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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。