退火溫度和環(huán)氧樹(shù)脂封裝對(duì)Fe78Si9B13非晶合金軟磁性能的影響

郭 斌，蔣達(dá)國(guó)

（井岡山大學(xué)1.現(xiàn)代教育技術(shù)中心；2.數(shù)理學(xué)院，吉安343009）

0 引 言

自1960年Duwez［1］教授采用快淬工藝制備非晶合金以來(lái)，非晶合金就以獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)、高效的制備工藝、優(yōu)異的材料性能［2］和廣闊的應(yīng)用前景而受到了材料科學(xué)工作者的特別關(guān)注。

非晶合金的原子排列無(wú)序，不存在結(jié)晶學(xué)上的晶粒和晶界、位錯(cuò)等缺陷，是一種具有均勻組織的材料，即不存在宏觀磁晶各向異性。所以，其磁導(dǎo)率、矯頑力等磁性參數(shù)主要取決于飽和磁致伸縮系數(shù)和內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。非晶合金在制備過(guò)程中由于急冷而在其內(nèi)部產(chǎn)生了很大的內(nèi)應(yīng)力，Malkinski［3］估計(jì)這一應(yīng)力可達(dá)到5～30MPa，這樣大的內(nèi)應(yīng)力會(huì)在磁致伸縮系數(shù)很大的鐵硅硼系非晶合金中產(chǎn)生大的磁彈耦合。因此，淬火態(tài)非晶合金的軟磁性能很低。要提高其軟磁性能，可以通過(guò)退火處理以消除在制備過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，且退火溫度應(yīng)足以使原子充分?jǐn)U散而不產(chǎn)生晶化。

環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的綜合力學(xué)性能、較高的粘合力、小的收縮率、良好的穩(wěn)定性以及優(yōu)異的電絕緣性能，作為涂料、膠粘劑、復(fù)合材料樹(shù)脂基體、電子封裝材料等在機(jī)械、電子、電器、航天、航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

Fe78Si9B13非晶合金經(jīng)退火處理后可以獲得優(yōu)良的軟磁性能，但其脆性卻增大了，在使用過(guò)程中受到外力碰撞時(shí)會(huì)使磁芯的磁性能不穩(wěn)定，甚至?xí)茐拇判荆?-6］，這就給后續(xù)加工帶來(lái)了很大困難，并在一定程度上限制了非晶磁芯的使用。另外，由于鐵基非晶合金的主要成分為鐵，在空氣或潮濕的環(huán)境中會(huì)被氧化，從而影響其軟磁性能和穩(wěn)定性。

為解決經(jīng)退火后鐵基非晶合金脆性增加以及被氧化的問(wèn)題，作者采用單輥法制備了Fe78Si9B13非晶帶材，再將其繞制成環(huán)形磁芯，然后在不同溫度下對(duì)環(huán)形磁芯進(jìn)行退火處理，最后采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)其進(jìn)行封裝，研究了退火溫度和環(huán)氧樹(shù)脂封裝對(duì)該非晶合金軟磁性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用單輥快淬法制備了寬為20mm、厚為25μm的Fe78Si9B13非晶帶材，用繞帶機(jī)將其繞制成外徑為40mm、內(nèi)徑為25mm的環(huán)形磁芯，再用非晶點(diǎn)焊機(jī)將帶材末端焊接起來(lái)；然后將磁芯置于無(wú)磁不銹鋼管式氣氛電阻退火爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度分別為350，400，450，500℃，保溫時(shí)間為100min，退火后空冷，退火過(guò)程采用氬氣氣氛保護(hù)；將退火后的磁芯裝入護(hù)盤(pán)中，用漆包線在護(hù)盤(pán)上繞上初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，磁芯的有效磁路長(zhǎng)度為98.44mm，有效截面積為127.3mm2。

將環(huán)氧樹(shù)脂E-51、低分子聚酰胺650環(huán)氧樹(shù)脂固化劑、501環(huán)氧樹(shù)脂觸變劑、NDZ-101鈦酸酯偶聯(lián)劑按1∶1∶0.5∶0.02的質(zhì)量比混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥森h(huán)氧樹(shù)脂封裝膠；將經(jīng)400℃×100min退火處理的Fe78Si9B13非晶磁芯放在封裝膠中充分浸泡后取出，在常溫下固化24h。

采用Bruker D-8型X射線衍射分析儀對(duì)退火前后的Fe78Si9B13合金進(jìn)行物相分析，銅靶Kα輻射，石墨單色濾波器，特征波長(zhǎng)為0.154nm，衍射角（2θ）范圍為10°～90°，步長(zhǎng)為0.02°，工作電壓和電流分別為35kV和60mA；采用Q-600型同步熱分析儀對(duì)淬火態(tài)Fe78Si9B13非晶合金進(jìn)行差熱分析，升溫速率為10℃·min-1，采用高純（99.99%）氬氣氣氛保護(hù)；采用MATS-2010SD型軟磁直流測(cè)試儀測(cè)Fe78Si9B13合金的直流軟磁性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 非晶狀態(tài)和晶化行為

由圖1可見(jiàn)，淬火態(tài)Fe78Si9B13合金呈現(xiàn)出非晶結(jié)構(gòu)典型的漫散峰特征，不存在任何尖銳的晶體相衍射峰，這表明淬火態(tài)Fe78Si9B13合金為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；當(dāng)退火溫度低于400℃時(shí)，亦不存在任何尖銳的晶體相衍射峰，只是在2θ＝45°附近產(chǎn)生的漫散峰比淬火態(tài)的更窄，這表明此時(shí)的Fe78Si9B13合金依然為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；當(dāng)退火溫度升至450℃時(shí)，出現(xiàn)了一些晶化峰，這說(shuō)明非晶合金Fe78Si9B13發(fā)生了部分晶化，有微量晶相析出，晶化相可標(biāo)定為bcc結(jié)構(gòu)的α-Fe（Si）；當(dāng)退火溫度升至500℃時(shí)，XRD譜中出現(xiàn)了3個(gè)明顯的衍射峰，從左至右依次分別對(duì)應(yīng)bcc結(jié)構(gòu)α-Fe的（110）、（200）和（211）衍射面。

圖1 Fe78Si9B13合金退火前后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of Fe78Si9B13alloy before and after annealing

由圖2可見(jiàn)，淬火態(tài)Fe78Si9B13非晶合金的DSC曲線呈現(xiàn)出兩級(jí)晶化的過(guò)程，對(duì)應(yīng)的一級(jí)起始晶化溫度Tx1為517℃，放熱峰溫度Tp1為521℃；第二級(jí)起始晶化溫度Tx2為530℃，放熱峰溫度Tp2為536℃；第二個(gè)晶化放熱峰比第一個(gè)晶化放熱峰更尖銳，且峰的面積也更大，兩級(jí)起始晶化溫度的差值ΔTx為13℃。

2.2 退火溫度對(duì)軟磁性能的影響

由圖3可知，隨著退火溫度升高，F(xiàn)eSiB 合金的初始磁導(dǎo)率μi、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和矯頑力Hc呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)退火溫度為400℃時(shí)，F(xiàn)e78Si9B13合金的綜合軟磁性能最佳，其初始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為0.008 3H·m-1和1.517T，此時(shí)的矯頑力為17.53A·m-1。

根據(jù)磁化理論［7］，鐵磁材料在磁化過(guò)程中，磁導(dǎo)率μ和矯頑力Hc與材料的磁各向異性常數(shù)K、飽和磁滯伸縮系數(shù)λs、內(nèi)應(yīng)力σ、飽和磁化強(qiáng)度Ms的關(guān)系為：

圖2 淬火態(tài)Fe78Si9B13非晶合金的DSC曲線Fig.2 DSC curve of as-quenched Fe78Si9B13amorphous alloy

圖3 退火溫度對(duì)Fe78Si9B13合金軟磁性能的影響Fig.3 Effects of annealing temperature on soft magnetic properties of Fe78Si9B13alloy：（a）the effect on initial magnetic permeability；（b）the effect on saturation magnetization and（c）the effect on coercivity

在非晶帶材制備過(guò)程中，由于高的冷卻速率引入了高的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，與非晶帶材中的飽和磁致伸縮系數(shù)耦合，感生出磁各向異性；同時(shí)，合金熔體在銅輥圓周表面急冷而凝固成非晶帶材的過(guò)程中，由于冷卻速率的差異，造成了淬火態(tài)非晶帶材在寬度方向存在較大的殘余應(yīng)力，使其外層的應(yīng)力大于內(nèi)部的，從而使其在寬度方向上具有內(nèi)應(yīng)力差［8-9］。因此，淬火態(tài)非晶帶材存在形狀、應(yīng)力和感生磁各向異性，具有較高的磁疇疇壁能。所以，淬火態(tài)Fe78Si9B13非晶帶材的綜合軟磁性能較低，即初始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較小。

當(dāng)退火溫度低于晶化溫度時(shí)，退火可以使非晶帶材中因制備過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放，有效消除應(yīng)力和感生磁各向異性；同時(shí)，升高溫度有利于原子的擴(kuò)散和遷移，導(dǎo)致原子的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而使磁性原子的交換作用增強(qiáng)，磁疇疇壁能降低［10］。所以，在低于晶化溫度下進(jìn)行退火可以提高Fe78Si9B13非晶帶材的綜合軟磁性能，即初始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而增大。但當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，初始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大，而矯頑力并未達(dá)到最小，這說(shuō)明高的初始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與低的矯頑力存在不能統(tǒng)一的矛盾［11］。當(dāng)退火溫度達(dá)到450℃時(shí)，非晶Fe78Si9B13合金發(fā)生了部分晶化，晶相的析出導(dǎo)致Fe78Si9B13合金的綜合軟磁性能下降，即初始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)降低。

2.3 環(huán)氧樹(shù)脂封裝對(duì)軟磁性能的影響

由表1可知，經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂封裝后，F(xiàn)e78Si9B13非晶磁芯的初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs減小，剩磁Br、矯頑力Hc和磁滯損耗Pu增大，但它們的變化幅度較小。對(duì)于經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂封裝的Fe78Si9B13非晶磁芯，由于環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中發(fā)生收縮，產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，從而使其軟磁性能有所降低［9，12］。

由圖4可知，環(huán)氧樹(shù)脂封裝前后，F(xiàn)e78Si9B13非晶磁芯的磁化曲線和磁滯回線基本上重合。這說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂封裝對(duì)Fe78Si9B13非晶磁芯綜合軟磁性能的影響不大。但采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝可在其表面形成一層絕緣層，增加其強(qiáng)度，為后續(xù)加工帶來(lái)方便，還可以提高利用率、減少破壞率，方便包裝和運(yùn)輸［13］；同時(shí)，由于環(huán)氧樹(shù)脂的包裹，F(xiàn)e78Si9B13非晶磁芯放置在空氣或潮濕的環(huán)境中，也不易被氧化，可以提高其磁性能的穩(wěn)定性和使用壽命。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂封裝前后Fe78Si9B13非晶磁芯的軟磁性能Tab.1 Soft magnetic properties of Fe78Si9B13amorphous cores before and after encapsulation

圖4 環(huán)氧樹(shù)脂封裝前后Fe78Si9B13非晶磁芯的磁化曲線和磁滯回線Fig.4 Magnetization curves（a）and hysteresis loops（b）of Fe78Si9B13amorphous cores before and after encapsulation

3 結(jié) 論

（1）隨退火溫度升高，F(xiàn)e78Si9B13非晶帶材的μi、Bs和Hc均呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí)，其綜合軟磁性能最佳，μi、Bs和Hc分別為0.008 3H·m-1，1.517T和17.53A·m-1。

（2）環(huán)氧樹(shù)脂封裝后Fe78Si9B13非晶磁芯的μi，μm和Bs減小，Br，Hc和Pu增大，磁化曲線和磁滯回線與封裝前的基本重合。

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