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      熱等靜壓對鐵基非晶納米晶合金軟磁性能的影響

      2023-02-15 11:56:56楊元政時俊磊肖貴華
      金屬熱處理 2023年1期
      關(guān)鍵詞:軟磁矯頑力磁導(dǎo)率

      楊元政,時俊磊,肖貴華,徐 佳,2,陳 脈,羅 廳

      (1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510006; 2. 廣東省科學(xué)院 材料與加工研究所,廣東 廣州 510651)

      一般地,在加熱過程中非晶態(tài)金屬會經(jīng)歷多次結(jié)晶,可能導(dǎo)致形成不同的結(jié)晶相。Fe基非晶納米晶合金是比較重要的軟磁材料,提高其軟磁性能的方法是獲得細(xì)小均勻的第一晶化相。而高溫退火形成的納米晶合金可以從非晶基體中析出均勻的α-Fe相[1],可以有效地提高軟磁性能,磁導(dǎo)率高達(dá)100 000[2]。目前,F(xiàn)e基納米晶的熱處理主要有普通熱處理[3]和磁場熱處理[4]。普通熱處理具備晶化和去應(yīng)力的作用,但退火后組織不夠均勻化,磁損耗也有待進(jìn)一步降低;應(yīng)力熱處理可以降低飽和磁致伸縮,但會產(chǎn)生單軸感生各向異性;磁場熱處理可以調(diào)整磁疇磁化機制,降低矯頑力,但增加了感生各向異性Ku。采用合適的工藝來降低磁各向異性和獲得均勻的組織結(jié)構(gòu),可以改善Fe基非晶納米晶的軟磁性能。

      熱等靜壓主要應(yīng)用于粉末冶金[5],同時具備冷等靜壓和燒結(jié)的重要優(yōu)點,可細(xì)化晶粒、降低樣品孔隙度和磁晶各向異性[6],提高鐵鎳合金的軟磁性能[7]。在熱處理技術(shù)中,鮮有報道熱等靜壓處理對Fe基非晶納米晶合金軟磁性能的影響。本文主要探討了熱等靜壓處理對微調(diào)Ni代替部分Fe元素的Finemet合金的軟磁性能的影響,與普通氮氣保護(hù)熱處理比較了有效磁導(dǎo)率和磁損耗等軟磁性能數(shù)據(jù),重點分析了熱等靜壓對高頻有效磁導(dǎo)率的影響。

      1 試驗材料與方法

      本試驗采用厚度為(18±1) μm的Ni代替部分Fe元素的Finemet合金帶材,其密度為7.2 g/cm3。將帶材繞成φ25 mm×φ15 mm×10 mm的磁環(huán),其疊片系數(shù)均為0.84。對磁環(huán)進(jìn)行兩種退火處理工藝,分別為普通熱處理(Nitrogen annealing heat treatment,NA)和熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP),通過對比兩種熱處理方式,從物相結(jié)構(gòu)、軟磁性能等方面分析熱等靜壓對晶粒細(xì)化、應(yīng)力釋放的影響。

      1)普通熱處理工藝:將制備好的磁芯放在管式爐中,對石英管進(jìn)行抽真空和洗氣,然后在200 mL/min的流動氮氣下進(jìn)行熱處理。具體溫度曲線為:從室溫以20 ℃/min升至480 ℃保溫0.5 h;然后以2 ℃/min升至510 ℃保溫0.5 h;預(yù)處理結(jié)束后繼續(xù)以1 ℃/min升至最佳退火溫度Ta=560 ℃進(jìn)行保溫1 h退火處理;保溫結(jié)束后空冷至150 ℃取樣[8]。

      2)熱等靜壓工藝:在普通熱處理工藝的退火處理時,通入氮氣并將壓強保持在20 MPa,進(jìn)行Ta=560 ℃退火處理,保溫1 h,保溫結(jié)束后空冷至150 ℃取樣。

      磁芯損耗和矯頑力用FE-2010SA軟磁交流設(shè)備測量,測試頻率為10~100 kHz,最大磁通量密度值Bm=0.1 T。磁芯的有效磁導(dǎo)率由測試的電感計算所得。樣品的電感用3260B型精密磁性元件測試儀在匝數(shù)為1匝的情況下測試所得,經(jīng)過推導(dǎo)后的有效磁導(dǎo)率μe為[9]:

      (1)

      式中:L為電感量;N為線圈測試時的匝數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7;A為磁芯的有效橫截面積;l為磁芯的有效磁路長度。

      2 試驗結(jié)果與討論

      2.1 XRD分析

      圖1為樣品經(jīng)過HIP處理和NA處理后的XRD圖譜。由圖1發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e基非晶合金分別經(jīng)過熱等靜壓與普通熱處理退火后,兩者的物相基本一致。為了更清晰地了解其內(nèi)在變化,通過測量退火后α-Fe晶粒沿(110)面的取向θ半高寬,根據(jù)謝樂公式來估算晶粒的平均尺寸[10],通過計算可知普通氮氣熱處理的晶粒的平均尺寸為13.1 nm,經(jīng)過熱等靜壓處理的晶粒的平均尺寸為11.9 nm,這說明經(jīng)過熱等靜壓處理可以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。

      圖1 Fe基合金帶材分別在560 ℃經(jīng)熱等靜壓和普通熱處理退火后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of the Fe-based alloy strips after hot isostatic pressed and nitrogen annealed at 560 ℃, respectively

      2.2 熱等靜壓對Fe基非晶納米晶合金軟磁性能的影響

      圖2為樣品經(jīng)過HIP處理和NA處理后的磁性能隨頻率的變化曲線。為了方便比較兩種熱處理方式對磁芯高頻性能的影響,表1給出了兩種樣品在100 kHz時的磁性能數(shù)據(jù)。

      矯頑力(Hc)可以反映出合金磁化的難易程度,只與磁疇壁的不可逆移動有關(guān)[11]。結(jié)合圖2(a)和表1可以看出,在10~100 kHz頻段中,經(jīng)過HIP處理的樣品的矯頑力均比經(jīng)過NA處理的樣品要低。經(jīng)過NA處理的樣品在100 kHz的矯頑力為2.04 A/m,而經(jīng)過HIP處理后矯頑力降低到1.33 A/m,減小了53.4%,說明熱等靜壓處理進(jìn)一步降低了矯頑力。

      圖2 HIP處理和NA處理樣品的磁性能隨頻率的變化Fig.2 Magnetic property variation of the specimens after HIP and NA treatment with frequency (a) Hc; (b) μe; (c) Ps; (d) Q

      磁導(dǎo)率(μe)表征著磁芯的導(dǎo)磁能力,其數(shù)值的高低直接影響著線圈的設(shè)計。在氣氛保護(hù)熱處理工藝中,由于磁疇排布的非均勻性,磁疇壁移動是影響磁導(dǎo)率的主要因素。結(jié)合圖2(b)和表1可以看出,分別經(jīng)過HIP和NA處理的樣品的磁導(dǎo)率隨頻率的變化曲線在大約20 kHz處的頻率有交點。在低頻段,經(jīng)過NA處理的樣品的有效磁導(dǎo)率更高;而在高頻,結(jié)果則相反。這說明熱等靜壓能提高高頻的有效磁導(dǎo)率。NA樣品在100 kHz的有效磁導(dǎo)率為11 579,然而HIP樣品的有效磁導(dǎo)率為15 980,增加了38.0%。在熱等靜壓處理時,由于退火過程中施加20 MPa的壓強,導(dǎo)致Fe基帶材磁芯的應(yīng)力釋放,同時影響晶粒的長大以及降低磁各向異性常數(shù),有利于磁疇壁移動。普通熱處理時在交變頻率下經(jīng)氣氛保護(hù)退火的Fe基納米晶合金磁導(dǎo)率主要受fc(與磁疇阻尼運動有關(guān)的頻率)影響,fc越大,高頻磁導(dǎo)率越高[12]。

      在磁性合金材料中,矯頑力越低,其磁滯損耗(Ps)就越小[13]。結(jié)合圖2(c)和表1對比HIP和NA熱處理對Fe基非晶納米晶合金磁損耗的影響。在最大磁感應(yīng)強度Bm=0.1 T時,經(jīng)過NA處理的樣品在10 kHz和100 kHz的磁損耗分別為0.16 W/kg和10.10 W/kg,而經(jīng)過HIP處理的樣品在10~100 kHz頻段有著更低的磁損耗,在10 kHz時為0.11 W/kg,在100 kHz時為6.58 W/kg,分別比NA處理時降低了34.9%和34.1%。

      磁芯在交變磁場作用下,其動態(tài)磁化與能量轉(zhuǎn)換過程中會伴隨著能量的儲存和消耗。品質(zhì)因數(shù)Q可以作為衡量磁芯性能的一個重要指標(biāo),其數(shù)值越高,性能越好。由圖2(d)和表1可以看出,在f=100 kHz,經(jīng)過NA處理的樣品的品質(zhì)因數(shù)為0.46,而經(jīng)過熱等靜壓處理后,樣品的品質(zhì)因數(shù)提高到0.70,增加了52.2%,說明HIP處理改善了Fe基非晶納米晶合金的高頻性能。

      表1 HIP處理和NA處理樣品的晶粒尺寸和磁性能(100 kHz)對比

      3 結(jié)論

      1) 在100 kHz的高頻下,F(xiàn)e基非晶納米晶合金經(jīng)普通熱處理后的矯頑力和磁損耗(Bm=0.1 T)分別為2.04 A/m和10.10 W/kg,而經(jīng)熱等靜壓處理后的矯頑力和磁損耗(Bm=0.1 T)分別為1.33 A/m和6.58 W/kg,與普通熱處理相比,分別降低了53.4%和34.9%。

      2) Fe基非晶納米晶合金經(jīng)普通熱處理后的有效磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)分別為11 579和0.46,而經(jīng)熱等靜壓處理后的有效磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)分別為15 980和0.70,與普通熱處理相比分別增加了38.0%和52.2%。

      3) Fe基非晶納米晶合金經(jīng)熱等靜壓處理后的高頻軟磁性能更優(yōu)。

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