[发明专利]减少了表面突起的铁磁非晶合金带材及其铸造方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及在变压器铁芯、旋转机械装置、电扼流圈(electrical choke)、磁传感器和脉冲电源设备中使用的铁磁非晶合金带材，还涉及该带材的制造方法。

背景技术

基于铁的非晶合金带材表现出优良的软磁特性，优良的软磁特性包括：在AC激励下的磁损耗低；能够应用于诸如变压器、电动机、发电机、能量管理设备(其包括脉冲电源发生器)和磁传感器等能效磁设备(energy efficient magnetic device)中。在这些设备中，具有高的饱和感应强度和高的热稳定性的铁磁材料是优选的。而且，在大规模工业应用中，材料易于制造以及它们的原材料成本都是重要的因素。基于非晶Fe-B-Si的合金满足上述这些要求。然而，这些非晶合金的饱和感应强度小于在诸如变压器等设备中传统地使用的晶体硅钢(crystalline silicon steel)的饱和感应强度，这在某种程度上导致了基于非晶合金的设备具有更大的尺寸。因而，一直在为开发出具有更高的饱和感应强度的非晶铁磁合金进行着各种努力。一种途径就是增加基于Fe的非晶合金中的铁含量。然而，这并不是简单易行的，因为这类合金的热稳定性随着Fe含量的增加而降低。为了缓解这个问题，曾经添加了诸如Sn、S、C和P等元素。例如，美国专利No.5,456,770(称为′770专利)披露了非晶Fe-Si-B-C-Sn合金，在该类合金中，Sn的添加增加了这类合金的可成形性和它们的饱和感应强度。在美国专利No.6,416,879(称为′879专利)中披露了在非晶Fe-Si-B-C-P体系中添加P，且以增加的Fe含量来增大饱和感应强度。然而，在基于Fe-Si-B的非晶合金中诸如Sn、S和C等元素的添加降低了铸造而成的带材的延展性(ductility)，这导致难以制造出宽的带材。此外，如同′879专利中披露的那样，在基于Fe-Si-B-C的合金中添加P会导致长期热稳定性的丧失，这继而会导致磁芯损耗在数年内增大几十个百分比。因此，′770专利和′879专利中所披露的非晶合金实际上尚未通过从它们的熔融状态进行铸造而制造出来。

除了在诸如变压器、感应器之类的磁设备中所需的高的饱和感应强度之外，高的B-H方形比(B-H squareness ratio)和低的矫顽力H_c也是所期望的，其中B和H分别是磁感应强度和激励磁场。其原因在于：这类磁性材料具有高程度的磁性软度，即意味着易于磁化。这导致了在使用这些磁性材料的磁设备中具有低的磁损耗。在意识到这些因素的情况下，本申请的发明人发现：通过在如美国专利No.7,425,239中描述的非晶Fe-Si-B-C体系中以一定的水平对Si∶C的比率进行选择，从而将带材表面上的C沉积层保持为一定厚度，由此实现了这些所期望的除了高的带材延展性之外的磁特性。而且，在日本专利公开No.2009052064中提出了高饱和感应强度的非晶合金带材，该带材通过在合金体系中添加Cr和Mn来控制C沉积层的高度，由此该带材表现出改善的热稳定性，即在设备以150℃运行的情况下高达150年的热稳定性。然而，所制造出来的带材在面对着移动的冷却体(chill body)表面的带材表面上呈现出许多突起。图1中示出了突起的典型例子。美国专利No.4,142,571中图示了铸造用喷嘴、旋转轮上的冷却体表面和所得到的经铸造而成的带材的基本布置。

根据对突起的性质及突起的形成的仔细分析，已经发现：当突起的高度大于带材厚度的四倍时和/或当沿着带材长度方向每1.5m内的突起数量大于10个时，带材“封装因子(packing factor；PF)”减小。这里，当带材被堆叠或层压时，封装因子PF是由带材的有效体积来确定的。当需要更小的磁性元件时，在磁性元件中使用堆叠或层压产品的时候就期望更高的PF。