高飽和磁感應強度鐵基非晶合金帶材性能研究

武蘭民，吳 雪，張燕秉，楊富堯，高 潔，馬 光，陳 新

(1. 國家電網有限公司，北京 100031)(2. 全球能源互聯網研究院有限公司，北京 102211)

1 前 言

但非晶合金鐵心材料與傳統的變壓器鐵心用取向硅鋼相比，存在兩個明顯的不足：一是其空載損耗雖低，但飽和磁感應強度Bs也低，工作磁通密度僅為1.35 T，而取向硅鋼的為1.7 T；二是其飽和磁致伸縮系數λs高達2.7×10-5～2.8×10-5，因此非晶合金鐵心配電變壓器比取向硅鋼鐵心變壓器體積和噪音都大[4]。因此，開發(fā)新型高飽和磁感應強度、低磁致伸縮系數、熱穩(wěn)定性強的非晶合金成為近年來的研究熱點。

在低頻電磁元件中，鐵心的輸出功率主要由工作磁感應強度決定，提高材料的飽和磁感應強度是實現電子裝置小型化、輕量化的關鍵所在[1]。大量研究發(fā)現，要增大飽和磁感應強度，必須提高Fe基非晶合金中的Fe含量，但Fe含量過高會使非晶形成能力降低，熱穩(wěn)定性下降，快淬薄帶中難以得到單一均勻的非晶相。適當調整合金成分比例，有利于改善合金的磁性能，同時提高熔體的流動性，獲得表面質量好、脆性小、應力松弛率高、熱穩(wěn)定性好、飽和磁感應強度高、鐵損低的優(yōu)質高飽和磁感應強度鐵基非晶合金帶材。

非晶合金在液態(tài)急冷制備過程中，來不及正常形核長大而形成原子排列長程無序、短程有序的特殊結構，不存在宏觀磁各向異性，因此磁致伸縮就成為影響磁特性的主要因素之一[5]。此外，磁致伸縮效應是非晶配電變壓器噪音產生的重要因素，研究非晶合金帶材的磁致伸縮特性具有重要意義[6]。本文在傳統非晶合金的基礎上，通過調整合金成分中C和Si的含量比，制得高飽和磁感應強度鐵基非晶合金帶材(以下簡稱P型帶材)，并對其磁致伸縮特性進行研究。

2 實 驗

2.1 帶材制備與表征

將純度大于99.9%的Fe粉、Si塊和FeB合金原料按照一定的比例混合配置，放置于中頻感應爐的燒結坩堝內，抽真空至3.2×10-3Pa，充入高純氮氣進行氣氛保護，調節(jié)壓強至0.03 MPa，通電得到200 A左右的電流強度，使合金原料熔化后反復熔煉3～5次，不斷攪拌熔煉以防止成分偏析，最后熔煉成Fe-Si-B系母合金錠。將熔煉好的母合金鑄錠破碎成直徑小于8 mm的碎小顆粒，用丙酮和無水乙醇溶液超聲清洗后進行干燥。將處理后的母合金顆粒放入石英管中，石英管處于加熱感應線圈的中部，以適當的加熱速度加熱至1200～1300 ℃，在氬氣保護氣氛中對母合金錠進行重熔。待母合金完全熔融后，利用高壓氣流形成的內外壓差，使熔體噴到輥面轉動線速度為35～42 m/s的銅輥上，快速急冷形成非晶薄帶。

根據標準GB/T223.73—2008、GB/T 20123—2006、NACIS/CH 009:2013和NACIS/CH 121:2013，分別采用滴定法、紅外吸收法和光譜法(ICP-AES)對合金帶材的Fe，C，Si和B元素成分進行定量分析。采用Q-600 DSC-TGA 同步熱分析儀進行差熱分析，確定非晶帶材的退火熱處理溫度范圍。由于退火溫度影響材料最終的應用性能，需要針對不同成分確定合適的退火熱處理工藝。采用真空熱處理管式爐，在惰性保護氣氛中對非晶薄帶進行退火熱處理，對熱處理后的非晶帶材樣品用X射線衍射儀(BrukerD-8 X-ray,Cu Kα,λ=0.154 nm)進行物相分析，衍射角2θ為10°～90°，步長為0.02°。

2.2 磁性能測試

采用任意波形磁性能測量系統(MPG 200D, Brockhaus)測試退火后樣品的磁特性，得到室溫下退火后非晶合金樣品的正弦磁滯回線、磁化曲線與磁致伸縮測量的蝴蝶曲線。磁致伸縮測量樣品選用尺寸為100 mm×600 mm的單片試樣，圖1給出了配有激光多普勒振動儀的磁致伸縮測試系統，測量模塊示意圖如圖2所示[7]。模塊利用垂直單磁軛形成閉合磁路，放置在由空氣壓縮氣體支撐的防震臺上。測量時將待測單片試樣的一端用繞組外側的夾具固定，將反光鏡(光學靶點)粘貼在可自由伸縮的試樣的另一端，配合激光發(fā)射裝置和光學傳感頭，測出試樣在特定工況下的微小伸縮量，從而實現磁致伸縮的測量[8]。圖3為非晶合金帶材磁致伸縮測量系統基本電路原理示意圖[7]。其中，N1為初級繞組，N2為次級繞組，S為測量試樣，T為光學靶點，C為夾具。

圖1 磁致伸縮測試系統Fig.1 Magnetostriction test system

圖2 磁致伸縮測量模塊示意圖[7]Fig.2 Schematic diagram of magnetostriction measurement module[7]

圖3 磁致伸縮測量系統原理示意圖[7]Fig.3 Schematic diagram of magnetostrictive measurement system[7]

3 結果與討論

3.1 組織成分

表1給出了兩種非晶合金的化學成分，可以看出，具有高飽和磁感應強度的P型非晶合金，Fe含量較普通型合金(以下簡稱S型)略高，要保證Bs>1.6 T，Fe含量(原子數分數，下同)必須大于80%。但Fe含量過高會降低非晶形成能力，因此Fe含量要控制在82%以下。C比Si具有更強的非晶形成能力，且C的加入可以提高熔體的流動性及其與冷卻輥的可濕性。適當調整非晶形成元素C和Si的比例，不僅能夠保證較高的飽和磁感應強度，也可降低非晶合金的比總損耗。

表1 兩種非晶合金的成分Table 1 Composition of two kinds of amorphous alloys

P型非晶合金帶材的差示掃描量熱(DSC)曲線如圖4所示。曲線呈兩級晶化過程，對應的一級起始晶化溫度Tx1為521 ℃，放熱峰對應溫度Tp1為532 ℃；二級起始晶化溫度Tx2為541 ℃，放熱峰對應溫度Tp2為549 ℃。第2個晶化放熱峰比第1個晶化放熱峰尖銳，且峰的面積更大，兩級起始晶化溫度之間的差值ΔTx為20 ℃。在約420 ℃左右，曲線出現小的“抖動”，說明材料在此溫度發(fā)生比熱變化，變化發(fā)生在晶化轉變之前，對應材料的居里轉變過程，可確定此溫度為非晶帶材的居里溫度。隨著溫度的升高，非晶材料在居里溫度由鐵磁性轉變?yōu)轫槾判?，結合材料特點，選取熱處理溫度范圍為355～380 ℃。

3：7灰土拌合→分層鋪攤→碾壓夯實→水泥穩(wěn)定碎石基層混合料運輸→混合料攤鋪與整形→混合料碾壓→接縫處理及養(yǎng)生→瀝青混凝土混合料運輸→混合料攤鋪整形→混合料初壓復壓終壓→聚氨酯膠水涂底→黑色橡膠顆粒攪拌→攤鋪黑色橡膠顆?！雺撼尚汀鷾y量放線劃分區(qū)域→攪拌EPDM彩色顆?！鶨PDM顆粒攤鋪→碾壓成型。

圖4 P型非晶合金帶材的DSC曲線Fig.4 DSC curve of P-type amorphous alloy strip

圖5為退火后P型非晶合金帶材的XRD圖譜。圖中顯示出非晶結構典型的漫散射峰特征，退火后仍未出現任何尖銳的晶體相衍射峰，只是在2θ=45°附近有一個寬化的漫散射峰，說明此合金帶材試樣為完全的非晶態(tài)合金。

圖5 退火后P型非晶合金帶材的XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of P-type amorphous alloy strip after annealing

3.2 磁致伸縮性能

按照式(1)計算磁致伸縮瞬時值λ(t):

(1)

式中，λ(t)為磁致伸縮在時間為t的瞬時值；Δl0(t)為從退磁狀態(tài)長度到時間為t時基線長度的變化值，單位為m；l0為試樣的基線長度，單位為m。

圖6為采用激光多普勒振動儀實測出的蝴蝶(butterfly)曲線，表示在基波頻率f=50 Hz工況條件下非晶合金帶材磁致伸縮λ值與磁感應強度B的關系(Bmax=1.35 T)。由蝴蝶曲線能夠獲知樣品在整個磁化過程中磁致伸縮曲線的振幅λp-p(峰-峰值)。蝴蝶曲線是鐵心等設備元件振動噪聲仿真計算的重要參考，從圖中可以看出兩種類型帶材沿磁場方向的應變量隨磁感應強度的變化均呈現完美的蝴蝶形狀的曲線，且以B=0為軸保持對稱，P型合金的λp-p為836 nm/m，遠小于S型合金的λp-p(4079 nm/m)。

圖6 不同類型非晶帶材的蝴蝶曲線Fig.6 Butterfly curves of different types of amorphous strips

參照IEC/TR62581[8]，根據試樣均勻磁化區(qū)域內隨試樣長度方向變化的瞬時值λ(t)，進行傅里葉變換分解出不同頻率fi下的振幅λi，計算出加權磁致伸縮振動速度的聲壓水平LvA(dB,簡稱加權噪聲值)，如式(2)所示。在磁通密度為1.35 T的條件下，P型合金帶材加權噪聲值約為59 dB，而S型合金帶材加權噪聲值約為82 dB。

(2)

式中，ρ為空氣密度，單位為kg/m3；c為聲速，單位為m/s；fi為i次諧波頻率，單位為Hz；λi為i次諧波振幅；A(fi)為i次諧波頻率下的A計權系數；Pe0為最低可聞聲壓，為2×10-5Pa。

由圖7中合金的磁化曲線可以看出，隨著磁場強度H的增加，B急劇增大；當H增大到一定程度時，B逐漸趨于飽和。P型合金H增大到20 A/m時，B即接近飽和狀態(tài)；而S型非晶合金帶材需要H增加到100 A/m左右時，B才趨于飽和，且其Bs低于P型產品。研究發(fā)現，P型非晶合金產品的噪聲要小于普通S型產品，原因在于P型產品的磁化曲線具有較高的矩形比。

圖7 不同類型非晶合金帶材的磁化曲線Fig.7 Magnetic curves of different types of amorphous alloys strips

圖7中區(qū)域1為磁疇壁移動區(qū)域，在此區(qū)域范圍內噪音小，區(qū)域2為磁化回轉開始區(qū)域，該區(qū)域范圍內噪聲較大。普通型非晶合金(S型)向高磁感型(P型)轉化的過程，不僅是Bs提高的過程，同時也是合金磁化曲線的矩形比提高的過程，使達到Bs所需的H下降，從而減小磁性器件的勵磁電流和功率，使得噪音降低。

進一步研究λp-p與非晶合金矯頑力Hc的關系。測量得到非晶合金帶材在不同磁通密度條件下的磁滯回線，如圖8所示。磁滯回線表現出典型的鐵磁學特征，即在低H區(qū)，B隨H的增加而急速增加；在高H區(qū)，B隨H的增加而逐漸飽和。從圖8的插圖可以明顯看出，P型合金的Hc小于3 A/m，明顯低于S型合金的Hc，而其剩磁Br則高達1.35 T，遠高于S型合金的(0.8 T)，磁滯回線的矩形度更好，具有更佳的軟磁特性。

圖8 不同類型非晶合金帶材的磁滯回線Fig.8 Hysteresis loops of different types of amorphous alloy strips

研究表明，非晶合金帶材的Hc和λp-p成正相關關系，也就是說磁致伸縮系數越小，則Hc越小，軟磁性能越好，此實驗結論與式(3)和式(4)給出的Hc、磁各向異性常數K、磁致伸縮系數λs三者之間的物理關系相符。

(3)

(4)

其中，Pc為損耗，Js為磁極化強度，σ為壓力。

4 結 論

(1)適當提高Fe元素的含量，合理控制C和Si的比例，可得到高飽和磁感應強度鐵基非晶合金帶材，其飽和磁感應強度大于1.65 T。

(2)非晶合金帶材的磁致伸縮效應變化曲線呈現以B=0為軸對稱的蝴蝶曲線，P型合金的磁致伸縮振幅為836 nm/m，加權噪聲值為59 dB，遠小于S型合金的磁致伸縮振幅(4079 nm/m)和加權噪聲值(82 dB)。

(3)P型非晶合金產品的噪聲要小于普通S型產品，原因在于P型產品的磁化曲線具有較高的矩形比，磁疇壁移動區(qū)域更大，噪聲更低。

(4)P型非晶合金的磁滯回線矩形度更好，矯頑力小于3 A/m，且矯頑力與磁致伸縮振幅成正相關，說明磁致伸縮系數越小則非晶合金帶材矯頑力越小，軟磁性能越好。