縱磁退火處理和張應(yīng)力對1K101非晶合金薄帶磁化特性及損耗的影響

高 潔，何承緒，宋文樂，楊富堯，劉 洋

(1.先進輸電技術(shù)國家重點實驗室 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 電工新材料研究所，北京 102211;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司 滄州供電分公司，河北 滄州 061001)

1K101(FeSiB)合金是一種鐵基非晶合金，利用超急冷凝技術(shù)(105～107K/s)制備而成的新型功能材料，其結(jié)構(gòu)呈玻璃態(tài)，具有高飽和磁通密度、低鐵損、低矯頑力等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于制備電力電子元器件[1-2]。1K101合金使用前普遍需要進行退火處理，但退火后導(dǎo)致帶材明顯脆化，限制了其應(yīng)用[3]。相關(guān)學(xué)者針對1K101非晶合金退火引起的脆化問題開展了大量研究，但至今仍未得到有效解決。文獻[4]提出通過降低退火溫度和縮短退火時間的方法緩解合金脆化，但該方法不利于合金軟磁性能的改善。Kong等[5]通過提高合金中的Fe含量方法制備出兼具高飽和磁感和極佳韌性的非晶帶材，但提高Fe含量導(dǎo)致合金非晶形成能力不足，工藝控制難度系數(shù)大，不易于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用[6]。因此，需要考慮采用其他方法來避免非晶合金的脆化問題。Iwasaki[7]、Yu等[8-9]提出了排除外磁場而單純通過外加應(yīng)力驅(qū)動非晶磁彈性材料磁化的思路。Ali等[10]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力能夠高效調(diào)控Fe81Si3.5B13.5C2 非晶態(tài)合金薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)和磁各向異性。此外，研究表明應(yīng)力退火能夠在非晶態(tài)Finemet(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)合金中產(chǎn)生比磁場退火更強的感生各向異性，由此實現(xiàn)對材料磁性的控制[11-12]。綜上可知，應(yīng)力對非晶合金的磁結(jié)構(gòu)及磁化行為具有顯著影響，同時可省去退火處理，避免帶材脆化，這為1K101合金的應(yīng)用提供了新的思路。

本文從應(yīng)力角度開展研究，探索張應(yīng)力對1K101合金非晶薄帶磁化特性及損耗的影響，分析磁疇形貌特征，為非晶合金磁性調(diào)控提供新的參考思路和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗材料及方法

本研究選用市售成分為Fe80Si9B11(原子分數(shù)，%)的淬火態(tài)1K101非晶合金薄帶，帶材厚度為24～26 μm，晶化溫度為510 ℃，表面光亮完好。沿帶材鑄造方向截取60 mm×300 mm單片試樣若干，分為A、B兩組，其中A組以出廠熱處理工藝進行縱磁退火處理，退火溫度為380 ℃，保溫60 min，爐溫200 ℃以上引入縱向磁場，采用非鐵磁性陶瓷襯環(huán)支撐試樣內(nèi)窗，施加氣氛保護；B組保持淬火態(tài)，不做處理。

基于磁性材料的磁光效應(yīng)，采用Kerr顯微鏡對A、B兩組樣品的中心部分進行宏觀磁疇形貌觀測。利用非晶單片測量系統(tǒng)(Amorphous SST)對兩組試樣進行軟磁性能測量，驅(qū)動磁化頻率f=50 Hz，波形為正弦，施加張應(yīng)力范圍為0～67 MPa，試樣受力情況示意圖如圖1所示，磁化方向與張應(yīng)力方向一致。

圖1 非晶薄帶試樣受力情況示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 縱磁退火處理及張應(yīng)力對磁化特性的影響

磁性材料的磁化性能特點主要表現(xiàn)在磁滯回線上。圖2為磁化場強度幅值Hm=80 A/m時，A、B樣品磁通密度B和磁化場強度H的交流磁滯回線?？梢钥闯?，縱磁退火處理前后帶材的磁滯回線形狀差異明顯，其中B樣品的磁滯回線平伏，帶材達到磁化飽和前的磁導(dǎo)率隨磁化場變化較為平緩；而經(jīng)380 ℃縱磁退火處理后的A樣品，磁滯回線方形度大，飽和磁通密度(Bs)和剩磁(Br)均顯著提高，矯頑力(Hc)明顯減小，帶材達到磁化飽和前的磁導(dǎo)率隨外磁場增強而出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，這表明縱磁退火熱處理后，1K101合金薄帶沿縱向易磁化程度大幅提高，軟磁性能得到明顯改善。

圖2 縱磁退火處理前后1K101非晶合金的交流磁滯回線

圖3為不同張應(yīng)力下A、B樣品的交流磁滯回線(Hm=80 A/m)。可以看出，當(dāng)施加約13.4 MPa的張應(yīng)力時，B樣品的交流磁滯回線形狀細長，合金沿應(yīng)力方向易磁化，磁導(dǎo)率、Br和Bs明顯提高，矯頑力Hc降低，與未加張應(yīng)力時A組樣品的磁化特征高度相似(如圖2所示)；隨著外加張應(yīng)力持續(xù)增大至67 MPa，淬火態(tài)1K101合金的磁導(dǎo)率、Br和Bs持續(xù)增加，Hc則不再隨張應(yīng)力變化，可見外加張應(yīng)力對淬態(tài)1K101非晶帶材的各個磁化參數(shù)有不同程度的影響。與B樣品不同，A樣品的交流磁滯回線幾乎不隨張應(yīng)力的增加而變化，說明外加張應(yīng)力對縱磁退火處理合金的磁化特性沒有明顯影響。

圖3 不同張應(yīng)力下A(a)、B(b)樣品的交流磁滯回線

2.2 縱磁退火處理及張應(yīng)力對鐵損的影響

交流磁通密度幅值Bm為1.3 T，分別對不同張應(yīng)力下A、B樣品進行損耗P的測量，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，對于B樣品，外加應(yīng)力增加至13.4 MPa前，1K101合金的損耗隨張應(yīng)力的增加而迅速下降，當(dāng)外加應(yīng)力超過13.4 MPa，合金損耗隨應(yīng)力增大而下降的趨勢減弱，而A樣品的損耗則基本不受應(yīng)力影響。對比分析可見，不同張應(yīng)力作用下A樣品的損耗均比B樣品小。綜上所述，外加張應(yīng)力對淬火態(tài)1K101合金有明顯降低薄帶損耗的作用，對縱磁退火處理后的帶材則沒有太大影響。

圖4 不同張應(yīng)力下1K101非晶合金的損耗變化(Bm=1.3 T)

2.3 磁疇形貌特征演變

由上述磁化特性分析可知，縱磁退火和外加張應(yīng)力均能夠提高淬火態(tài)1K101非晶合金的易磁化程度，為進一步探索出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，對合金的磁疇形貌進行了觀測。圖5為不同工藝處理后1K101非晶合金帶材的磁疇形貌結(jié)構(gòu)，平行方向為帶材長度方向。從圖5(a)可以看到，未退火樣品磁疇呈現(xiàn)出典型的弧狀寬大疇結(jié)構(gòu)，寬大疇內(nèi)部存在著無明顯分布和排列規(guī)律的迷宮樣窄小疇，可能是由于合金薄帶經(jīng)超急冷淬火成型，其內(nèi)部存在著大量不規(guī)則殘余應(yīng)力所致。從圖5(b)可以看到，縱磁退火后樣品內(nèi)部無細疇分布，呈典型的條狀寬大疇結(jié)構(gòu)，疇壁與帶材長度方向平行(如箭頭所示)。施加縱向張應(yīng)力后，淬態(tài)合金的磁疇形貌如圖5(c)所示，可以看到帶材的磁疇結(jié)構(gòu)為弧狀寬大疇中規(guī)則排列分布著Z形窄小疇，各個方向的窄小疇不再呈迷宮樣雜亂分布，可見張應(yīng)力能夠改變合金中一定區(qū)域內(nèi)窄小疇的磁疇形狀和排列方式。

圖5 1K101非晶合金帶材經(jīng)不同工藝處理后的磁疇形貌

3 分析與討論

3.1 磁化特性分析

技術(shù)磁化就是外加磁場把鐵磁材料中經(jīng)自發(fā)磁化形成的各個磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場方向(或近似外磁場方向)的過程，磁滯回線即技術(shù)磁化的結(jié)果。技術(shù)磁化通過兩種方式進行：一種是磁疇壁的位移，另一種是磁矩的旋轉(zhuǎn)，其中不可逆的磁疇壁位移引發(fā)巴克豪森跳躍，使磁矩瞬時轉(zhuǎn)向易磁化方向。由磁化特性分析結(jié)果可知，淬火態(tài)1K101合金薄帶磁化困難，磁導(dǎo)率??；縱磁退火處理后沿縱向易磁化，磁導(dǎo)率大幅提升。根據(jù)圖5(a)磁疇形貌觀察結(jié)果得知，急冷淬火態(tài)合金的磁疇結(jié)構(gòu)為弧狀寬大疇中分布著迷宮樣窄小疇，其磁化機制既有疇壁位移，也有磁矩轉(zhuǎn)動，因而難以磁化[13]。由圖5(b)可知，縱磁退火處理后1K101合金的磁疇結(jié)構(gòu)改變，條狀寬大疇的磁疇壁與磁場熱處理方向平行，無窄小疇，這表明磁化機制以磁疇壁移動為主。研究表明，在縱磁退火處理時，合金系統(tǒng)總自由能趨于減小，原子磁矩在熱激活和縱向磁場的雙重作用下重新排列，同時合金中因急速冷卻而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力得到有效釋放，待系統(tǒng)冷卻后，沿磁場有序排列的原子因擴散受到抑制而凍結(jié)下來，相當(dāng)于在合金中預(yù)留一個能量為E的感生等效場，故而磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變[14-16]。疇壁移動本質(zhì)上是疇壁附近磁矩的局部轉(zhuǎn)動，所消耗的外磁場能遠小于磁矩整體轉(zhuǎn)動，因此縱磁退火處理后合金沿縱磁場方向易磁化，磁導(dǎo)率明顯提高。

由圖3可知，張應(yīng)力下淬火態(tài)1K101合金的磁化特性與縱磁退火處理后高度相似，隨著外加應(yīng)力增加，磁滯回線表現(xiàn)出了典型的方形化特征。從能量觀點考慮，應(yīng)力導(dǎo)致材料非自發(fā)形變，其產(chǎn)生的磁彈性能由式(1)計算[17]：

(1)

式中：λs為飽和磁致伸縮系數(shù)；σ為外應(yīng)力；θ為磁化方向與應(yīng)力方向的夾角。由于1K101非晶合金的飽和磁致伸縮系數(shù)λs>0，在張應(yīng)力(σ>0)作用下，λsσ>0，因此當(dāng)應(yīng)力與磁化方向一致(θ=0)時，磁彈性能Eσ具有最小值，這意味著外加張應(yīng)力能夠等效為磁化方向的單軸磁各向異性場，該等效場使磁體在軸內(nèi)的磁化狀態(tài)趨于平衡，故沿張應(yīng)力方向形成了易磁化軸。隨著張應(yīng)力σ增加，Eσ進一步減小，應(yīng)力驅(qū)動各向異性持續(xù)加強，淬火態(tài)合金沿應(yīng)力方向更易磁化，表現(xiàn)為磁滯回線矩形化程度不斷加深，如圖3(b)所示。實際上，在應(yīng)力、磁場和高溫等外部因素作用下，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的非晶合金極易發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而獲得感生各向異性[18-19]，感生各向異性由原子對有序引起，即通過外部因素驅(qū)動使局部原子對發(fā)生有序偏斜，使磁矩分布發(fā)生變化[16]。由此推測，外加縱向張應(yīng)力使非晶原子對發(fā)生了局部重排，部分原子鍵方向與磁化方向趨于長程相關(guān)，宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)力驅(qū)動感生各向異性。從圖5(c)磁疇形貌特征來看，弧狀寬大疇內(nèi)部分布著沿應(yīng)力方向規(guī)則排列的Z形窄小疇，說明張應(yīng)力使窄小疇的疇壁和磁矩沿其方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁化時疇壁位移和磁矩轉(zhuǎn)動所需消耗的外磁場能相比于自由狀態(tài)減少，因此合金沿應(yīng)力方向更易磁化，這與圖3(b)的測試結(jié)果吻合。

3.2 損耗分析

軟磁薄帶材料的鐵損主要包括渦流損耗、磁滯損耗以及反常損耗。非晶合金片厚極薄，其鐵損以磁滯損耗為主，渦流損耗影響很小，當(dāng)磁化頻率f保持恒定時，材料的磁滯損耗Ph與矯頑力Hc成正比，如公式(2)所示[20]：

Ph=aBmHc

(2)

式中：a為常數(shù)；Bm為磁通密度幅值。據(jù)圖3可知，外加張應(yīng)力及縱磁退火處理均能夠有效降低淬火態(tài)1K101非晶合金的Hc，結(jié)合公式(2)分析，兩者均通過降低矯頑力使合金的渦流損耗減小。

對軟磁合金來說，矯頑力只與磁疇壁的不可逆移動過程有關(guān)。如前所述，在外應(yīng)力驅(qū)動下，非晶合金感生出宏觀單軸各向異性，磁滯回線具有明顯的方形化特征，Z形窄小疇沿應(yīng)力方向規(guī)則分布，所以考慮磁化時以磁疇壁位移機制為主。鑒于針對非晶合金的應(yīng)力及各向異性缺乏直接觀測，彭斌[17]、謝巧英[21]基于經(jīng)典Jiles-Atherton疇壁位移模型建立了非晶薄膜的各向異性磁滯模型，提出釘扎系數(shù)k隨應(yīng)力的變化應(yīng)滿足：

k=k0-k1σ+sk2(1-cosθ)

(3)

式中：k0為與應(yīng)力無關(guān)的釘扎系數(shù)；k1為外應(yīng)力大小的影響；k2為外應(yīng)力方向的影響；s為體現(xiàn)應(yīng)力方向的系數(shù)，施加張應(yīng)力時，s=1，施加壓應(yīng)力時，s=-1；θ為外應(yīng)力與磁場方向的夾角。釘扎系數(shù)k反應(yīng)了磁疇壁位移的阻力。因此，基于上述磁滯模型考慮，對以疇壁位移為主要磁化機制的非晶合金施加與磁化方向一致的張應(yīng)力時，合金的釘扎系數(shù)隨張應(yīng)力σ的增加而減小，矯頑力也隨之降低，其分析結(jié)果與本試驗結(jié)論相吻合。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是張應(yīng)力使淬火態(tài)1K101非晶合金的部分磁疇壁沿應(yīng)力方向發(fā)生局部偏移，疇壁借外力穿過淬火態(tài)合金內(nèi)應(yīng)力和缺陷集中的區(qū)域，導(dǎo)致釘扎作用減弱，同時增加了磁場方向的應(yīng)力等效場，矯頑力因此降低。但需要注意的是，合金的矯頑力與張應(yīng)力大小并不是簡單的線性關(guān)系，當(dāng)張應(yīng)力大于13.4 MPa時，繼續(xù)增加張應(yīng)力對矯頑力的影響作用變得非常有限。

基于以上分析，施加張應(yīng)力對淬火態(tài)1K101非晶合金的磁化特性有明顯的改善作用，且有效降低了材料損耗，在后續(xù)電力電子元器件加工過程中建議考慮引入應(yīng)力，不僅有利于提升元器件性能，而且省去退火熱處理工藝，避免帶材脆化。

4 結(jié)論

1)適當(dāng)?shù)耐饧訌垜?yīng)力能驅(qū)動淬火態(tài)1K101合金感生出單軸磁各向異性，使合金沿應(yīng)力方向更易磁化，軟磁特性得到明顯改善。結(jié)合Kerr磁疇觀測可知，軟磁性能改善的原因是合金中的Z形窄小疇沿應(yīng)力方向有序排列，磁化所需的外磁場能量相比迷宮疇減少。

2)外加張應(yīng)力對淬火態(tài)1K101非晶合金有明顯的降鐵損作用，這可能與應(yīng)力下合金釘扎力減弱，矯頑力下降有關(guān)。

3)通過外加張應(yīng)力來降低損耗，避免了非晶合金去應(yīng)力退火后的脆化問題，為淬火態(tài)1K101合金薄帶提供了除退火外的軟磁性能優(yōu)化思路。