低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法

摘要

本发明涉及一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，属于非晶纳米晶产业领域，它包括以下步骤：A、将硅钢片边角料分批次加至非真空感应炉中熔化，加普通玻璃碎渣，当熔融玻璃中溶解金属氧化物时形成渣料，去渣、加玻璃碎渣以除杂，B、添加铜、硅、硼、铌和钨,熔化后加普通玻璃碎渣，去渣、加玻璃碎渣以除杂，C、继续加热至1390～1420℃，倾炉喷带，得到非晶纳米晶合金带材；D、分步等温加热，再迅速冷却至室温，得到高导磁非晶纳米晶合金带材；本发明方法投入成本低，生产加工简单，节能环保，制备的高导磁非晶纳米晶合金带材相对导磁率达44万以上，导磁性能更加稳定，即使(Si+B)含量的发生波动，也不会出现很大波动。

说明书

技术领域

本发明涉及非晶纳米晶产业领域，尤其涉及一种非晶纳米晶带材的生产方法。

背景技术

1988年日本日立金属株式会社的吉沢克仁发现在Fe、Si、B非晶合金的基体中加入一定量的Nb和Cu制成的非晶带，经适当的温度晶化退火，可获得一种高导磁、性能优异的具有超细晶粒(纳米级)的软磁合金，其典型成分为：Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉（at％），该合金国内称之为1K107。

1K107合金的产业化生产方法为先把原材料如纯铁、铌铁、硼铁、工业硅和电解铜按配比装入真空感应炉中熔化，铸成母合金，再把母合金装入非真空感应炉中在大气中重熔，当合金料液温度达到1380～1410℃时，通过喷嘴注到以每秒20～30米的线速度转动的冷却铜辊上，以106℃/S的速度冷却制成20～35μm的非晶带。

由于1K107具有高导磁、损耗小的特点，其用途广泛，如电力电流互感器、仪器仪表精密电流/电压互感器、零序电流互感器、噪声抑制器、激光电源、加速器用脉冲功率磁性部件等。目前国内该合金年生产量达5000～6000吨。

FeCuNbSiB高导磁非晶纳米晶合金中Fe是铁磁性元素，它的含量决定合金饱和磁化强度Bs的大小；其中Cu、Nb是细化晶粒的元素，Si、B是非晶化元素，如果Si+B较少就不容易形成非晶。实践表明，在1K107中，如果Si+B＜22.5％，非晶带中很容易出现晶化相，将会明显地影响合金的磁性能。如上所述的非晶合金带在应用时，要经过晶化退火形成纳米晶，才能具有良好的导磁性能，据统计(Si+B)1％的变化将影响其晶化温度5～10℃的变化，所以合金中Si、B的波动对合金的应用性能影响很大,磁性能也会出现很大的波动，给带材的使用单位造成了、极大的困难，甚至造成较大的经济损失，这也是1K107生产厂一直感到困惑的问题。

Si、B是易氧化元素。如上所述，因喷制非晶带必须在大气下进行，而且1K107合金在1200～1400℃的液态下要停留一段时间，以使成分均匀化，所以Si、B的氧化不可避免，这是导致合金中Si、B波动，以至使合金磁性能波动的主要原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，其投入成本低，生产加工简单，有效保证非晶带中(Si+B)含量稳定，并且生产的非晶纳米晶合金带材磁性能更高并且更加稳定。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，它包括以下步骤：

A、硅钢熔化液除杂

以重量份计，先将100份硅钢片边角料分批次添加至非真空感应炉中加热熔化，得到硅钢熔化液，然后在硅钢熔化液表面覆盖添加0.24～0.36份普通玻璃碎渣，使硅钢熔化液与空气隔离；继续加热至普通玻璃碎渣熔化，即得到熔融玻璃，并悬浮在硅钢熔化液表面；当熔融玻璃中溶解有金属氧化物时会形成渣料，清理去除渣料，同时继续在硅钢熔化液表面覆盖添加0.14～0.28份普通玻璃碎渣，并重复进行清理去除渣料和覆盖添加普通玻璃碎渣的操作，直至硅钢熔化液表面不再出现金属氧化物，即得到除杂硅钢熔化液；

B、添加辅料并除杂

以重量份计，向步骤A得到的除杂硅钢熔化液中分别添加1.2～1.4份铜、5.5～6.5份硅、5.4～5.8份硼、3.2～3.8份铌和1.2～2.4份钨,继续加热至辅料全部融化，即得到合金熔化液；然后继续在合金熔化液表面覆盖添加0.14～0.28份普通玻璃碎渣，继续加热至普通玻璃碎渣熔化，当合金熔化液表面出现含金属氧化物的渣料时，清理去除渣料，并重复覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作，直至合金熔化液表面不再出现金属氧化物，制备出非晶合金熔化液，并保证铁、硅、硼的质量分数分别为80%～84%、7.8%～8.8%、4.8%～5.4%；

C、合金带材喷制

将步骤B得到的非晶合金熔化液继续加热至1390～1420℃，然后启动喷带机，倾炉喷带，制备出晶粒尺寸为9～15nm的非晶纳米晶合金带材；

D、分步等温加热再退火

将步骤C得到的非晶纳米晶合金带材放置于等温加热炉中，先在400～480℃的条件下等温加热40～80min，再在490～570℃的条件下等温加热35～75min，最后迅速冷却至室温，制备出晶粒尺寸为1～5nm的高导磁非晶纳米晶合金带材。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法投入成本低，生产加工简单，硅钢边角料和普通玻璃碎渣来源广泛，成本不高，可有效实现废物再利用，充分利用资源，节能环保；硅钢边角料可以采用电机制作剩余的边角料，既可以降低原料铁的成本，又可以减少后续操作中硅的补充添加量；普通玻璃在熔融时可以在硅钢熔化液和合金熔化液表面形成连续网络结构并且黏度很大的粘稠状物质，既可以使熔化液和空气隔离，减少硅和硼的氧化，保证合金成分稳定，有效保证非晶带中(Si+B)含量稳定，又可以不断沾去熔化液中的氧化物而形成渣料，排渣后可有效减少熔化液中的杂质；补充添加的铜、硅、硼、铌、钨均采用纯度较高的单质产品，可有效保证合金熔化液的纯度，尽量避免杂质掺入，并可减少铁、硅、硼的烧损；而先在合金熔化液中添加铜、铌和钨后加热至晶化温度后喷带退火，制备非晶纳米晶合金带材，再经分步等温退火操作处理，可进一步促进晶化，制备高导磁非晶纳米晶合金带材，其相对导磁率达44万以上，磁性能更高并且更加稳定，即使(Si+B)含量的发生波动，非晶纳米晶合金带材也不会出现很大波动。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

作为本发明的一种优选实施方式，在步骤A中，将所述硅钢片边角料破碎至8cm³以下后，再分批次添加至非真空感应炉中加热熔化。

采用上述优选方案的有益效果是：

既能使硅钢片边角料更加容易熔化，节省能源，又能有效防止硅钢片因快速加热而发生炸裂，影响硅钢熔化液质量。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A中，所述硅钢片边角料中硅的质量分数为3.5%～4.5%。

采用上述优选方案的有益效果是：

可以减少后续操作中硅的补充添加量，节省时间，提高生产效率。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A和步骤B中，所述普通玻璃碎渣的化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂。

采用上述优选方案的有益效果是：

不但价格低廉，来源广泛，而且玻璃造渣效果更好，去除金属氧化物等杂质效果更加显著，既能有效保证合金成分稳定，特别是 Si、B 含量，也能减少Si、B的氧化。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A和步骤B中，将所述普通玻璃碎渣破碎至5cm³以下后使用。

采用上述优选方案的有益效果是：

既能使玻璃碎渣更加容易熔化，节省能源，又能有效防止玻璃片因快速加热而发生炸裂，影响硅钢熔化液及合金熔化液的质量。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A和步骤B中，清理去除渣料的方法为使用硅钢刮板将渣料刮走。

采用上述优选方案的有益效果是：

既能更加有效的去除金属氧化物等杂质，又不会影响硅钢熔化液和合金熔化液的质量，保证硅钢熔化液和合金熔化液的成分稳定。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A和步骤B中，清理去除渣料的同时覆盖添加普通玻璃碎渣。

采用上述优选方案的有益效果是：

既能节省时间，提高生产效率，又能更加充分迅速得将硅钢熔化液和合金熔化液与空气隔绝，有效减缓氧化。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤B中，铜为铜粉，硅为硅粉，硼为硼粉，铌为铌粉，钨为钨粉。

采用上述优选方案的有益效果是：

补充添加的铜、硅、硼、铌、钨均采用纯度较高的粉末状单质产品，可更加有效得保证合金熔化液的纯度，避免杂质掺入，减少铁、硅、硼的烧损。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤B中，控制所述非晶合金熔化液中铝的质量分数大于0.01％、小于0.05％。

采用上述优选方案的有益效果是：

更加适宜喷带机进行喷带，从而得到满足要求的合金带材。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤C中，所述非晶纳米晶合金带材的厚度为0.02～0.04mm、宽度为8～60mm。

采用上述优选方案的有益效果是：

非晶纳米晶合金带材采用此厚度和宽度用作导磁元件的制作，可使其厚高比更大，导磁性能更好更稳定。

下面对本发明的较佳实施方式做进一步详细说明。

一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，它包括以下步骤：

A、硅钢熔化液除杂

以重量份计，先将100份硅质量分数为3.5%～4.5%的硅钢片边角料破碎至8cm³以下，再分批次添加至非真空感应炉中加热熔化，得到硅钢熔化液，然后在硅钢熔化液表面覆盖添加0.24～0.36份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），使硅钢熔化液与空气隔离；继续加热至普通玻璃碎渣熔化，即得到熔融玻璃，并悬浮在硅钢熔化液表面；当熔融玻璃中溶解有金属氧化物时会形成渣料，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），同时继续在硅钢熔化液表面覆盖添加0.14～0.28份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），并重复进行清理去除渣料和覆盖添加普通玻璃碎渣的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至硅钢熔化液表面不再出现金属氧化物，即得到除杂硅钢熔化液；

B、添加辅料并除杂

以重量份计，向步骤A得到的除杂硅钢熔化液中分别添加1.2～1.4份铜粉、5.5～6.5份硅粉、5.4～5.8份硼粉、3.2～3.8份铌粉和1.2～2.4份钨粉,继续加热至辅料全部融化，即得到合金熔化液；然后继续在合金熔化液表面覆盖添加0.14～0.28份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），继续加热至普通玻璃碎渣熔化，当合金熔化液表面出现含金属氧化物的渣料时，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），并重复覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至合金熔化液表面不再出现金属氧化物，制备出非晶合金熔化液，并控制铁、硅、硼的质量分数分别为80%～84%、7.8%～8.8%、4.8%～5.4%，且控制铝的质量分数大于0.01％、小于0.05％；

C、合金带材喷制

将步骤B得到的非晶合金熔化液继续加热至1390～1420℃，然后启动喷带机，倾炉喷带，制备出厚度为0.02～0.04mm、宽度为8～60mm、晶粒尺寸为9～15nm的非晶纳米晶合金带材，其中,9～11nm的晶粒占比达80%以上；

D、分步等温加热再退火

将步骤C得到的非晶纳米晶合金带材放置于等温加热炉中，先在400～480℃的条件下等温加热40～80min，再在490～570℃的条件下等温加热35～75min，最后迅速冷却至室温，制备出晶粒尺寸为1～5nm的高导磁非晶纳米晶合金带材，其中1～3nm的晶粒占比达70%以上，其相对导磁率达44万以上，且导磁性能稳定，不会随硅、硼含量的轻微波动而发生大的变化。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，它包括以下步骤：

A、硅钢熔化液除杂

以重量份计，先将100份硅质量分数为4%的硅钢片边角料破碎至8cm³以下，再分批次添加至非真空感应炉中加热熔化，得到硅钢熔化液，然后在硅钢熔化液表面覆盖添加0.3份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），使硅钢熔化液与空气隔离；继续加热至普通玻璃碎渣熔化，即得到熔融玻璃，并悬浮在硅钢熔化液表面；当熔融玻璃中溶解有金属氧化物时会形成渣料，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），同时继续在硅钢熔化液表面覆盖添加0.21份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），并重复进行清理去除渣料和覆盖添加普通玻璃碎渣的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至硅钢熔化液表面不再出现金属氧化物，即得到除杂硅钢熔化液；

B、添加辅料并除杂

以重量份计，向步骤A得到的除杂硅钢熔化液中分别添加1.3份铜粉、6份硅粉、5.6份硼粉、3.5份铌粉和1.8份钨粉,继续加热至辅料全部融化，即得到合金熔化液；然后继续在合金熔化液表面覆盖添加0.21份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），继续加热至普通玻璃碎渣熔化，当合金熔化液表面出现含金属氧化物的渣料时，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），并重复覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至合金熔化液表面不再出现金属氧化物，制备出非晶合金熔化液，并控制铁、硅、硼的质量分数分别为82%、8%、5.1%，且控制铝的质量分数大于0.01％、小于0.05％；

C、合金带材喷制

将步骤B得到的非晶合金熔化液继续加热至1405℃，然后启动喷带机，倾炉喷带，制备出厚度为0.03mm、宽度为8mm、晶粒尺寸为9～15nm的非晶纳米晶合金带材，其中9～11nm的晶粒占比达90%；

D、分步等温加热再退火

将步骤C得到的非晶纳米晶合金带材放置于等温加热炉中，先在440℃的条件下等温加热60min，再在530℃的条件下等温加热55min，最后迅速冷却至室温，制备出晶粒尺寸为1～5nm的高导磁非晶纳米晶合金带材，其中1～3nm的晶粒占比达80%，其相对导磁率达46万，且导磁性能稳定，不会随硅、硼含量的轻微波动而发生大的变化。

实施例2

一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，它包括以下步骤：

A、硅钢熔化液除杂

以重量份计，先将100份硅质量分数为3.5%的硅钢片边角料破碎至8cm³以下，再分批次添加至非真空感应炉中加热熔化，得到硅钢熔化液，然后在硅钢熔化液表面覆盖添加0.24份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），使硅钢熔化液与空气隔离；继续加热至普通玻璃碎渣熔化，即得到熔融玻璃，并悬浮在硅钢熔化液表面；当熔融玻璃中溶解有金属氧化物时会形成渣料，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），同时继续在硅钢熔化液表面覆盖添加0.14份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），并重复进行清理去除渣料和覆盖添加普通玻璃碎渣的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至硅钢熔化液表面不再出现金属氧化物，即得到除杂硅钢熔化液；

B、添加辅料并除杂

以重量份计，向步骤A得到的除杂硅钢熔化液中分别添加1.2份铜粉、5.5份硅粉、5.4份硼粉、3.2份铌粉和1.2份钨粉,继续加热至辅料全部融化，即得到合金熔化液；然后继续在合金熔化液表面覆盖添加0.14份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），继续加热至普通玻璃碎渣熔化，当合金熔化液表面出现含金属氧化物的渣料时，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），并重复覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至合金熔化液表面不再出现金属氧化物，制备出非晶合金熔化液，并控制铁、硅、硼的质量分数分别为80%、7.8%、4.8%，且控制铝的质量分数大于0.01％、小于0.05％；

C、合金带材喷制

将步骤B得到的非晶合金熔化液继续加热至1390℃，然后启动喷带机，倾炉喷带，制备出厚度为0.02mm、宽度为34mm、晶粒尺寸为9～15nm的非晶纳米晶合金带材，其中9～11nm的晶粒占比达85%；

D、分步等温加热再退火

将步骤C得到的非晶纳米晶合金带材放置于等温加热炉中，先在400℃的条件下等温加热80min，再在490℃的条件下等温加热75min，最后迅速冷却至室温，制备出晶粒尺寸为1～5nm的高导磁非晶纳米晶合金带材，其中1～3nm的晶粒占比达75%，其相对导磁率达45万，且导磁性能稳定，不会随硅、硼含量的轻微波动而发生大的变化。

实施例3

一种低成本生产高导磁非晶纳米晶合金带材的方法，它包括以下步骤：

A、硅钢熔化液除杂

以重量份计，先将100份硅质量分数为4.5%的硅钢片边角料破碎至8cm³以下，再分批次添加至非真空感应炉中加热熔化，得到硅钢熔化液，然后在硅钢熔化液表面覆盖添加0.36份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），使硅钢熔化液与空气隔离；继续加热至普通玻璃碎渣熔化，即得到熔融玻璃，并悬浮在硅钢熔化液表面；当熔融玻璃中溶解有金属氧化物时会形成渣料，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），同时继续在硅钢熔化液表面覆盖添加0.28份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），并重复进行清理去除渣料和覆盖添加普通玻璃碎渣的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至硅钢熔化液表面不再出现金属氧化物，即得到除杂硅钢熔化液；

B、添加辅料并除杂

以重量份计，向步骤A得到的除杂硅钢熔化液中分别添加1.4份铜粉、6.5份硅粉、5.8份硼粉、3.8份铌粉和2.4份钨粉,继续加热至辅料全部融化，即得到合金熔化液；然后继续在合金熔化液表面覆盖添加0.28份破碎至5cm³以下的普通玻璃碎渣（化学成分为Na₂O·CaO·6SiO₂），继续加热至普通玻璃碎渣熔化，当合金熔化液表面出现含金属氧化物的渣料时，清理去除渣料（使用硅钢刮板将渣料刮走），并重复覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作，且覆盖添加普通玻璃碎渣和清理去除渣料的操作同步进行，直至合金熔化液表面不再出现金属氧化物，制备出非晶合金熔化液，并控制铁、硅、硼的质量分数分别为84%、8.8%、5.4%，且控制铝的质量分数大于0.01％、小于0.05％；

C、合金带材喷制

将步骤B得到的非晶合金熔化液继续加热至1420℃，然后启动喷带机，倾炉喷带，制备出厚度为0.04mm、宽度为60mm、晶粒尺寸为9～15nm的非晶纳米晶合金带材，其中9～11nm的晶粒占比达80%；

D、分步等温加热再退火

将步骤C得到的非晶纳米晶合金带材放置于等温加热炉中，先在480℃的条件下等温加热40min，再在570℃的条件下等温加热35min，最后迅速冷却至室温，制备出晶粒尺寸为1～5nm的高导磁非晶纳米晶合金带材，其中1～3nm的晶粒占比达70%，其相对导磁率达44万，且导磁性能稳定，不会随硅、硼含量的轻微波动而发生大的变化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。