一种低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯的热处理方法

摘要

本发明公开了一种低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯的热处理方法，其特征在于：取铁基纳米晶带材绕制成占空系数≥75%的铁芯，在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对上述铁芯进行第一次热处理，第一次热处理采用三段保温法，将经第一次热处理后的铁芯在20kHz、0.5T的条件下进行铁芯损耗测试，损耗≤22W/kg的为一类铁芯，损耗＞22W/kg的为二类铁芯，对上述两类铁芯分别进行第二次热处理。经过第二次热处理后的铁芯即为低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯。这是一种使用批量生产相对较厚的普通铁基纳米晶带材也能够制备出满足用户要求的中高频变压器磁芯,而且合格率比现有方法有较大的提高的热处理方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热处理方法，特别是一种低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯的热处理方法。

背景技术

传统的中高频变压器铁芯一般是由硅钢片或铁氧体制作的，一般在1-8kHz的中频范围，多用硅钢片铁芯，可以发挥其饱和磁感应强度很高、磁导率比较高、居里温度高、良好的温度稳定性和对应力不敏感的特性。在8-50kHz的高频率范围，则多用铁氧体磁芯，可以发挥其高频损耗低、高频下磁导率比硅钢片高、 对应力不敏感的特性。适合于大批量开模生产。但是硅钢片在频率升高后损耗急剧增大。无法用于频率逐步升高的现代中高频变压器铁芯制作。铁氧体磁芯的饱和磁感应强度很低，做大功率变压器磁芯成本高，居里温度很低，温度稳定性差。进入二十世纪以来，新出现的铁基纳米晶低剩磁铁芯由于饱和磁感应强度达到铁氧体磁芯的2倍以上，磁导率远高于铁氧体磁芯和硅钢片铁芯，高频损耗远低于铁氧体磁芯和硅钢片铁芯，所以铁基纳米晶低剩磁铁芯成为中高频变压器磁芯的首选。

铁基纳米晶铁芯是由铁、硅、硼、铌、铜等合金元素在真空下制成母合金，然后通过速凝制带法制成厚度为20-40μm的薄带，通过卷绕使外形尺寸和重量满足铁芯的相应要求，然后在真空或氮气和氩气等保护气氛下进行横磁场热处理，以实现其高饱和磁感应强度，高磁导率，低损耗特性，从而满足中高频变压器铁芯的需求。

理论上带材厚度越薄、尺寸偏差越小，就越适合于制作中高频变压器铁芯。但实际上由于制带技术的限制，大批量生产厚度＜23μm且厚度偏差＜±2μm的带材技术难度很大，即使有少量产品，成本也非常高，无法满足用户的性价比要求。实际批量生产的带材一般厚度为27±4μm。

用厚度为27±4μm带材通过普通的在真空或氮气和氩气等保护气氛下进行横磁场热处理时，由于带材厚度波动范围比较大，在热处理时放热量和冲温值波动比较大，导致热处理后的铁芯磁性能指标波动范围非常大，铁芯的合格率不稳定，平均值不高。同时由于带材厚度波动的规律不明显，也无法在热处理之前对铁芯进行筛选分类。这样就导致了铁芯产品热处理后磁性能指标不稳定，铁芯的产品合格率低，经济指标不好等问题。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种使用批量生产相对较厚的普通铁基纳米晶带材也能够制备出满足用户要求的中高频变压器磁芯,而且合格率比现有方法有较大的提高的热处理方法。

本发明的技术解决方案是：一种低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯的热处理方法，其特征在于：取铁基纳米晶带材绕制成占空系数≥75%的铁芯，在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对上述铁芯进行第一次热处理，第一次热处理采用三段保温法，其中第一段温度为300-350℃，保温时间为20-40min，第二段温度为450-470℃，保温时间为40-60min，第三段温度为530-540℃，保温时间为40-60min，然后让铁芯在30-60min内随炉冷却到室温至300℃，

将经第一次热处理后的铁芯在20kHz、0.5T的条件下进行铁芯损耗测试，损耗≤22W/kg的为一类铁芯，损耗＞22W/kg的为二类铁芯，

在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对一类铁芯进行第二次热处理，第二次热处理采用两段保温法，第一段温度为450-470℃，保温时间为30-40min，第二段温度为570-590℃，保温时间70-90min，然后让铁芯在30-60min内随炉冷却到室温至300℃，且从铁芯开始第二次热处理起施加电流为400-450A的横磁场，持续时间至少为40min，至多至第二次热处理结束，

在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对二类铁芯进行第二次热处理，第二次热处理采用两段保温法，第一段温度为450-470℃，保温时间为30-40min，第二段温度为590-610℃，保温时间70-90min，然后让铁芯在30-60min内随炉冷却到室温至300℃，且从铁芯开始第二次热处理起施加电流为400-450A的横磁场，持续时间至少为40min，至多至第二次热处理结束，

经过第二次热处理后的铁芯即为低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯。

所述的铁基纳米晶带材的厚度为27±4μm。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

采用本申请所公开的方法对变压器铁芯进行热处理，能够让相对较厚的铁基纳米晶带材（27±4μm）获得磁性能指标稳定的特点，同时相比于传统的热处理方法，该方法处理后的铁芯的产品合格率也较高。这种方法的出现，让能够进行工业化大批量生产的27±4μm的带材的各项性能得到提高，可以作为中高频变压器的磁芯使用，降低了企业的生产成本，提高产品的性价比。

附图说明

图1为本发明的两步法中第一次的普通热处理工艺曲线。

图2为本发明的两步法中第一类铁芯第二次的热处理工艺曲线。

图3为本发明的两步法中第二类铁芯第二次的热处理工艺曲线。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1至图3所示：

使用批量生产的厚度为27±4μm的铁基纳米晶带材，按照所需的外形尺寸和重量绕制成铁芯，该铁芯的占空系数≥75%。将卷绕合格的铁芯在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对上述铁芯进行第一次热处理，第一次热处理采用三段保温法，其中第一段温度为300-350℃，保温时间为20-40min，第二段温度为450-470℃，保温时间为40-60min，第三段温度为530-540℃，保温时间为40-60min，然后让铁芯在30-60min内随炉冷却到室温至300℃，第一次热处理完成。

将经第一次热处理后的铁芯在20kHz、0.5T的条件下进行铁芯损耗测试，损耗≤22W/kg的为一类铁芯，损耗＞22W/kg的为二类铁芯。

在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对一类铁芯进行第二次热处理，第二次热处理采用两段保温法，第一段温度为450-470℃，保温时间为30-40min，第二段温度为570-590℃，保温时间70-90min，然后让铁芯在30-60min内随炉冷却到室温至300℃，且从铁芯开始第二次热处理起施加电流为400-450A的横磁场，持续时间至少为40min，至多至第二次热处理结束，

在氮气或氩气保护气氛或真空环境下对二类铁芯进行第二次热处理，第二次热处理采用两段保温法，第一段温度为450-470℃，保温时间为30-40min，第二段温度为590-610℃，保温时间70-90min，然后让铁芯在30-60min内随炉冷却到室温至300℃，且从铁芯开始第二次热处理起施加电流为400-450A的横磁场，持续时间至少为40min，至多至第二次热处理结束，

经过第二次热处理后的铁芯即为低损耗中高频铁基纳米晶变压器铁芯。

经过上述热处理工艺后的铁芯，其中性能为20kHz，0.5T下损耗≤19W/kg，剩磁≤0.2T的磁芯可以满足在8-50kHz高频范围下，较高要求的变压器磁芯需求或在1-8kHz中频范围下变压器磁芯需求；

性能为20kHz，0.5T下损耗＞19W/kg且≤25W/kg，剩磁＞0.2T且≤0.25T的磁芯可以满足在8-50kHz高频范围下，普通要求的变压器磁芯需求或在1-8kHz中频范围下变压器磁芯需求。

一类铁芯按上述工艺进行第二次热处理后的磁性能及比例如下表1所示

铁芯规格:mm 内径*外径*高度铁芯重量: g20kHz,0.5T下损耗≤19W/kg, 剩磁≤0.2T的铁芯比例:%20kHz,0.5T下损耗＞19W且≤25W/kg剩磁＞0.2T且≤0.25T的铁芯比例:%磁性能不合格报废铁芯比例:%40-64-20210908250-80-25415898360-105-3094586104

二类铁芯按上述工艺进行第二次热处理后的磁性能及比例如下表2所示

铁芯规格:mm 内径*外径*高度铁芯重量: g20kHz,0.5T下损耗≤19W/kg, 剩磁≤0.2T的铁芯比例:%20kHz,0.5T下损耗＞19W且≤25W/kg,剩磁＞0.2T且≤0.25T的铁芯比例:%磁性能不合格报废铁芯比例:%40-64-202102077350-80-254151778560-105-3094516804

没有采取本申请的热处理方法进行热处理，而是采用传统的一步法加横磁场热处理工艺下磁性能可以达的磁芯的百分比如下表3所示

铁芯规格:mm 内径*外径*高度铁芯重量: g20kHz,0.5T下损耗≤19W/kg, 剩磁≤0.2T的铁芯比例:%20kHz,0.5T下损耗＞19W且≤25W/kg,剩磁＞0.2T且≤0.25T的铁芯比例:%磁性能不合格报废铁芯比例:%40-64-2021030502050-80-2541528492360-105-30945255025

采取本申请的步骤进行热处理，最终磁性能可以达到满足较高和普通要求的磁芯的百分比如下表4所示

铁芯规格:mm 内径*外径*高度铁芯重量: g20kHz,0.5T下损耗≤19W/kg, 剩磁≤0.2T的铁芯比例:%20kHz,0.5T  下损耗＞19W且≤25W/kg,剩磁＞0.2T且≤0.25T的铁芯比例:%磁性能不合格报废铁芯比例:%40-64-202104553250-80-254154256260-105-3094540555

综合以上，同样的带材采用本申请的两步法热处理方法比传统的采用一步法处理可以提高铁芯的合格率如下表5所示

铁芯规格:mm 内径*外径*高度铁芯重量: g20kHz,0.5T下损耗≤19W/kg, 剩磁≤0.2T的铁芯比例提高:%20kHz,0.5T下损耗＞19W且≤25W/kg,剩磁＞0.2T且≤0.25T的铁芯比例提高:%磁性能不合格报废铁芯比例改变:%40-64-20210153-1850-80-25415167-2160-105-30945155-20