拉磁溫度對納米晶磁芯性能影響研究

崔興華，洪 興，郭亞男，王守坤，張 璐，曹 婷

（中國鋼研科技集團有限公司 安泰科技股份有限公司，北京 100081）

鐵基納米晶合金是一類新型軟磁材料,具有高飽和磁感應強度、高磁導率、低矯頑力、低損耗的優(yōu)異軟磁性能，在新材料開發(fā)研制方面引起廣泛關注，促使材料向小型化、輕量化、高頻化發(fā)展。目前主要替代鐵氧體和硅鋼應用于共模電感、電抗器、變壓器等電力電子器件中[1]。近年來，鐵基納米晶合金在電動汽車等新能源領域也得到廣泛應用，主要搭載在汽車牽引逆變器、OBC(車載充電機)、和汽車轉向系統(tǒng)上，用于諧波治理。

1988年，日本的Yoshizawa[2]率先報道了利用熔體快淬技術制備摻有Cu和Nb的非晶FeSiB合金，而后經過熱退火處理使非晶金屬晶化的過程。該納米晶合金的發(fā)現是形成鐵基軟磁材料發(fā)展中的一次飛躍。之后人們相繼用非晶晶化法在Fe-M-B(M=Zr、Hf或Nb)等合金中獲得納米晶軟磁合金。近年來，Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(即Finemet[3])合金是應用最廣泛的一種納米晶軟磁合金。這些納米晶軟磁材料都需經過后退火處理。所以，除合金成分、制帶工藝、帶材厚度外，退火工藝也是影響軟磁性能的重要因素。普通熱處理工藝通過退火溫度和保溫時間的綜合調控來實現納米晶晶粒的快速均勻析出以獲得優(yōu)異的軟磁性能。磁場熱處理[4,5]工藝是為滿足材料某些特殊磁性能的要求而衍生出來的，其目的是通過感生的單軸各向異性來優(yōu)化材料軟磁性能和改變材料的磁滯回線(B-H)的形狀。對于納米晶軟磁材料，橫向磁場退火可得到平伏狹長的磁滯回線，使材料具有低恒磁導率，低損耗及低剩余磁感應強度。

本文以Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7納米晶合金為研究對象，研究了經過一次普通熱處理后，使用不同拉磁溫度進行二次磁場處理對鐵基納米晶磁芯性能的影響，分析各自特點，為不同應用要求的納米晶磁芯選擇合適的磁場溫度提供理論依據。

1 試驗

1.1 磁芯制備

使用厚度為20μm～23μm的納米晶帶材卷繞成30mm×20mm×10mm的磁芯。使用全自動卷繞機卷繞，卷繞內芯尺寸為20.5mm，外徑值為29.8mm，卡外徑卷繞；卷重范圍為22.1g±0.5g。卷繞后裸芯端面平整、手捏鐵芯可自動回彈。將卷繞后裸芯同爐同制度進行普通熱處理，保溫溫度為575℃，保溫時間80min，然后使用不同的拉磁溫度（分別為350℃、400℃、450℃和500℃）進行二次磁場熱處理獲得所需要的樣品性能對比曲線。

1.2 性能測試

采用聯眾MATS-2010SD Hysteresisgraph軟磁直流測試電壓測試其靜態(tài)磁滯回線；使用Aglient4294A型阻抗分析儀測試磁芯的電感值和阻抗值。

2 結果與討論

2.1 拉磁溫度對磁芯靜態(tài)磁性能的影響

圖1是經過575℃普通熱處理，然后使用350℃進行二次磁場熱處理后獲得的磁芯B-H曲線，從圖1可以看出，橫向磁場退火得到的磁滯回線形狀為平伏狹長型。表1是經過相同的普通制度熱處理后使用不同拉磁溫度進行二次熱處理后獲得的磁芯靜態(tài)磁性能對比表。從表1可以看出，隨著拉磁溫度的升高，初始磁導率μi和最大磁導率μm單調遞減；剩磁Br、矯頑力Hc、和矩形比Br/Bs也呈現單調遞減趨勢。飽和磁感應強度Bs無明顯差異。呈現在B-H曲線上的變化就是，B-H曲線變得狹窄且向X軸偏移。所以要根據磁芯性能要求，綜合考慮，選擇合適的拉磁制度，達到初始磁導率最大磁導率和剩磁、矯頑力的匹配。

圖1 350℃磁場磁芯的B-H曲線

表1 拉磁溫度對磁芯靜態(tài)磁性能的影響

2.2 拉磁溫度對磁芯磁導率的影響

圖2是在保溫溫度為575℃，保溫時間為80min條件下進行普通熱處理后，分別使用不同拉磁溫度進行磁場處理的納米晶磁芯磁導率隨頻率變化的曲線。由圖2可知，拉磁溫度對10kHz～20kHz的影響較明顯，在該頻段，隨著拉磁溫度的升高，磁導率遞減；20kHz之后，拉磁溫度對磁導率的影響明顯減弱；100kHz之后，350℃拉磁的磁導率稍低于其他拉磁溫度，隨著頻率的增加，他們之間的差異逐漸縮??；10MHz以后，四條曲線基本重合。所以，在實際生產過程中，需要根據不同頻率的磁導率需求，制定不同的拉磁溫度，通過普通熱處理和磁場熱處理雙重作用，達到預期磁導率值。

圖2 不同拉磁溫度對磁芯磁導率的影響

2.3 拉磁溫度對磁芯阻抗性能的影響

圖3是上述磁芯阻抗隨頻率的變化曲線。從曲線可知，在10kHz～20kHz之間，拉磁溫度越高，阻抗越低；20kHz之后，在除350℃的其他溫度下拉磁，阻抗差異不是很明顯。所以，350℃拉磁，低頻阻抗較高，但其高頻阻抗性能較差；400℃、450℃、500℃這三個拉磁溫度對高頻阻抗的影響差別不大。綜合考慮，對于20μm～23μm帶厚的磁芯，400℃拉磁在性能上兼具了低頻和高頻優(yōu)勢，且節(jié)省能源，是一個較為理想的拉磁溫度。

圖3 不同拉磁溫度對磁芯阻抗的影響

3 結論

本文介紹了Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7帶材經過普通熱處理后，進行不同溫度磁場處理，其磁性能與拉磁溫度的關系。研究結果表明。

（1）隨著拉磁溫度的升高，初始磁導率μi和最大磁導率μm單調遞減；剩磁Br、矯頑力Hc、和矩形比Br/Bs也呈現單調遞減趨勢。飽和磁感應強度Bs無明顯差異。

（2）對于20μm～23μm帶厚的ON-30*20*10共模磁芯，相對于其他拉磁溫度，400℃在性能上兼具了低頻和高頻優(yōu)勢，且節(jié)省能源，是一個較為理想的拉磁溫度。