專利名稱：：由具有納米晶結構的鐵基軟磁合金制造磁性元件的工藝的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及由具有納米晶結構的鐵基軟磁合金制造磁性元件的工藝。納米晶磁性材料是公知的，在歐洲專利申請EP0271657和EP0299498已有具體說明。這些是鐵基合金，含有60原子％以上的鐵、銅、硅、硼，并可選擇地含有鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和鉬中至少一種，該合金以非晶薄帶形式澆鑄，然后進行熱處理，由此引起極細結晶(晶粒直徑小于100納米)的發(fā)生。這些材料具有的磁性能特別適合于制造用于電工設備例如剩余電流電路斷路器的軟磁心。具體地講，它們具有優(yōu)異的磁導率，并可以具有較寬的磁滯回線(Br/Bm≥0.5)或較窄的磁滯回線(Br/Bm≤0.3)，Br/Bm是剩余磁感與最大磁感之比。當熱處理由在500℃～600℃溫度單一的退火步驟組成時獲得較寬的磁滯回線。當熱處理包括至少一個磁場中的退火步驟時獲得較窄的磁滯回線，此退火步驟可以是用于引起形成納米晶的。但是，納米晶薄帶或者更精確地講由這些薄帶制造的磁性元件，存在限制其使用的以下缺點。這些缺點是溫度高于環(huán)境溫度時磁性能不夠穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性不足導致裝備有這種磁心的剩余電流電路斷路器缺乏功能可靠性。本發(fā)明的目的在于克服上述缺點，提供由具有磁性能的納米晶材料制造磁心的工藝，明顯改善溫度穩(wěn)定性。為此目的，本發(fā)明的主題是由具有納米晶結構的鐵基軟磁合金制造磁性元件的工藝，其化學組成按原子％是Fe≥60％，0.1％≤Cu≤3％，0％≤B≤25％，0％≤Si≤30％，選自鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和鉬中至少一種元素，其含量為0.1％～30％，余量是冶煉產生的雜質，該組成還滿足關系式5％≤Si+B≤30％，包括以下步驟—由磁性合金制造非晶薄帶，—由薄帶制造用于磁性元件的坯件，—對磁性元件進行晶化熱處理，包括在500℃～600℃之間溫度的至少一個退火步驟，保溫時間在0.1～10小時，以便形成納米晶；晶化熱處理之前，在低于非晶合金再結晶開始溫度的溫度下進行松弛熱處理。松弛熱處理可以是在250℃～480℃的溫度下保溫0.1～10小時。松弛熱處理還可以是從環(huán)境溫度緩慢加熱至450℃以上的溫度，在250℃～450℃之間的加熱速率是30℃/小時～300℃/小時。根據(jù)所需的磁性能，特別是根據(jù)所需的磁滯回線形狀，依照已有技術，可以在磁場中進行構成熱處理的至少一個退火步驟。本工藝特別適合應用于其化學組成中Si≤14％的具有納米晶結構的鐵基軟磁合金。以下更具體地說明本發(fā)明，但僅是非限制性的，并通過實施例展示。為了以大體積制造磁性元件，例如用于AC-類剩余電流電路斷路器(對交變的故障電流敏感)的磁心，采用能獲得納米晶結構的非晶結構軟磁合金薄帶，此合金主要由比例大于60原子％的鐵組成，還包括—0.1～3原子％的銅，0.5～1.5原子％更好；—0.1～30原子％的選自鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和鉬中的至少一種元素，2～5原子％更好，鈮含量最好在2～4原子％；—硅和硼，這些元素的總含量在5～30原子％，在15～25原子％更好，硼含量可高達25原子％，在5～14原子％更好；硅含量可高達30原子％，在12～17原子％更好。除了這些元素，合金可以包含由原材料帶來的或由冶煉產生的低濃度雜質。按公知的方式，通過液態(tài)合金的極快速凝固，例如澆鑄在冷卻輪上，獲得非晶薄帶。磁心坯件也是按公知方式制造的，通過圍繞心軸卷繞薄帶，對其切割并采用點焊固定其尾端，從而獲得截面為矩形的圓形磁心。為了使坯件具有最終磁性能，首先在低于非晶薄帶開始晶化的溫度的溫度、最好是在250℃～480℃的溫度下，進行稱為“松弛退火”的退火步驟，然后進行晶化退火步驟，可以在或者不在磁場中進行，以及可選擇地接著在低溫下磁場中進行退火步驟。事實上本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，完全出乎意料的是這種松弛退火，具有使磁心磁性能對溫度的敏感性非常明顯地降低的優(yōu)點。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)在再結晶退火之前的松弛退火，具有使大批量制造的磁心的磁性能的離散性降低的額外優(yōu)點。晶化退火用于在非晶母體中析出尺寸小于100納米、最好在10～20納米的納米晶。這種極細結晶可獲得期望的磁性能。結晶退火由在一定溫度下的保溫組成，該溫度高于結晶開始發(fā)生的溫度，但低于可使磁性能降低的二次相出現(xiàn)的溫度。通常，晶化退火溫度在500℃和600℃之間，但是對于每種薄帶，該溫度例如可以通過實驗確定達到最大的磁導率的溫度來優(yōu)化。然后可以選擇晶化退火溫度，使其等于此溫度，或者更好地選擇使其高于此溫度約30℃。為了改善磁滯回線的形狀，這對于A類剩余電流電路斷路器(對偏置故障電流敏感)是必須的，可以在橫向磁場中進行晶化退火。也可以通過在低于開始發(fā)生晶化溫度的溫度下、例如400℃左右在橫向磁場進行的退火步驟來完成晶化處理。更通常地，磁性元件坯件的熱處理包括松弛退火步驟，可選擇地在磁場中進行的晶化退火步驟，和可選擇的在磁場中進行的補充退火步驟。松弛退火在晶化退火之前，對非晶薄帶本身進行或者對磁性元件坯件進行同樣有效，松弛退火由恒溫下的保溫構成，保溫時間最好在0.1和10小時之間。此退火也可由緩慢升溫構成，并在例如晶化退火之前，而且必須至少在250℃和450℃之間、以30℃/小時～300℃/小時之間的升溫速率進行，升溫速率約為100℃/小時更好。在所有情形中，優(yōu)選在具有可控的中性或還原氣氛的爐中進行熱處理。作為實施例，通過在冷卻輪上直接冷卻，制造合金Fe73Si15B8Cu1Nb3(73原子％的鐵、15原子％的硅等)的兩條薄帶，厚度為20μm，寬度為10mm。用每條薄帶制造用于磁心的兩批坯件，這些磁心分別標號為A1和A2(對于第一薄帶)和B1和B2(對于第二薄帶)。用于磁心A1和B1的各批坯件根據(jù)本發(fā)明進行熱處理，其構成為在400℃進行3小時的松弛退火步驟，隨后在530℃進行3小時的晶化退火步驟。用于磁心A2和B2的各批坯件作為對比例，根據(jù)已有技術在530℃進行3小時的單一晶化退火步驟。在-25℃和100℃之間的不同溫度，對用于磁心的四批坯件測量50Hz最大磁導率，并表示為20℃下50Hz最大磁導率的百分比。結果如下</tables>這些結果的解釋必須一方面對樣品A1和A2的情況、另一方面對樣品B1和B2的情況做分別考察。這是因為盡管所有樣品均由相同合金組成，但是采用的兩條薄帶是分別制造的，因而性能稍有不同。這就是說，可以看出，對于A1、A2組和B1、B2組兩者，因加熱至80℃或100℃而產生的磁導率下降，根據(jù)本發(fā)明的樣品均遠小于對比例樣品的情況。例如在100℃磁導率的損失，本發(fā)明樣品約為已有技術制造的樣品的一半。除了關于磁性能溫度穩(wěn)定性所獲得的效果之外，本發(fā)明人已經發(fā)現(xiàn)本發(fā)明改善了批量制造的磁心磁性能的重復性。以下通過兩個例子說明此優(yōu)良效果。第一個例子涉及由厚20μm、寬10mm的薄帶制造的圓形磁心，薄帶由組成為(按原子％)Fe735Si13.5B9Cu1Nb3的合金在冷卻輪上直接驟冷獲得。在輪上驟冷之后，采用X-射線驗證薄帶確實是完全非晶態(tài)。然后把薄帶分割為三段，一段A仍保持驟冷態(tài)，其他兩段B和C進行松弛退火，其中之一B是在400℃1小時，另一B是在450℃1小時。測量矯頑力場，其最小值和最大值按mOe(1mOe＝0.079577A/m)是A，80～200mOe，B和C，25～35mOe。這些結果表明松弛退火的效果，不僅降低了矯頑力場的離散，而且還極明顯地降低了其數(shù)值。然后采用三段薄帶部分形成用于圓形磁心的坯件，為了獲得較寬的磁滯回線，首先在530℃對這些磁心進行1小時的晶化退火，然后在400℃橫向磁場中進行退火，以便獲得較窄的磁滯回線。確定矯頑力場、50Hz最大磁導率、和僅針對較窄磁滯回線的Br/Bm比(剩余磁感與飽和磁感之比)的各值。結果如下a)較寬的磁滯回線b)較窄的磁滯回線這些結果清楚地表明由松弛處理產生的磁性能改善矯頑力場的降低、最大磁導率的提高和極易獲得較窄磁滯回線。第二個例子涉及由厚20μm、寬10mm的薄帶制造的固形磁心，薄帶由組成為(按原子％)Fe73Si15B8Cu1Nb3的合金在冷卻輪上直接驟冷獲得。采用自動卷繞機制造兩批300卷圓形磁心，內徑為11mm，外徑為15mm。然后在爐中中性氣氛下對兩批進行處理。參照批A僅在530℃進行1小時的晶化退火步驟。根據(jù)本發(fā)明處理第二批首先在400℃進行1小時的松弛退火步驟，隨后在530℃進行晶化退火步驟。將圓形磁心置于外罩內并用泡沫清洗器楔固。對于每批確定50Hz最大磁導率的平均和標準偏差。結果如下</tables>這表明松弛退火的效果一方面改善了最大磁導率的平均值，另一方面降低了離散。接著，在400℃橫向磁場中處理兩批，以便獲得較窄的磁滯回線。測量矯頑力場、Br/Bm比和在5mOe下的50Hz磁導率。結果如下</tables>這些結果清楚表明由松弛處理帶來的磁性能改善矯頑力場的降低、5mOe下50Hz磁導率的提高和極易獲得較窄的磁滯回線。權利要求1.一種由具有納米晶結構的鐵基軟磁合金制造磁性元件的工藝，其化學組成按原子％是Fe≥60％，0.1％≤Cu≤3％，0％≤B≤25％，0％≤Si≤30％，選自鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和鉬中的至少一種元素，其含量為0.1％～30％，余量是冶煉產生的雜質，該組成還滿足關系式5％≤Si+B≤30％，包括以下步驟—由磁性合金制造非晶薄帶；—通過圍繞心軸卷繞磁性薄帶形成一圓形磁心，由薄帶制造用于磁性元件的坯件；—對磁性元件進行晶化熱處理，包括在500℃～600℃之間溫度的至少一個退火步驟，保溫時間在0.1～10小時，以便形成納米晶；其特征在于，晶化熱處理之前，在低于非晶合金再結晶起始溫度的溫度下進行松弛熱處理。2.根據(jù)權利要求1的工藝，其特征在于，松弛熱處理是在250℃～480℃的溫度下保溫0.1～10小時。3.根據(jù)權利要求1的工藝，其特征在于，松弛熱處理是從環(huán)境溫度緩慢加熱至450℃以上的溫度，在250℃～450℃之間的加熱速率是30℃/小時～300℃/小時。4.根據(jù)權利要求1～3中任何一項的工藝，其特征在于，在磁場中進行晶化退火。5.根據(jù)權利要求1～4中任何一項的工藝，其特征在于，在低于晶化開始溫度的溫度于磁場中進行補充退火步驟。6.根據(jù)權利要求1～5中任何一項的工藝，其特征在于，合金的化學組成中Si≤14％。全文摘要一種由具有納米晶結構的鐵基軟磁合金制造磁性元件的工藝,包括以下步驟:由磁性合金制造非晶薄帶;由薄帶制造用于磁性元件的坯件;對磁性元件進行晶化熱處理,包括在500℃～600℃之間溫度的至少一個退火步驟,保溫時間在0.1～10小時,以便形成納米晶;晶化熱處理之前,在低于非晶合金再結晶溫度的溫度下進行松弛熱處理。文檔編號H01F41/02GK1185012SQ9712536公開日1998年6月17日申請日期1997年12月10日優(yōu)先權日1996年12月11日發(fā)明者G·古德龍,P·沃林申請人:梅加日公司