微量鎳元素添加對鐵基非晶/納米晶磁芯軟磁性能的影響

蔣達國，文興旺，王同帥，劉啟瑞

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微量鎳元素添加對鐵基非晶/納米晶磁芯軟磁性能的影響

*蔣達國，文興旺，王同帥，劉啟瑞

（井岡山大學數(shù)理學院，江西，吉安 343009）

用單輥法制備的寬20 mm，厚25 μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金帶材，繞制成外徑為40 mm，內(nèi)徑為25 mm的環(huán)型磁芯，然后將磁芯在不同的溫度下進行退火處理，研究了微量Ni元素添加對合金帶材的晶化行為以及對橫向磁場退火后的非晶/納米晶磁芯的軟磁性能的影響。結果表明：與Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金帶材相比，添加微量Ni元素的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金帶材的一級起始晶化溫度Tx1和一級晶化峰溫度Tp1降低，其二級起始晶化溫度Tx2和二級晶化峰溫度Tp2升高，兩級起始晶化溫度之間的差值Δx增大；與橫向磁場退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/納米晶磁芯相比，橫向磁場退火后的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/納米晶磁芯的起始磁導率i和飽和磁感應強度s減小，矯頑力c增大；當測試頻率和最大磁感應強度m不變時，有效幅值磁導率a增大，比總損耗s和矯頑力c減?。划敎y試頻率不變時，電感s和品質因數(shù)增大；當勵磁電流不變時，感應電動勢大。

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金帶材；微量鎳元素添加；非晶/納米晶磁芯；軟磁性能；橫向磁場退火

0 引言

1988 年 Yoshizawa 等人[1]首先報道了型成分典為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(at%)的 Finemet合金，對其晶化熱處理后可以形成非晶/納米晶雙相結構，獲得優(yōu)異的軟磁性能，如高飽和磁感應強度、高磁導率、低矯頑力、低剩磁和較低的損耗等[1-2]，并被廣泛應用在電力電子領域以及電流傳感器中[3]。

磁場退火作為材料加工工藝的一種，其目的是通過感生的單軸各向異性來改變材料的磁滯回線（B-H回線）的形狀，以滿足對材料的某些特殊的性能需求。對非晶態(tài)軟磁材料來說，最常用的磁場退火工藝是縱向磁場退火（熱處理時所加磁場的方向和以后使用磁性的方向平行）和橫向磁場退火（熱處理時所加磁場的方向和以后使用的磁性的方向垂直）。縱向磁場退火能使材料的磁滯回線矩形化，提高材料的剩磁比和最大磁導率，有效減小材料的矯頑力，同時鐵磁損耗增大。橫向磁場退火可以獲得平伏的磁滯回線，使材料具有恒磁導率，低剩余磁感應強度，同時鐵磁損耗減小，低損耗的非晶態(tài)合金鐵芯是非常優(yōu)質的制作脈沖變壓器的材料。制備恒導磁元器件的常用方法是鐵芯開口、橫磁場退火等[4]。鐵芯開口會使磁性能大大降低，渦流損耗成倍增長。對Fe-Si-B非晶合金采用部分晶化的方法也可獲得恒導磁性能[5-6]，但其恒導磁性能較低。

在Finemet合金中用微量的Ni（Co）原子替代Fe原子后可以增大合金的磁各向異性常數(shù)u，從而改變材料的磁各向異性，引起磁性能的變化[4,7-10]。本文在Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的基礎上，通過調節(jié)合金成份，用0.7個Si原子和0.3個Ni原子取代1個B原子，制備了Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶帶材，主要研究了微量Ni元素添加對FeCuNbSiB合金帶材的晶化行為以及對橫向磁場退火后的FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的軟磁性能的影響。

1 實驗

采用單輥快淬法制備了寬為20 mm、厚為25 μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金帶材；用繞帶機將其繞制成外徑為40 mm、內(nèi)徑為25 mm的環(huán)型磁芯；將環(huán)型磁芯放進退火爐中在不同的溫度下真空（10-3Pa）退火100 min，再將經(jīng)550 ℃真空退火制備的非晶/納米晶環(huán)型磁芯在真空（10-3Pa）保護條件下進行橫向磁場退火，磁場方向沿環(huán)型樣品的軸線方向，考慮到Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金的居里溫度為365 ℃[11]，磁場退火溫度選為490 ℃；將退火后的磁芯裝入護盤中，用漆包線在護盤上繞上初級線圈和次級線圈，磁芯的有效磁路長度為98.44 mm，有效截面積為127.3 mm2。

采用Bruker D-9 X-ray衍射分析儀進行物相分析(銅靶Kα輻射，特征波長λ為0.154 nm，衍射角(2θ)范圍為20°~90°，步長為0.02°，工作電流和電壓分別為40 kV和40 mA)；采用SDT Q600 instrument (TA, America)同步熱分析儀進行差熱分析（升溫速率10 ℃/min，高純(99.99%)氬氣氣氛保護）；采用無磁不銹鋼管式氣氛電阻爐進行退火，真空氛圍（10-3Pa），退火溫度為550 ℃，保溫時間為100 min，退火后空冷；采用MATS-2010SD軟磁直流測試儀和MATS-2010SA軟磁交流測試儀分別測試直流軟磁性能和交流軟磁性能（測試頻率為20 kHz，初級線圈和次級線圈分別為10匝和3匝）；采用XL2817B型LRC數(shù)字電橋測試電感和品質因數(shù)（繞線1匝，測試電平為1 V，測試頻率為5~200 kHz）；采用HT36鐵芯測試儀測試伏安特性（初級線圈和次級線圈均為1匝，勵磁電流為0.25~1 A）。

2 結果與分析

2.1 微量鎳元素添加對合金帶材的非晶特性和晶化行為的影響

圖1 微量鎳元素添加對非晶帶材在淬火態(tài)的DSC曲線的影響

圖2 微量鎳元素添加對合金帶材XRD譜的影響

由圖2可知，兩種合金帶材在淬火態(tài)的衍射譜均顯示出非晶結構典型的漫散峰特征，不存在任何尖銳的晶體相衍射峰，只是在2= 45°附近顯現(xiàn)寬化的漫散峰，說明兩種淬火態(tài)合金帶材均為非晶態(tài)結構。隨著退火溫度的升高，兩種合金帶材在2= 45°處的漫散峰的強度逐漸增強，漫射峰寬度逐漸變窄，且經(jīng)450 ℃退火沒有出現(xiàn)明顯的晶化現(xiàn)象，基本為非晶態(tài)。

當退火溫度升高到500 ℃時，兩種合金帶材衍射譜線上在2=44.7°、65°、82 ℃顯現(xiàn)了尖銳的衍射峰，經(jīng)PDF卡片對照，在(110)、(200)、(211)三個晶面的相結構為Fe3Si(bcc)。

當退火溫度達到550 ℃時，與FeCuNbSiB合金帶材相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB合金帶材的衍射峰的強度更強，峰寬度更窄。用謝樂公式計算出2=44.7°處，F(xiàn)eCuNbSiB和FeNiCuNbSiB合金帶材的晶粒尺寸大小分別為11.044 nm和12.583 nm，表明兩種合金帶材經(jīng)550 ℃熱處理后均形成了非晶和納米晶雙相共存結構。這種由納米晶和非晶組成的結構使其具有優(yōu)良的軟磁性能，如高飽和磁感應強度、高磁導率、低矯頑力、低剩磁和較低的損耗等[12-13]。

Finemet合金可獲得優(yōu)異軟磁特性的重要條件之一是其經(jīng)熱處理后（一般選擇一級晶化峰溫度升高20℃為最佳退火溫度）可以形成具有bcc結構的單一的α-Fe(Si)納米級晶粒。而對于一般的非晶態(tài)合金，加熱到一級起始晶化溫度Tx1時就劇烈晶化，形成的晶粒大小為微米級，晶粒長大得很快，且不能獲得單一的晶化相。但在Fe-Si-B合金中加入Cu和Nb后形成的Fe-Cu-Nb-Si-B非晶態(tài)合金，晶化后可以形成單一的α-Fe(Si)納米級晶粒結構，獲得由非晶和納米晶組成的復相組織，平均晶粒尺寸可達到8~16 nm[14]。

2.2 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能的影響

表1 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能的影響

由表1可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的初始磁導率i和飽和磁感應強度s減小，矯頑力c增大。說明微量Ni元素的添加降低了非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能。初始磁導率i的降低在一定程度上可提高FeCuNbSiB非晶態(tài)合金的直流偏置的抗飽和能力及抗偏磁能力，特別是在含有直流分量的電磁應用環(huán)境中，可以大大提高用FeCuNbSiB非晶態(tài)合金制成的各種電磁元件的穩(wěn)定性。

由圖3可知，F(xiàn)eCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當磁場強度在0.72~2.44 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導率的特點，其磁導率恒定在0.09475~0.09409H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.00066 H/m；而添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當磁場強度在2.28~4.60 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導率的特點，其磁導率恒定在0.05698~0.05598 H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.001 H/m。

圖4 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的磁滯回線的影響

由圖4可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的磁滯回線更向橫軸偏斜。

磁滯回線的變化的主要原因是在磁場退火中，由于鐵磁交換作用，使得一些晶粒結合在一起，阻礙了單個晶粒磁晶各向異性的形成，最后形成了一有效各向異性u（感生單軸各向異性），又可稱為磁疇各向異性。在理想情況下，由于磁場退火的作用，許多晶粒結合在一起形成磁疇各向異性，其磁矩沿著退火時外磁場的方向或接近該方向。而橫向感生的u 垂直于易軸方向，從而磁滯回線變得狹長，趨向恒導磁特性[11]。通過橫向磁場退火，使磁疇取向垂直于磁化場方向，故可將磁化過程視為完全的疇轉動過程，所以損耗很低。這種以低剩余磁感應強度和低損耗為特征的非晶/納米晶鐵芯，是制作脈沖變壓器的優(yōu)質材料。

2.3 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的交流軟磁性能的影響

由圖5可知，測試頻率為20 kHz時，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，當最大磁感應強度m不變時，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的有效幅值磁導率a增大，矯頑力c和比總磁損耗s均減小。兩種非晶/納米晶磁芯的交流矯頑力c和比總磁損耗s均隨著最大磁感應強度m的增大而增大。

FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當最大磁感應強度m在72~490 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導率的特點，其有效幅值磁導率a恒定在0.0408~ 0.0426 H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.0018 H/m；而添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當最大磁感應強度m在70~490 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導率的特點，其有效幅值磁導率a恒定在0.0468~0.0498 H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.0021 H/m。

2.4 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的電感和品質因數(shù)頻率特性的影響

圖6 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的電感和品質因數(shù)頻率特性的影響

由圖6可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，當測試頻率不變時，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的電感和品質因數(shù)均增大。隨著測試頻率的升高，兩種非晶/納米晶磁芯的電感均減小，品質因數(shù)均增大[15]。

2.5 微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的伏安特性的影響

圖7微量鎳元素添加對非晶/納米晶磁芯的伏安特性的影響

由圖7可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，當勵磁電流不變時，添加微量Ni元素FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的感應電動勢大。兩種非晶/納米晶磁芯的感應電動勢均隨著勵磁電流的增大而線性增大[16]。

3 結論

2）橫向磁場退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/納米晶磁芯均呈恒磁導率的特點。與Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/納米晶磁芯相比，雖然添加微量Ni元素的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能降低（起始磁導率i和飽和磁感應強度s減小，剩磁c增大），但在較高頻率時的交流軟磁性能提高（有效幅值磁導率a、電感s、品質因數(shù)和感應電動勢增大，比總損耗s和矯頑力c減?。?，從而大大提高了FeCuNbSiB非晶態(tài)合金在高頻下（100 kHz以內(nèi)）的軟磁性能，特別有利于在逆變電源的高頻變壓器、脈沖變壓器、UPS電源變壓器、開關電源輸出濾波電抗器、EMC電磁兼容領域的共模濾波電感、儀表領域的抗直流分量的互感器等中的應用。

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Effect of trace Ni element on the soft magnetic properties of Fe-based amorphous/nanocrystalline cores

*JANG Da-guo,WENG Xing-wang,WANG Tong-shuai,LIU Qi-rui

（School of Mathematics and Physics, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China）

Annular cores with an external diameter of 40mm and an internal diameter of 25mm were made after the alloy strips Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9and Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8with a width of 20 mm and a thickness of 25 μm were prepared by the single roll technique, and then annealed under different temperatures. The effect of trace Ni element on the crystallization behavior of alloy strips and on the soft magnetic properties of amorphous/nanocrystalline cores after annealing by transverse magnetic field were investigated. Results show that, relative to Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9alloy strips, Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8alloy strips with trace Ni element have the lower first-stage starting crystallization temperaturex1and crystallization peak temperaturep1, the higher second-stage starting crystallization temperature Tx2and crystallization peak temperaturep2, and a larger difference between the first-stage and the second-stage starting crystallization temperatures Δx. After annealing by transverse magnetic field, Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8cores have the lower initial permeabilityμand saturation induction densityB, and the higher coercive forceHas compared with Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9amorphous/nanocrystalline cores. Meanwhile, Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8cores have the larger effective amplitude permeabilityμ, and the special magnetic lossPand smaller coercive forceHwhen the test frequencyand maximum magnetic inductionmare constant, the larger inductanceLand quality factorwhen the test frequency does not change, and the larger volt-ampere characteristicwhen the excitation currentis unchanged.

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9alloy strips; addition of trace Ni element; amorphous/nanocrystal cores; soft magnetic properties; transverse magnetic field annealing

1674-8085(2018)03-0077-07

TG139.8

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.03.016

2017-11-23；

2018-03-12

國家自然科學基金項目（51461020）；江西省自然科學基金項目（20151BAB202025）；江西省教育廳科技項目（GJJ150786）；江西省原子與分子物理重點學科項目（2011-2015）

*蔣達國(1968-)，男，江西吉安人，教授，碩士，主要從事磁性材料與器件研究(E-mail:jgsxy_jdg@sohu.com);

文興旺(1997-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，井岡山大學數(shù)理學院本科生(E-mail: 2213264109@qq.com);

王同帥(1997-)，男，甘肅白銀人，井岡山大學數(shù)理學院本科生(E-mail: 596546869@qq.com);

劉啟瑞(1997-)，男，河南鄭州人，井岡山大學數(shù)理學院本科生(E-mail: 2552927653).