處理時(shí)通過所述組合式內(nèi)芯與鐵心的相互作 用對(duì)鐵心施加張應(yīng)力或吸收鐵心產(chǎn)生的張應(yīng)力；所述組合式內(nèi)芯由互相匹配的第一半芯1 和第二半芯2組成，所述兩個(gè)半芯沿切割面6可進(jìn)行滑移，使得該組合式內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng) 是可調(diào)整的。張應(yīng)力的施加，是通過以下的方法實(shí)現(xiàn)的a)在進(jìn)行由非晶轉(zhuǎn)化為納米晶合金的張應(yīng)力退火時(shí)，將合金薄帶繞制在一個(gè)或多 個(gè)組合式內(nèi)芯上，其中每對(duì)內(nèi)芯的第一半芯和第二半芯互相鎖定，利用相變時(shí)鐵心產(chǎn)生的 體積收縮，內(nèi)芯與鐵心的相互作用實(shí)現(xiàn)內(nèi)芯給鐵心施加張應(yīng)力，其滑動(dòng)角α為3° 10°， 使得退火結(jié)束時(shí)順利將鐵心和內(nèi)芯分離；b)在進(jìn)行非晶態(tài)合金鐵心消除應(yīng)力退火時(shí)，鐵芯無體積收縮，將合金薄帶分別繞 制在多個(gè)層疊布置的組合式內(nèi)芯上，各個(gè)組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為15° 40°，兩個(gè)相鄰 的第一半芯1端面相互靠緊，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)第二半芯2的端平面互相隔開，第二半芯2端部平 面伸出繞制鐵心的端平面8 30mm，在相鄰兩鐵心之間有一個(gè)金屬墊圈5支撐。在退火時(shí)對(duì)鐵心的上下端面施加軸向壓力F。張應(yīng)力的吸收，是對(duì)納米晶合金鐵心進(jìn)行無應(yīng)力退火時(shí)，對(duì)于內(nèi)徑大于IOOmm的 鐵心，退火開始時(shí)組合式內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)大于該內(nèi)芯原始周長(zhǎng)的2% 4%，滑動(dòng)角α為 45° 75°，同時(shí)組合式內(nèi)芯一個(gè)半芯端面高出鐵心端面8 30mm以上，使得隨著退火產(chǎn)生的張應(yīng)力作用于兩個(gè)半芯，兩個(gè)半芯受到擠壓沿著切割面6滑動(dòng)，內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)減 小，避免相變體積收縮產(chǎn)生的張應(yīng)力。經(jīng)該應(yīng)力熱處理后的鐵心具有直流磁性能是直流磁導(dǎo)率μ = 200 100000， 飽和磁感Bs = 1. 0 1. 7Τ ；具有的交流磁性能是在f = 20KHz, Bm = 0. 5T下，損耗值 P5720K 彡 40w/kg, 一般在 25 35w/kg，磁導(dǎo)率 μ = μ i+i μ 2，其中μ ！ = 100 30000，μ 2 =200 40000。本發(fā)明提出的技術(shù)解決方案重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面1、納米晶合金帶繞鐵心的張應(yīng)力熱處理，張應(yīng)力由相變產(chǎn)生的體積收縮引起，不 需要額外施加機(jī)械力。納米晶合金是指含有特定元素的非晶合金，如含有01、他^0、1^、肚、21~、￥、1等中 的至少一種，以Fe為基并含Si和/或B的合金，用急冷方法制成20 40微米厚的非晶態(tài) 合金，再于晶化溫度以上進(jìn)行熱處理，獲得納米級(jí)細(xì)小的α-Fe(Si)晶粒相和殘余非晶相 的混合結(jié)構(gòu)的一類軟磁合金。其微觀結(jié)構(gòu)為在體積百分?jǐn)?shù)30%左右的非晶合金基體上分布 著15 50nm數(shù)量級(jí)的細(xì)小Q-Fe(Si)晶粒。非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變屬于一級(jí)固態(tài)相變，相變 時(shí)化學(xué)勢(shì)相等，而化學(xué)勢(shì)的一階偏微商不相等，要發(fā)生體積變化，一般要產(chǎn)生1 3%的體 積收縮。這種收縮導(dǎo)致鐵心的周長(zhǎng)長(zhǎng)度減小，或鐵心直徑變小。如果將非晶狀態(tài)的合金帶 緊密繞制在強(qiáng)度足夠高的圓環(huán)形體內(nèi)芯上，鐵心連同內(nèi)芯一起在鐵心晶化溫度以上保溫?zé)?處理，鐵心材料發(fā)生由非晶態(tài)向晶態(tài)的相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生的體積收縮將使鐵心沿長(zhǎng)度方向收縮。 這樣在鐵心中將產(chǎn)生比較大的張應(yīng)力。在保溫溫度和張應(yīng)力的共同作用下，鐵心材料產(chǎn)生 蠕變變形，鐵心冷卻后，感生出單軸磁各向異性，從而改變鐵心磁性能。這就是本發(fā)明的技 術(shù)方案依據(jù)的基本原理。2、納米晶合金帶繞鐵心的張應(yīng)力熱處理，自施加張應(yīng)力的組合式內(nèi)芯。常規(guī)技術(shù)中，在進(jìn)行非晶轉(zhuǎn)化為納米晶的張應(yīng)力退火時(shí)，是將非晶狀態(tài)的合金帶 鐵心緊密繞制在強(qiáng)度足夠高的一體化圓環(huán)體內(nèi)芯上。在熱處理時(shí)，非晶態(tài)向晶態(tài)的相變產(chǎn) 生的體積收縮，形成張應(yīng)力，達(dá)到應(yīng)力熱處理的效果。這樣無論在高溫還是室溫，鐵心都將 緊緊箍住內(nèi)芯，一體化結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯是無法與鐵心脫開的，要想將兩者分開，只能破壞內(nèi)芯。本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵之一就是提供一種簡(jiǎn)單、低成本組合式內(nèi)芯，并通過這種內(nèi)芯 的使用，不僅可以實(shí)現(xiàn)納米晶鐵心張應(yīng)力退火，而且可以順利將鐵心和內(nèi)芯分離，同時(shí)還可 以通過該內(nèi)芯向鐵心施加張應(yīng)力；而最主要的目地是實(shí)現(xiàn)鐵心自施加張應(yīng)力，是充分利用 了相變發(fā)生的體積變化來產(chǎn)生張應(yīng)力，而不需要額外施加機(jī)械力。在納米晶合金的熱處理中選用的組合內(nèi)芯的滑動(dòng)角α要取α =3° 10°。從 防止內(nèi)芯滑動(dòng)減壓的角度看，α角越小越好，理論上α =0°最理想，但是鐵心體積收縮 后，將無法使鐵心和內(nèi)芯脫開，這就是一體化內(nèi)芯的情況。反之α角越大越有利于使鐵心 與內(nèi)芯脫開分離；所以α角越大，在鐵心相變收縮產(chǎn)生的強(qiáng)大壓應(yīng)力作用下，半芯越容易 相互滑開而失去鐵心自施加張力作用。3、高磁導(dǎo)率鐵心的熱處理要消除蠕變各項(xiàng)異性的產(chǎn)生，就要避免鐵心相變體積收 縮而引起的張應(yīng)力。對(duì)需要得到高磁導(dǎo)率的鐵心，需要進(jìn)行由非晶態(tài)向納米晶態(tài)的去應(yīng)力熱處理，例 如電流互感器鐵心等，必須盡量避免在熱處理時(shí)的蠕變變形，使得該熱處理為無應(yīng)力退火，方可獲得高的磁導(dǎo)率。具體方法是鐵心熱處理時(shí)要處于自由狀態(tài)，包括免除上下相互疊 壓、前后左右相互擠壓、重力導(dǎo)致變形等；關(guān)鍵是避免鐵心與支撐內(nèi)芯間產(chǎn)生張應(yīng)力，應(yīng)留 有足夠的間隙，來釋放1 3%體積收縮產(chǎn)生的應(yīng)力。實(shí)施辦法是鐵心的直徑大于整體支 撐內(nèi)芯直徑的2 % 4 %。對(duì)于內(nèi)徑小于IOOmm的鐵心可以不用支撐內(nèi)芯，以減少內(nèi)芯對(duì)鐵 心產(chǎn)生的應(yīng)力。最主要的是使用本發(fā)明提供的組合式內(nèi)芯，對(duì)于內(nèi)徑r大于100mm，壁薄的 大尺寸鐵心尤其有效。將納米晶軟磁薄帶緊密繞制在本發(fā)明的組合式內(nèi)芯上，這時(shí)組合式 內(nèi)芯的滑動(dòng)角α取值α =45° 75°，同時(shí)組合式內(nèi)芯的端平面要高出鐵心5%-30% r(約8 30mm)以上，由于滑動(dòng)角α比較大，兩個(gè)半芯相互易于滑動(dòng)。隨著退火的進(jìn)行， 鐵心相變時(shí)體積收縮產(chǎn)生的張應(yīng)力擠壓交錯(cuò)放置的兩個(gè)半芯沿滑動(dòng)面滑動(dòng)，減小了組合式 內(nèi)芯的有效直徑，既保持內(nèi)芯對(duì)鐵心的支撐作用，又釋放了相變體積收縮產(chǎn)生的張應(yīng)力。這 樣就獲得高磁導(dǎo)率的鐵心。這是納米晶軟磁合金制造高磁導(dǎo)率互感器鐵心熱處理的關(guān)鍵因 素。半芯滑動(dòng)和釋放應(yīng)力如圖2Β、圖2C所示。4、對(duì)非晶合金使用本發(fā)明的組合式內(nèi)芯，對(duì)鐵心施加徑向應(yīng)力，產(chǎn)生張應(yīng)力，熱處 理獲得蠕變各向異性，調(diào)整鐵心的磁性能。某些非晶合金的熱處理僅僅是去應(yīng)力退火，熱處理不發(fā)生一級(jí)相變，也就沒有體 積變化，這類合金的熱處理大都在晶化溫度Tx以下保溫。大部分的Fe基非晶、Co基非晶、 Fe-Ni基非晶和Fe-Co基非晶都屬于這類合金。過去要想得到單軸各向異性磁性能，主要使 用磁場(chǎng)退火的辦法來獲得感生單軸各向異性。本發(fā)明提出利用熱處理時(shí)對(duì)組合內(nèi)芯軸向施加外力，通過兩個(gè)半芯沿滑移面滑 移，增大內(nèi)芯的有效周長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非晶合金鐵心的張應(yīng)力施加，這種情況下滑動(dòng)角α取值 α = 15° 40°。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明對(duì)鐵心施加張應(yīng)力進(jìn)行熱處理，可以獲得更大的感生各向異性，各向異 性場(chǎng)可以達(dá)到4000Α/Μ，具有寬的恒導(dǎo)磁場(chǎng)范圍。而橫向磁場(chǎng)熱處理的感生各向異性場(chǎng) < 100Α/Μ，遠(yuǎn)小于本發(fā)明。這樣張應(yīng)力熱處理可以得到更加低的磁導(dǎo)率和更大的線性磁導(dǎo) 率磁場(chǎng)強(qiáng)度，最低有效直流磁導(dǎo)率達(dá)到200 2000。2、本發(fā)明獲得的鐵心的磁導(dǎo)率調(diào)整范圍大，直流磁導(dǎo)率200 100000，是其它方 法不具備的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明同時(shí)具有剩磁低的特點(diǎn)，如Br ( 0. 2Τ。3、本發(fā)明對(duì)鐵心施加張應(yīng)力進(jìn)行熱處理，獲得感生各向異性，各向異性場(chǎng)強(qiáng)超過 橫向磁場(chǎng)熱處理后所達(dá)到的各向異性場(chǎng)，獲得扁平磁滯回線不需要施加磁場(chǎng)，可以節(jié)約磁 場(chǎng)電流能耗和簡(jiǎn)化熱處理設(shè)備。4、本發(fā)明提供鐵心可以自施加應(yīng)力，不需要施加外力。對(duì)納米晶軟磁合金來講，相 變產(chǎn)生體積，利用這種收縮效應(yīng)，可以使鐵心在熱處理時(shí)實(shí)現(xiàn)自我施加張應(yīng)力，產(chǎn)生單軸各 向異性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、熱處理裝置簡(jiǎn)單、緊湊并且易于操作。5、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)不同的應(yīng)力施加裝置并施加不同大小的壓力可以在非晶態(tài)合 金鐵心中產(chǎn)生不同大小的應(yīng)力，方便取得所要求各項(xiàng)異性能，來控制鐵心的磁滯回線形狀 和磁導(dǎo)率的大小。比現(xiàn)有技術(shù)用鐵基非晶部分晶化法和切口法可以得到更低的磁導(dǎo)率。


圖IA為本發(fā)明為非晶、納米晶合金鐵心張應(yīng)力熱處理用組合內(nèi)芯的立體圖；圖IB為圖IA的垂直縱截面圖；圖2A為本發(fā)明納米晶合金鐵心自施加張應(yīng)力內(nèi)芯結(jié)構(gòu)單元正視示意圖；圖2B為圖2A的A-A剖面圖，所示兩內(nèi)芯滑動(dòng)和分離后，釋放應(yīng)力狀態(tài)；圖2C為圖2A的A-A剖面圖，所示兩內(nèi)芯貼合及兩個(gè)半內(nèi)芯的滑動(dòng)傾向；圖3為N個(gè)納米晶合金鐵心批量應(yīng)力熱處理時(shí)，鐵心和內(nèi)芯組件的裝配關(guān)系示意 圖，該結(jié)構(gòu)由多個(gè)圖2A所示結(jié)構(gòu)單元組合而成；圖4為非晶合金鐵心退火施加張應(yīng)力示意圖；圖5為非晶合金鐵心無體積變化退火施加張應(yīng)力方法示意圖，該結(jié)構(gòu)由多個(gè)圖4 所示結(jié)構(gòu)單元組合而成；圖6為納米晶Fe73.5CUlNb3Si16.5B6合金在IOOOOe橫向磁場(chǎng)和不同數(shù)值張應(yīng)力作用 下540°C保溫1小時(shí)后的直流磁滯回線。附圖標(biāo)記1、第一半芯；2、第二半芯；3、帶繞鐵心；3-1、鐵心 1 ； 3-2、鐵心 2 ；3-3、鐵心 3 ；...... ； 3-N、鐵心 N ；4、內(nèi)芯；5、鐵心間墊圈;5-1、墊圈 1 ;5_2、墊圈 2 ；...... ；5_(N/2)、墊圈 N/2 ；6、滑動(dòng)面；7、通過組合式內(nèi)芯幾何中心的垂直平面；8、加壓力裝置；F、施加的軸向壓力；α、滑動(dòng)角；9、組合內(nèi)芯的芯軸方向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說明一、提供一種新的非晶或納米晶軟磁合金帶繞鐵心的熱處理方法，熱處理時(shí)對(duì)鐵 心施加張應(yīng)力和/或壓應(yīng)力F。對(duì)一個(gè)物體施加壓應(yīng)力要比施加張應(yīng)力容易，因此本發(fā)明的 一個(gè)主要技術(shù)關(guān)鍵為對(duì)鐵心施加張應(yīng)力的方法或在鐵心中避免產(chǎn)生張應(yīng)力的方法。要求有 相對(duì)低的線性磁導(dǎo)率和低剩磁的鐵心，要通過在帶材長(zhǎng)度方向施加張應(yīng)力來進(jìn)行熱處理； 由于蠕變各向異性與熱處理時(shí)施加的應(yīng)力的大小成正比，這樣就可以通過施加不同大小的 應(yīng)力來獲得較寬的磁導(dǎo)率調(diào)整范圍。對(duì)要求高磁導(dǎo)率的鐵心，熱處理時(shí)就要避免產(chǎn)生應(yīng)力， 尤其要特別關(guān)注有相變體積變化的納米晶軟磁合金帶繞鐵心。二、提供一種可以施加張應(yīng)力的組合內(nèi)芯，該內(nèi)芯在外力的作用下，或不需要外力 可以對(duì)鐵心施加張應(yīng)力進(jìn)行熱處理，進(jìn)而獲得所需要的單軸各向異性來達(dá)到調(diào)整磁性能的 目的。本發(fā)明引入由兩個(gè)半芯構(gòu)成的組合式內(nèi)芯。圖IA為非晶、納米晶合金鐵心張應(yīng)力熱處理用組合內(nèi)芯的立體圖，圖IB為圖IA 的垂直縱截面圖。如圖所示，將一完整環(huán)形體內(nèi)芯沿一切割平面6切割，形成兩個(gè)單獨(dú)的內(nèi) 芯——第一半芯1和第二半芯2。該切割面6通過整體環(huán)形體內(nèi)芯的幾何中心，且與過該幾 何中心并垂直于內(nèi)芯端面的平面7之間形成二面角α，此處稱為滑動(dòng)角?；瑒?dòng)角α合適 范圍為α =3° 75°。合金帶材緊密繞在該組合內(nèi)芯上，在真空或保護(hù)性抗氧化氣氛 下，在晶化溫度以上10-30°C (即340°C 650°C )晶化退火熱處理0. 1 10小時(shí)，該熱處理引起非晶結(jié)構(gòu)向晶態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，帶繞鐵心產(chǎn)生體積收縮和長(zhǎng)度縮短，而內(nèi)芯不收縮，內(nèi) 芯與鐵心的相對(duì)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于內(nèi)芯給鐵心施加張應(yīng)力。保溫和冷卻結(jié)束后，受緊固力的兩個(gè) 半芯(1和2)沿著內(nèi)芯軸向反向分離。之所以取α =3° 75°，是因?yàn)棣撂?極端 情況為α=0° )，內(nèi)芯無法分離；α太大(α大于75° )，內(nèi)芯自滑動(dòng)分開，外徑變小，張 應(yīng)力會(huì)消失，導(dǎo)致鐵心自施加應(yīng)力失敗。圖2Α為本發(fā)明提供的一種納米晶合金鐵心自施加張應(yīng)力內(nèi)芯結(jié)構(gòu)單元正視示意 圖；如圖所示將納米晶合金帶繞鐵心3繞制在組合內(nèi)芯上，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，第一半芯1 與第二半芯2可以在外力的作用下沿滑動(dòng)面分離(如圖2Β所示)與貼合(如圖2C所示)。 多個(gè)這樣的單元疊加后可以采用機(jī)械方法，如螺栓拉緊的方法并在軸向限制各個(gè)半芯的滑 動(dòng)，就形成本發(fā)明的非晶、納米晶鐵心相變自施加張應(yīng)力熱處理裝置(如圖3所示)。這個(gè) 組合內(nèi)芯結(jié)構(gòu)特別適合熱處理時(shí)有非晶結(jié)構(gòu)向納米晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的軟磁合金帶繞鐵心，在熱 處理時(shí)不需要額外施加應(yīng)力。本發(fā)明提供的另一種方案是通過外部施加壓力使鐵心沿帶軸方向產(chǎn)生張應(yīng)力。 特別適合熱處理時(shí)不產(chǎn)生體積收縮的非晶合金鐵心退火熱處理。這個(gè)內(nèi)芯由兩個(gè)半芯構(gòu) 成，兩個(gè)半芯在不受外力時(shí)穩(wěn)定交錯(cuò)放置，受到外力是可以沿滑動(dòng)面滑動(dòng)，滑動(dòng)角α取α =15° 40°，第二半芯2端面高出其上所繞鐵心3端面和第一半芯1端面8 30mm，具 體數(shù)值視鐵心的大小而確定，鐵心直徑越大，高出尺寸越大。參見圖4為非晶合金鐵心退火 施加張應(yīng)力結(jié)構(gòu)單元示意圖；如圖所示，兩個(gè)帶組合內(nèi)芯的鐵心3對(duì)扣，在兩鐵心之間有一 個(gè)金屬墊圈5支撐，組成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元。當(dāng)對(duì)上下兩個(gè)凸出的半內(nèi)芯(即第一半芯1和第 二半芯2)施加壓力時(shí)，兩個(gè)半芯沿滑動(dòng)面相互滑動(dòng)，內(nèi)芯的周長(zhǎng)增大，對(duì)鐵心產(chǎn)生張應(yīng)力。 若干個(gè)上述單元構(gòu)成批量應(yīng)力熱處理裝置，如圖5所示。三、提供一種經(jīng)上述技術(shù)方案獲得的非晶和/或納米晶軟磁合金帶繞鐵心。鐵 心磁性能是直流磁導(dǎo)率μ = 200 100000，損耗值在f = 20KHz, Bm = 0. 5T下， P5720K 彡 40w/kg, 一般在 25 35w/kg，磁導(dǎo)率 μ = μ i+i μ 2，其中μ ！ = 100 30000，μ 2 =200 40000，飽和磁感Bs = 1. 0 1. 7T。該鐵芯的形狀不僅可以是環(huán)形，也可以是矩 形，三角形，跑道形及上述形狀鐵心的不同組合，單只鐵心重量在5g 50000g之間。圖6為在張應(yīng)力處理后鐵心的磁滯回線與無磁場(chǎng)和經(jīng)過橫向磁場(chǎng)熱處理后的靜 態(tài)DC磁滯回線比較?？梢姡瑧?yīng)力熱處理的單軸各向異性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁場(chǎng)熱處理獲得的單軸各 向異性。實(shí)施例1 將成分(原子百分比)Fe73. 5CulNb3Sil6. 5B6的合金用單輥法制成寬20mm，厚25 微米的非晶態(tài)合金，繞制成外徑100mm，內(nèi)徑60mm，高20mm的環(huán)形體鐵心，分別在IOOOOe橫 向磁場(chǎng)和42MPa、90MPa張應(yīng)力作用下，氮?dú)獗Ｗo(hù)540°C保溫1小時(shí)后測(cè)得的直流磁滯回線示 于圖6中。表1為Fe73. 5CulNb3Sil6. 5B6(原子百分比)的合金在氮?dú)獗Ｗo(hù)540°C保溫1 小時(shí)，不同的處理?xiàng)l件測(cè)得的直流有效磁導(dǎo)率。表1、不同處理?xiàng)l件下的直流有效磁導(dǎo)率合金成分(原子百分比)有效直流磁導(dǎo)率附加處理?xiàng)l件Fe73. 5CulNb3Sil6. 5B644200IOOOOe橫向磁場(chǎng)Fe73.5CulNb3Sil6. 5B6240042MPa的張應(yīng)力Fe73. 5CulNb3Sil6. 5B682090MPa的張應(yīng)力實(shí)施例2 將成分(原子百分比)Fe74. 5CuO. 6Nb2. 4Sil3. 5B9的合金用單輥法制成寬10mm， 厚26微米的非晶態(tài)合金，繞制成外徑50mm，內(nèi)徑30mm，高IOmm的環(huán)形體鐵心，分別在無磁 場(chǎng)、IOOOOe橫向磁場(chǎng)和張應(yīng)力作用下，氮?dú)獗Ｗo(hù)560°C保溫0. 5小時(shí)。張應(yīng)力的施加采用圖 1A、圖2A所示組合內(nèi)芯，滑動(dòng)角α =8°，不施加外力，鐵心自施加張應(yīng)力，即鐵心熱處理晶 化后周長(zhǎng)收縮，使鐵心中產(chǎn)生張應(yīng)力。用衰減振蕩瞬態(tài)分析法測(cè)量鐵心高頻磁性能如表2。測(cè)試條件f = 20kHz, Bm = 0. 5T下的磁導(dǎo)率μ、剩磁比及損耗值。其中μ = μ i+i μ 2。表2、Fe74. 5CuO. 6Nb2. 4Sil3. 5B9合金不同處理?xiàng)l件下的高頻磁性能
熱處理附加條件μιμι損 耗 Ρ5/20Κ (KW)剩磁比 Br/Bs自施加張應(yīng)力18402760340.191000 Oe橫向磁場(chǎng)246106720230.16無磁場(chǎng)無應(yīng)力4326023780320.6 實(shí)施例3 將成分為Fe73. 5CulNb3Sil3. 5B9(原子百分比)母合金用單輥法制成35mm寬、 32微米厚的非晶態(tài)合金，分別在本發(fā)明的組合式內(nèi)芯和對(duì)比例一體化內(nèi)芯上繞制成外徑 240mm，內(nèi)徑185mm，高35mm的環(huán)形體鐵心，組合式內(nèi)芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，滑動(dòng)角α =60°， 在真空下560°C保溫1小時(shí)。脫離內(nèi)芯后，在原邊1阻，副邊4阻，原邊中輸入電流，測(cè)量副 邊的感應(yīng)電壓值如表3所示。表3、成分為Fe73. 5CulNb3Sil3. 5B9(原子百分比)合金制造互感器鐵心，因不同
的內(nèi)芯得到不同的輸出電壓值。I(A)為原邊輸入電流，V(mv)為副邊輸出電壓值。
權(quán)利要求
一種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng)力熱處理裝置，包括繞制非晶和/或納米晶合金帶鐵心的組合式內(nèi)芯，其特征在于該裝置包括至少一個(gè)組合式內(nèi)芯，所述組合式內(nèi)芯由互相匹配的第一半芯(1)和第二半芯(2)組成，所述兩個(gè)半芯可沿切割面(6)進(jìn)行滑移，使得該組合式內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)是可調(diào)整的。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)力熱處理裝置，其特征在于所述第一半芯(1)和第二半芯 (2)的接觸面為一個(gè)平面的切割面(6)，所述切割面(6)通過整體內(nèi)芯的幾何中心并與內(nèi)芯 的軸線成一個(gè)滑動(dòng)角α。
3.如權(quán)利要求2所述的應(yīng)力熱處理裝置，其特征在于所述兩個(gè)半芯通過沿切割面(6) 進(jìn)行滑移，使得整個(gè)組合式內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)可以調(diào)整。
4.如權(quán)利要求2所述的應(yīng)力熱處理裝置，其特征在于所述組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為 3° 75°。
5.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)力熱處理裝置，其特征在于在進(jìn)行由非晶轉(zhuǎn)化為納米晶合 金的張應(yīng)力退火時(shí)，該裝置包括一個(gè)或多個(gè)組合式內(nèi)芯，每對(duì)內(nèi)芯的第一半芯和第二半芯 互相固定，其滑動(dòng)角α為3° 10°，使得退火結(jié)束時(shí)順利將鐵心和內(nèi)芯分離。
6.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)力熱處理裝置，其特征在于在進(jìn)行納米晶合金鐵心去應(yīng)力 退火時(shí)，對(duì)于內(nèi)徑大于IOOmm的鐵心，退火開始時(shí)組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為45° 75°， 同時(shí)組合式內(nèi)芯的高度高出鐵心8 30mm以上，使得隨退火產(chǎn)生的張應(yīng)力作用于兩個(gè)半 芯，兩個(gè)半芯受到擠壓沿著切割面(6)滑動(dòng)，內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)減小，以避免相變體積收縮 在鐵心中產(chǎn)生張應(yīng)力。
7.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)力熱處理裝置，其特征在于在進(jìn)行非晶態(tài)合金鐵心消除應(yīng) 力退火時(shí)，將合金薄帶分別繞制在多個(gè)層疊布置的組合式內(nèi)芯上，各個(gè)組合式內(nèi)芯的滑動(dòng) 角α為15° 40°，第一半芯(1)兩兩平面接觸，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)第二半芯(2)的平面互相隔 開，第二半芯(2)端部平面伸出繞制鐵心和第一半芯(1)組成的平面8 30mm，在相鄰兩鐵 心之間有一個(gè)金屬墊圈(5)支撐。
8.一種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng)力熱處理方法，是將所述非晶和/或納米晶鐵心的 合金薄帶繞制在至少一個(gè)組合式內(nèi)芯上，其特征在于熱處理時(shí)通過所述組合式內(nèi)芯與鐵 心的相互作用對(duì)鐵心施加張應(yīng)力或吸收鐵心產(chǎn)生的張應(yīng)力；所述組合式內(nèi)芯由互相匹配的 第一半芯(1)和第二半芯(2)組成，所述兩個(gè)半芯沿切割面(6)可進(jìn)行滑移，使得該組合式 內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)是可調(diào)整的。
9.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)力熱處理方法，其特征在于所述張應(yīng)力的施加，是通過以下 的方法實(shí)現(xiàn)的a)在進(jìn)行由非晶轉(zhuǎn)化為納米晶合金的張應(yīng)力退火時(shí)，將合金薄帶繞制在一個(gè)或多個(gè)組 合式內(nèi)芯上，其中每對(duì)內(nèi)芯的第一半芯和第二半芯互相鎖定，利用相變時(shí)鐵心產(chǎn)生的體積 收縮，內(nèi)芯與鐵心的相互作用實(shí)現(xiàn)內(nèi)芯給鐵心施加張應(yīng)力，其滑動(dòng)角α為3° 10°，使得 退火結(jié)束時(shí)順利將鐵心和內(nèi)芯分離；b)在進(jìn)行非晶態(tài)合金鐵心消除應(yīng)力退火時(shí)，鐵芯無體積收縮，將合金薄帶分別繞制在 多個(gè)層疊布置的組合式內(nèi)芯上，各個(gè)組合式內(nèi)芯的滑動(dòng)角α為15° 40°，兩個(gè)相鄰的第 一半芯(1)端面相互靠緊，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)第二半芯(2)的端平面互相隔開，第二半芯(2)端部 平面伸出繞制鐵心的端平面8 30mm，在相鄰兩鐵心之間有一個(gè)金屬墊圈(5)支撐。
10.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)力熱處理方法，其特征在于在退火時(shí)對(duì)鐵心的上下端面施 加軸向壓力F。
11.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)力熱處理方法，其特征在于所述張應(yīng)力的吸收，是對(duì)納米 晶合金鐵心進(jìn)行無應(yīng)力退火時(shí)，對(duì)于內(nèi)徑大于IOOmm的鐵心，退火開始時(shí)組合式內(nèi)芯的有 效外周長(zhǎng)大于該內(nèi)芯原始周長(zhǎng)的2% 4%，滑動(dòng)角α為45° 75°，同時(shí)組合式內(nèi)芯一 個(gè)半芯端面高出鐵心端面8 30mm以上，使得隨著退火產(chǎn)生的張應(yīng)力作用于兩個(gè)半芯，兩 個(gè)半芯受到擠壓沿著切割面(6)滑動(dòng)，內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)減小，避免相變體積收縮產(chǎn)生的 張應(yīng)力。
12.如權(quán)利要求8所述的應(yīng)力熱處理方法，其特征在于經(jīng)該應(yīng)力熱處理后的鐵心具有 直流磁性能是直流磁導(dǎo)率μ = 200 100000，飽和磁感Bs = 1. 0 1. 7Τ ；具有的交流磁 性能是在f = 20KHz, Bm = 0. 5T下，損耗值P5/20K彡40w/kg, 一般在25 35w/kg,磁導(dǎo)率 μ = μ !+i μ 2,其中μ 丄=100 30000，μ 2 = 200 40000。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非晶和/或納米晶鐵心的應(yīng)力熱處理裝置及方法，該裝置包括至少一個(gè)繞制非晶和/或納米晶合金帶鐵心的組合式內(nèi)芯，所述組合式內(nèi)芯由互相匹配的第一半芯(1)和第二半芯(2)組成，所述兩個(gè)半芯可沿切割面(6)進(jìn)行滑移，使得該組合式內(nèi)芯的有效外周長(zhǎng)是可調(diào)整的。在熱處理時(shí)可以通過外力來施加張應(yīng)力，也可以利用非晶相向納米晶相轉(zhuǎn)變的相變體積收縮產(chǎn)生應(yīng)力使納米晶合金鐵心自施加應(yīng)力，產(chǎn)生蠕變單軸各項(xiàng)異性并得到扁平的磁滯回線；通過調(diào)整不同的滑動(dòng)角α分別滿足納米晶合金、非晶合金鐵心的熱處理工藝要求并獲得相應(yīng)的磁性能。本發(fā)明具有簡(jiǎn)單、節(jié)能、熱處理設(shè)備簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C21D8/12GK101956052SQ20101029949
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者王立軍 申請(qǐng)人:安泰科技股份有限公司