鐵基非晶納米專用中間合金及其冶煉方法
【專利摘要】鐵基非晶納米專用中間合金，屬于冶金領(lǐng)域，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比是：Si為15.7，B為3.8，Nb為11，Cu為2.4，余量為Fe。冶煉方法是：依序?qū)⒐I(yè)純鐵—鈮鐵—工業(yè)硅—電解銅硼鐵加入到中頻冶煉爐內(nèi)；（2）先用小功率進(jìn)行預(yù)熱，再用大功率進(jìn)行加熱；（3）待原料完全熔清后進(jìn)行大小功率交替攪拌，同時(shí)配合中小幅度的搖爐；至溫度上升至1400℃時(shí)，保溫5分鐘；（4）最后打渣、出鋼。本發(fā)明解決了原料燒損、高熔點(diǎn)合金不易熔入等問(wèn)題。應(yīng)用該中間合金生產(chǎn)的非晶納米晶帶材具有成分均勻、韌性好、磁性能明顯提升、制造成本下降等多重優(yōu)勢(shì)。
【專利說(shuō)明】鐵基非晶納米專用中間合金及其冶煉方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域，即鐵基非晶納米晶合金用母合金的冶煉【技術(shù)領(lǐng)域】，特別提供了一種高濃度配比的鐵基非晶納米專用中間合金及其冶煉方法，適用于FeSiBCuNb鐵基非晶納米晶合金用母合金的制造。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵基非晶納米晶合金是由80%的Fe及20%的S1、B、Nb、Cu等元素所構(gòu)成的一種軟磁材料，具有鐵損低、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高和磁導(dǎo)率高等特點(diǎn)。
[0003]鐵基非晶納米晶帶材厚度約為22 μ πm-38 μ m，主要用于互感器與中高頻變壓器等的鐵芯材料，也是中、高頻電磁元件小型化的關(guān)鍵，有著非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
[0004]鐵基非晶合金可采用單輥法、雙輥法將熔融狀態(tài)母合金從噴嘴噴射到高速旋轉(zhuǎn)的金屬滾筒的外圓周面上，使之急冷凝固制成薄帶或薄絲。
[0005]鐵基非晶母合金主要通過(guò)中頻感應(yīng)爐(或電爐等)冶煉，將工業(yè)純鐵、工業(yè)硅、硼鐵、鈮鐵、純銅一起放入冶煉爐內(nèi)，通電將其熔化成所需成分的鋼液，最后進(jìn)行澆鑄獲得鐵基非晶母合金錠。
[0006]目前，國(guó)內(nèi)外鐵基非晶納米晶帶材的生產(chǎn)大多為重熔母合金制帶。采用母合金制備非晶納米晶帶材時(shí)須將母合金錠進(jìn)行二次重熔，工序繁多，功耗較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了優(yōu)化合金熔點(diǎn)，降低熔化溫度，縮短熔煉時(shí)間，減少元素?fù)p耗；促進(jìn)各原料間合金化程度，保證元素分布均勻、成分準(zhǔn)確穩(wěn)定；能夠在進(jìn)行重熔制帶時(shí)實(shí)現(xiàn)多次供給，提高生產(chǎn)效率。
[0008]本發(fā)明提供一種鐵基非晶納米專用中間合金，代替鐵基非晶母合金實(shí)現(xiàn)鐵基非晶納米晶帶材的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0009]本發(fā)明的原理為:由Fe-Nb、Fe-Si, Cu-Fe, B-Fe 二元相圖可知看出，純鐵的熔點(diǎn)為1538°C，純鈮的熔點(diǎn)為2469°C (鈮含量為66%的鈮鐵的熔點(diǎn)約為1600°C )，純硅的熔點(diǎn)為1414°C，純硼的熔點(diǎn)為2092°C (硼含量為17.5%的硼鐵的熔點(diǎn)也在1600°C左右)，純銅的熔點(diǎn)為 1084.87。。。
[0010]除銅以外，制備鐵基納米晶帶材采用的其余四種原料的熔點(diǎn)均高于日常生產(chǎn)時(shí)鋼液的溫度(1380°c 土 10°C )，冶煉以鐵為基，添加一定量S1、B、Nb、Cu原料的中間合金，達(dá)到優(yōu)化合金熔點(diǎn)、降低熔化溫度的目的。
[0011]由Fe-Nb 二元合金相圖可知，當(dāng)鈮鐵中的鈮含量為18.6%時(shí)，其熔點(diǎn)最低，約為1373°C。根據(jù)1K107中Nb含量在5.5%~5.65%范圍內(nèi)的要求，中間合金中的Nb含量應(yīng)控制在16.5%，即母合金中Nb含量的3倍。
[0012]由Fe-Si 二元合金相圖可知，當(dāng)硅鐵中的硅含量在22%左右時(shí)，其熔點(diǎn)最低，約為1203°C。根據(jù)1K107中Si含量在7.74%~7.85%范圍內(nèi)的要求，應(yīng)將中間合金中的Si含量控制為15.7%或者23.55%，即母合金中Si含量的2倍或者3倍，此時(shí)硅鐵的熔點(diǎn)均低于1300 0C
由B-Fe 二元合金相圖可知，當(dāng)硼鐵中的硼含量為4%時(shí)，其熔點(diǎn)最低，約為1174°C。根據(jù)1K107中B含量在1.85%~1.95%范圍內(nèi)的要求，應(yīng)將中間合金中的B含量控制在3.8%，即母合金中B含量的2倍。
[0013]綜合以上對(duì)二元合金相圖的研究，同時(shí)考慮S1、B、Cu、Nb各組分在Fe中的溶解度，經(jīng)過(guò)多次配比試驗(yàn)，確定本發(fā)明具體的技術(shù)方案為:
鐵基非晶納米專用中間合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比是=Si為15.7%，B為3.8%，Nb為11%, Cu 為 2.4%，余量為 Fe%。
[0014]鐵基非晶納米專用中間合金的冶煉方法是:
(I)依序?qū)⒐I(yè)純鐵一銀鐵一工業(yè)硅一電解銅一硼鐵加入到中頻冶煉爐內(nèi)；其中，工業(yè)純鐵的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為99%，Cu為0.01%, Si為0.004%, C為0.0017%, Al為
0.02%，不可避免的雜質(zhì)為0.9643% ；
鈮鐵的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為28.83%，Nb為66.68%，Si為3.45%，C為0.11%，Al為0.21%，不可避免的雜質(zhì)為0.72% ；
工業(yè)硅的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為0.3%，Si為99.3%，Al為0.3%，不可避免的雜質(zhì)為0.1% ；
電解銅的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Cu為99.994%，不可避免的雜質(zhì)為0.006% ；
硼鐵的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為82.112%，Si為0.32%，B為17.3%，C為0.19%，Al為0.047%，不可避免的雜質(zhì)為0.031%。
[0015](2)先用10~20KW的功率預(yù)熱15分鐘，再用80~120KW的功率進(jìn)行加熱30分鐘；
(3)待原料完全熔清后進(jìn)行大小功率交替攪拌，即大功率攪拌1.5分鐘，替換小功率攪拌I分鐘；同時(shí)配合中小幅度的搖爐，搖爐幅度為中頻爐與地面垂線夾角20~50度；至溫度上升至1400°C時(shí)，保溫5分鐘；
(4)最后打渣、出鋼；出鋼時(shí)，須將加熱功率設(shè)定為60KW以保證鋼液的流動(dòng)性，同時(shí)迅速將鋼液倒入鋼錠模中澆鑄鐵基非晶納米專用中間合金錠。
[0016]本發(fā)明以原料比例工業(yè)純鐵一鈮鐵一工業(yè)硅一電解銅一硼鐵按照如下的質(zhì)量比例進(jìn)行配料:工業(yè)純鐵為43.97%、鈮鐵為16.5%、工業(yè)硅為15.17%、電解銅為2.4%、硼鐵為21.96%ο
[0017]本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn):
1.冶煉溫度低
調(diào)整設(shè)計(jì)鐵基非晶納米專用中間合金的成分配比，將各原料的熔點(diǎn)均控制在1380°c左右，從而降低了冶煉溫度，縮短了冶煉時(shí)間，減少元素?fù)p耗。
[0018]2.成分均勻穩(wěn)定
冶煉鐵基非晶納米專用中間合金促進(jìn)了各原料間充分合金化，保證元素分布均勻、成分準(zhǔn)確穩(wěn)定，使用時(shí)可根據(jù)需要靈活調(diào)整。
[0019]3.元素濃度高
添加整數(shù)倍于鐵基非晶母合金中的各元素含量，解決了母合金與帶材生產(chǎn)“一對(duì)一”單次供給的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了一次冶煉供給多次生產(chǎn)的高效模式。
【具體實(shí)施方式】[0020]實(shí)施例在150kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行。鐵料選擇為工業(yè)純鐵，其余添加原料包括工業(yè)硅、硼鐵、鈮鐵與純銅。各原料的化學(xué)成分及其添加比例見(jiàn)表1。根據(jù)表1中計(jì)算所得數(shù)據(jù)備料，共冶煉5爐150kg鐵基非晶納米專用中間合金，制備10爐鐵基非晶納米晶帶材，制帶帶材所需添加的鐵基非晶中間合金錠與純鐵比例見(jiàn)表2所示。
[0021]往中頻爐內(nèi)加料時(shí)，先用表1中給定質(zhì)量的工業(yè)純鐵鋪底，再依次加入鈮鐵、工業(yè)硅、純銅、硼鐵，一次性加料完畢。冶煉時(shí)，先用10~20KW的功率預(yù)熱15分鐘，再用80~120KW的功率進(jìn)行加熱30分鐘，待原料完全熔清后進(jìn)行大小功率交替攪拌，即大功率攪拌1.5分鐘，替換小功率攪拌I分鐘；同時(shí)配合中小幅度的搖爐，搖爐幅度為中頻爐與地面垂線夾角20~50度；至溫度上升至1400°C時(shí)，保溫5分鐘，然后打渣、出鋼。出鋼時(shí)，須將加熱功率設(shè)定為60KW以保證鋼液的流動(dòng)性，同時(shí)迅速將鋼液倒入鋼錠模中澆鑄中間合金錠。
[0022]將使用鐵基非晶納米專用中間合金制備的帶材與使用傳統(tǒng)的母合金制備的帶材進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):
1.帶材韌性提高。
[0023]使用傳統(tǒng)的非真空冶煉技術(shù)制出的母合金制帶，平均每個(gè)帶盤18個(gè)斷頭，而使用非晶專用中間合金制帶，平均每盤帶材12個(gè)斷頭，斷頭率減少33%，大大提高了帶材的韌性。同時(shí)帶材的應(yīng)力也大大減小，帶材繞制鐵芯，內(nèi)徑可以達(dá)到2_，而使用傳統(tǒng)的非真空冶煉技術(shù)制出的母合金制帶，內(nèi)徑僅達(dá)到5_。
[0024]2.帶材伏安特性提聞
從表3所列可見(jiàn)，使用非晶專用中間合金制帶，帶材磁性能中，伏安特性初導(dǎo)ImOe下的磁導(dǎo)率普遍高于傳統(tǒng)的母合金制帶。
[0025]3.帶材交直流磁性能提高
從表4所列可見(jiàn)，使用鐵基非晶納米專用中間合金制備的帶材交直流磁性能指標(biāo)中，初始磁導(dǎo)率μ 1、最大磁導(dǎo)率μ m以及飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs均高于使用傳統(tǒng)母合金制帶的相應(yīng)性能；且鐵損Ps也較低。
[0026]此外，對(duì)使用鐵基非晶納米專用中間合金制帶與使用傳統(tǒng)母合金制帶進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析。中間合金的S1、B、Nb、Cu含量均是傳統(tǒng)母合金中S1、B、Nb、Cu含量的2倍，熔煉一爐中間合金與熔煉一爐母合金耗時(shí)相當(dāng)，使用中間合金與使用母合金噴制一爐非晶帶材所需時(shí)間也相當(dāng)。制備300kg非晶帶材，使用中間合金與使用母合金所需的原料相當(dāng)。不同的是，制備300kg非晶帶材，僅需熔煉150kg中間合金，與自煉300kg母合金工藝相比，節(jié)省了自煉150kg (即節(jié)省50%)母合金的輔料、動(dòng)力及人員需求，從而節(jié)省成本、提高效益。
[0027]可見(jiàn)，本發(fā)明所述的鐵基非晶納米專用中間合金可以從根源上解決熔煉溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、元素?zé)龘p嚴(yán)重、合金成分不穩(wěn)定、“一對(duì)一”單次供給等問(wèn)題，能夠大幅度降低生存成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與創(chuàng)收增效的統(tǒng)一。
[0028]表1原料主要成分(％)及其添加比例
【權(quán)利要求】
1.鐵基非晶納米專用中間合金，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比是=Si為15.7%，B為3.8%，Nb為11%, Cu為2.4%，余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶納米專用中間合金，其冶煉方法是: Cl)依序?qū)①|(zhì)量百分比為工業(yè)純鐵是43.97% —鈮鐵是16.5%—工業(yè)硅是15.17%—電解銅是2.4%—硼鐵是21.96%加入到中頻冶煉爐內(nèi)；其中，工業(yè)純鐵的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為99%, Cu為0.01%, Si為0.004%, C為0.0017%, Al為0.02%,不可避免的雜質(zhì)為.0.9643% ； 鈮鐵的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為28.83%，Nb為66.68%，Si為3.45%，C為0.11%，Al為0.21%，不可避免的雜質(zhì)為0.72% ； 工業(yè)硅的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為0.3%，Si為99.3%，Al為0.3%，不可避免的雜質(zhì)為0.1% ； 電解銅的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Cu為99.994%，不可避免的雜質(zhì)為0.006% ； 硼鐵的化學(xué)成分質(zhì)量百分比是Fe為82.112%，Si為0.32%，B為17.3%，C為0.19%，Al為0.047%,不可避免的雜質(zhì)為0.031% ； (2)先用10~20KW的功率預(yù)熱15分鐘，再用80~120KW的功率進(jìn)行加熱30分鐘； (3)待原料完全熔清后進(jìn)行大小功率交替攪拌，即大功率攪拌1.5分鐘，替換小功率攪拌I分鐘；同時(shí)配合中頻爐與地面垂線夾角20~50度的搖爐幅度進(jìn)行搖爐；至溫度上升到1400°C時(shí)，保溫5分鐘； (4)最后打渣、出鋼；出鋼時(shí)，須將加熱功率設(shè)定為60KW以保證鋼液的流動(dòng)性，同時(shí)迅速將鋼液倒入鋼錠模中澆鑄鐵基非晶納米專用中間合金錠。
【文檔編號(hào)】C22C35/00GK103526104SQ201310473670
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】李博, 趙偉偉, 李青, 楊揚(yáng), 張宇峰, 趙昱臻, 申毅 申請(qǐng)人:太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司