鐵基納米晶磁芯熱處理工藝及性能研究

申 毅，趙昱臻，王立新，李志恩，李 博

（太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司，山西 太原 030003）

1 鐵基非晶納米晶軟磁材料概述

正常環(huán)境下軟磁材料具有低矯頑力、軟磁材料，這種材料在電力、電子等工業(yè)領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用[1，2]。而鐵基非晶納米晶軟磁材的結(jié)構(gòu)獨特，和優(yōu)異的軟磁性能，不僅具有較高的磁導(dǎo)率和較低的矯頑力，而且還具有低損耗以及高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的特點[3]。相較于傳統(tǒng)的軟磁材料，鐵基非晶納米晶合金材料具有更加綜合的軟磁性能，由于性能優(yōu)異使其獲得了廣泛的應(yīng)用，電力、電子領(lǐng)域都廣泛的應(yīng)用了這一材料。

2 鐵基納米晶磁芯熱處理工藝及性能

鐵基納米晶磁芯熱處理步驟為：將材料放置在介質(zhì)中，在一定溫度下進(jìn)行持續(xù)加熱，當(dāng)升高到一定溫度時要持續(xù)一段時間，然后在通過一定的冷卻方式和速率進(jìn)行冷卻，通過這一工藝可以使材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而改善其性能。選擇Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9鐵芯進(jìn)行研究，當(dāng)前企業(yè)在實際生產(chǎn)中，對這種鐵芯的熱處理主要采取真空熱處理技術(shù)，因此本文對真空熱處理熱處理工藝對鐵基納米晶磁芯性能的影響進(jìn)行研究。選用的鐵芯具體的參數(shù)為：尺寸18mm-11mm-8mm，疊片系數(shù)0.8。

2.1 真空熱處理工藝退火溫度對鐵基納米晶磁芯性能的影響

熱處理工藝參數(shù)：升溫速度為1℃/min，保溫時間為60min，由于非晶磁芯在526℃開始磁化，因此選擇的退火溫度為530℃、540℃、550℃，然后將其隨爐冷卻到200℃，出爐。待式樣冷卻到室溫以后，對其軟磁性能進(jìn)行測試。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同退火溫度時電感磁芯有效磁導(dǎo)率與頻率關(guān)系曲線

從圖中可以看出，在540℃的退火溫度下，其磁導(dǎo)率、磁性能和軟磁性能都處于最佳狀態(tài)，因此540℃為其最佳的退火溫度。

退火溫度對于鐵基納米晶磁芯磁性能的影響比較大，當(dāng)退火溫度比較低時，非晶基體上開始出現(xiàn)相，在溫度升高之后，晶粒數(shù)量就會不斷增多，外觀形態(tài)變大，在這種狀態(tài)下形成了非晶+bccFe（Si）固溶體的雙結(jié)構(gòu)，在納米晶系統(tǒng)中，納米晶粒之間存在交換耦合作用，以及磁晶各向異性的減小而得到強(qiáng)的耦合作用。

晶粒間的非晶相在這一個過程中起著非常重要的作用，這種交換作用就是由其進(jìn)行傳遞的，當(dāng)析出的α-Fe（Si）相的晶粒大小與比例處于一種匹配時期，能夠取得最佳的交換耦合強(qiáng)度，鐵基納米晶磁芯磁性異常趨近平均化，在這樣的條件性能夠得到最佳的磁性能。材料退火溫度持續(xù)上升情況下，需等待材料內(nèi)部殘余應(yīng)力減少直至消除，減輕了釘扎疇壁承受的阻力，這種情況下磁化矢量會向帶內(nèi)傾斜。這樣能夠使材料的軟磁性能得到有效的改善。

當(dāng)溫度上升到規(guī)定范圍時候，鐵基納米晶磁芯的晶相化外型尺寸變大，若晶粒尺寸超大，超出鐵磁交換長度LEX，固有的非晶納米晶雙向結(jié)構(gòu)會受損，材料的軟磁性能發(fā)生改變。

2.2 真空熱處理工藝退火時間對鐵基納米晶磁芯性能的影響

上面已經(jīng)確定最佳的退火溫度為540℃，在最佳退火溫度下對退火時間進(jìn)行研究，升溫速率繼續(xù)保持1℃/min，保溫時間設(shè)定三個，分別為30min、60min和90min，然后將其隨爐冷卻到200℃，出爐。待式樣冷卻到室溫以后，對其軟磁性能進(jìn)行測試。實驗結(jié)果如圖2所示，在60min的退火時間下，其磁導(dǎo)率、磁性能和軟磁性能都處于最佳狀態(tài)，因此60min為其最佳的退火時間。

圖2 不同退火時間時磁芯有效磁導(dǎo)率與頻率關(guān)系曲

通過研究可知，在最佳的退火溫度條件下，鐵基納米晶磁芯磁芯會受到退火時間的影響。當(dāng)處于保溫時間內(nèi)，退火時間的延長可以提高電感磁芯的磁性，并且能夠獲得較好尺寸與一定數(shù)量的納米晶相，形成非晶+bccFe（Si）固溶體的雙相結(jié)構(gòu)的形成，而這一結(jié)構(gòu)有利于鐵磁耦合。

而保溫時間和磁性能之間并不是正比關(guān)系，如果時間超過了一定的范圍，會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力基本被消除，然后再延長保溫時間，并不能夠起到明顯的提高磁性能的作用，而且時間過長的化還會導(dǎo)致晶化相數(shù)量增加，并導(dǎo)致晶粒尺寸增加，進(jìn)而破壞非晶納米雙向結(jié)構(gòu)，反而會造成磁性能的下降。

2.3 鐵基納米晶磁芯的疊片系數(shù)對其性能的影響

圖3 不同疊片系數(shù)磁芯經(jīng)最佳熱處理后有效磁導(dǎo)率與頻率關(guān)系

選用的鐵芯具體的參數(shù)為：尺寸18mm-11mm-8mm，疊片系數(shù)0.6、0.65、0.7、0.75、0.8。熱處理工藝參數(shù)：升溫速度為1℃/min，保溫時間為60min，退火溫度為540℃，將其隨爐冷卻到200℃，出爐。待式樣冷卻到室溫以后，對其軟磁性能進(jìn)行測試。實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著疊片系數(shù)的增加，非晶納米晶鐵芯的有效磁導(dǎo)率會隨著增加，從0.6～0.8，其有效磁導(dǎo)率能夠增加44%。而在0.7～0.8時磁芯的性能并內(nèi)有顯著差異，特別是在高頻段非晶納米晶鐵芯效率磁導(dǎo)率差別幾基本可以忽略不計，所以依據(jù)實際生產(chǎn)需求，選取較小的疊片系數(shù)，從而達(dá)到降低成本的目的。

3 結(jié)論

鐵基非晶納米晶軟磁材料具有優(yōu)異的性能，在電力、電子等工業(yè)領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用，在其加工過程中，熱處理工藝會對其性能造成顯著的影響，因此需要對熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的熱處理方法和條件，從而有效地提高其性能。