一種納米晶軟磁合金帶材預(yù)處理系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米晶合金的熱處理技術(shù)，特別涉及一種納米晶軟磁合金帶材預(yù)處理系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱處理是指材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和物理化學(xué)性能的加工工藝。熱處理可以對(duì)材料的缺陷、應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)、形貌等都產(chǎn)生重要影響，是材料研究、加工中最常用到的工藝。隨著熱處理技術(shù)的進(jìn)步，熱處理的定義范圍擴(kuò)大，熱處理過(guò)程中需要控制的參量不斷增加，熱處理工藝過(guò)程日趨復(fù)雜，如復(fù)合調(diào)整升溫速度、降溫速度、保溫時(shí)間等。根據(jù)熱處理的工藝參數(shù)要求，設(shè)計(jì)熱處理裝置，對(duì)樣品在不同形態(tài)下進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，逐步進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)最終性能的優(yōu)化，是當(dāng)前熱處理工藝的最新發(fā)展，受到越來(lái)越多的關(guān)注。
[0003]非晶晶化法制備的納米晶軟磁材料具有磁感應(yīng)強(qiáng)度高、損耗低、磁導(dǎo)率高、電阻率高、抗腐蝕性強(qiáng)等性能優(yōu)勢(shì)，以及噴帶一次成型，工藝流程短、耗能少的生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)生產(chǎn)和應(yīng)用雙節(jié)能的綠色材料。近幾年出現(xiàn)的Fe(Si，B, P, C)Cu系高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(BS)、高磁導(dǎo)率(μ)、低損耗(P)和低磁致伸縮系數(shù)(λ)等性能優(yōu)點(diǎn)，是變壓器和電機(jī)等能源傳輸和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用的理想軟磁材料。研究、發(fā)展、生產(chǎn)和應(yīng)用性能優(yōu)異的新型納米晶軟磁材料，對(duì)發(fā)展我國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義，其應(yīng)用可促進(jìn)現(xiàn)代電力電子產(chǎn)品向節(jié)能、高效、小型化和安靜化方向發(fā)展。
[0004]當(dāng)前高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的納米晶軟磁合金的生產(chǎn)和應(yīng)用存在的最關(guān)鍵障礙是納米晶化過(guò)程需要使用快速加熱工藝。Ohta和Makino等的研究均表明，納米晶合金的磁性能受帶材中的晶核密度和加熱速度的影響極大。高密度的晶核同步長(zhǎng)大并相互競(jìng)爭(zhēng)是Fe(Si, B, P, C)Cu系列納米晶合金細(xì)化晶粒和獲得高結(jié)晶度的本源。在帶材中形成高密度的晶核是高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的Fe (Si, B, P, C) Cu系列合金降低納米晶化熱處理?xiàng)l件，獲得優(yōu)異磁性能的關(guān)鍵。在納米晶化熱處理過(guò)程中采用高加熱速度是另一種提高Fe (Si, B, P, C)Cu系列合金晶核密度和磁性能的常用手段。但是這種方法僅適用于帶材和極小尺寸的磁芯上。為了降低脆性和應(yīng)力敏感性影響，帶材通常都先做成磁芯然后進(jìn)行熱處理，稍大尺寸的磁芯就難以實(shí)現(xiàn)快速加熱熱處理，內(nèi)外層不均勻的加熱速度也不利于獲得均勻的磁性能。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?01510259827.9的中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)公布了一種納米晶合金的熱處理方法，該方法在非晶晶化法制備納米晶合金材料時(shí)，將熱處理過(guò)程分為兩步，第一步利用非晶合金帶材高導(dǎo)熱率和低熱容的特點(diǎn)，進(jìn)行快速升溫和短時(shí)間保溫的預(yù)熱處理，激發(fā)帶材中形成高密度和均勻分布的晶核，然后在第二步的常規(guī)納米晶化熱處理中，使高密度晶粒同步生長(zhǎng)，利用晶粒間的競(jìng)爭(zhēng)作用促進(jìn)晶粒細(xì)化。與現(xiàn)有的熱處理方法相比，該方法分開控制非晶晶化的形核和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，提高了晶粒密度與結(jié)晶度、提高了晶粒尺寸與分布的均勻性，并且細(xì)化了晶粒，從而提高了合金的性能。然而，該方法的第一步需要的快速加熱、快速冷卻和短時(shí)間保溫控制方式要求在現(xiàn)有熱處理裝置中難以滿足，現(xiàn)有熱處理裝置如管式爐、箱式爐、馬弗爐等裝置具有加熱面積大、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，僅適用于大批量處理常規(guī)樣品。此外，這些設(shè)備的升溫速度受熱傳導(dǎo)方式和樣品熱容負(fù)載大的限制，難以實(shí)現(xiàn)快速升溫，升溫過(guò)程和降溫過(guò)程通常都需要幾分鐘甚至幾十分鐘，無(wú)法實(shí)現(xiàn)短時(shí)間快速熱處理的精確控制要求。
[0006]目前常用的可快速升溫的熱處理爐的加熱方式，即輻射加熱源有紅外光、激光、感應(yīng)電流、通電焦耳熱等(A.1.Taub, A new method for stress relievingamorphous-alloys to improve magnetic-properties.1EEE Trans Magn.1984 ；20:564-70.)。輻射加熱源對(duì)樣品的加熱受樣品表面光滑度影響，表面反光的樣品溫度誤差大。紅外光加熱的方法可實(shí)現(xiàn)較快的加熱速度，升溫速度可達(dá)103°C /s以上，但是由于紅外加熱器和測(cè)溫?zé)犭娕嫉臋z測(cè)和反饋時(shí)間差，紅外加熱爐難以實(shí)現(xiàn)高精度控溫，通常加熱速度越快，溫度過(guò)沖幅度越大。另外，紅外加熱過(guò)沖中樣品和爐體同時(shí)受熱，樣品在腔內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)快速冷卻，導(dǎo)致熱處理時(shí)間誤差較大，難以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間快速的熱處理；激光熱處理可以實(shí)現(xiàn)快速加熱和快速冷卻，也便于精確控制處理時(shí)間。但是激光熱處理的區(qū)域受激光束的尺寸限制，掃描平面的方式可以實(shí)現(xiàn)大面積熱處理，但是效率低，使用成本也高。感應(yīng)電流和通電焦耳熱加熱(A.R.Yavari et al.Rapid annealing of Fe-S1-B amorphous tapesby joule heating-effects on magnetic and mechanical-properties.J Magn MagnMater.1987 ；69:43-52.)的方式很早已經(jīng)有人研究，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)也都存在嚴(yán)重的溫度過(guò)沖和控溫精度低等問(wèn)題，適用性受到限制。
[0007]對(duì)于升降溫速度和溫度控制精度高的熱處理，上述設(shè)備已無(wú)法滿足要求，非常有必要開發(fā)新的提高晶核密度的方法。申請(qǐng)?zhí)枮?01510483080.5的中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)中公開了一直快速升溫的熱處理爐，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)部件和定位件驅(qū)動(dòng)部件使樣品進(jìn)入熱源，進(jìn)行直接接觸加熱，熱源采用加熱面相對(duì)布置的兩塊平行加熱板。該裝置采用兩塊加熱板對(duì)樣品進(jìn)行雙面同步接觸加熱，利用薄帶樣品的小熱容和高熱導(dǎo)率，通過(guò)直接接觸的方式實(shí)現(xiàn)超高升降溫速度和熱處理時(shí)間的精確控制，并且可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)降溫速度，具有升降溫速度快，操作方便，溫度和時(shí)間控制精度高，適用于高導(dǎo)熱率和小熱容的薄帶、薄膜和粉末樣品熱處理。然而，該方法僅適合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材料研究，不能滿足大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的要求。
[0008]授權(quán)公告號(hào)201080061863.X的專利文獻(xiàn)公開了一種連續(xù)處理非晶態(tài)合金帶的系統(tǒng)和方法，可在不導(dǎo)致帶材變脆的情況下改善磁性能，同時(shí)該方法采用加熱棍輪接觸加熱的方式，可實(shí)現(xiàn)大于103°C /s的升降溫速度。然而，我們很容易發(fā)現(xiàn)，該方法中的在線退火的系統(tǒng)的示意圖與1984年發(fā)表的文章(J Magn Magn Mater.1987 ；69:43-52.)中的系統(tǒng)等基本一樣，都有供帶輪、引導(dǎo)輪、收帶輪、加熱和冷卻單元等部件。兩種系統(tǒng)的唯一不同是申請(qǐng)?zhí)枮?01080061863.X的專利文獻(xiàn)中改用了加熱輥加熱方式。由于該專利的目的是對(duì)非晶合金進(jìn)行去應(yīng)力退火和拉應(yīng)力提高磁各向異性能，沒有考慮帶材帶材單面貼輥的截面溫度梯度對(duì)晶化形核和長(zhǎng)大的影響。此外，該方法中為了獲得磁芯加工所需的特定彎曲半徑，輥輪的尺寸、配合方式以及棍速都已限定，不能加工出平直的帶材。由于在非晶合金帶材中晶核形成的速度和密度受溫度影響極大，該裝置和方法不能滿足要求。
[0009]ffaeckerle等在專利號(hào)為US2008/0196795的美國(guó)專利文獻(xiàn)中公開了一種納米晶合金帶材退火裝置，退火過(guò)程中帶材在縱向拉伸應(yīng)力的牽引下以0.lm/s的速度通過(guò)隧道爐，實(shí)現(xiàn)納米晶化并可保持帶材具有較好的韌性。然而該方法依然采用輻射傳熱的方式，升溫和降溫速度都比較慢，不能達(dá)到預(yù)制晶核的要求。