蔣達(dá)國(guó)，文興旺，王同帥，劉啟瑞

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微量鎳元素添加對(duì)鐵基非晶/納米晶磁芯軟磁性能的影響

*蔣達(dá)國(guó)，文興旺，王同帥，劉啟瑞

（井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院，江西，吉安 343009）

用單輥法制備的寬20 mm，厚25 μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金帶材，繞制成外徑為40 mm，內(nèi)徑為25 mm的環(huán)型磁芯，然后將磁芯在不同的溫度下進(jìn)行退火處理，研究了微量Ni元素添加對(duì)合金帶材的晶化行為以及對(duì)橫向磁場(chǎng)退火后的非晶/納米晶磁芯的軟磁性能的影響。結(jié)果表明：與Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金帶材相比，添加微量Ni元素的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金帶材的一級(jí)起始晶化溫度Tx1和一級(jí)晶化峰溫度Tp1降低，其二級(jí)起始晶化溫度Tx2和二級(jí)晶化峰溫度Tp2升高，兩級(jí)起始晶化溫度之間的差值Δx增大；與橫向磁場(chǎng)退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/納米晶磁芯相比，橫向磁場(chǎng)退火后的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/納米晶磁芯的起始磁導(dǎo)率i和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度s減小，矯頑力c增大；當(dāng)測(cè)試頻率和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度m不變時(shí)，有效幅值磁導(dǎo)率a增大，比總損耗s和矯頑力c減??；當(dāng)測(cè)試頻率不變時(shí)，電感s和品質(zhì)因數(shù)增大；當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大。

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金帶材；微量鎳元素添加；非晶/納米晶磁芯；軟磁性能；橫向磁場(chǎng)退火

0 引言

1988 年 Yoshizawa 等人[1]首先報(bào)道了型成分典為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(at%)的 Finemet合金，對(duì)其晶化熱處理后可以形成非晶/納米晶雙相結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)異的軟磁性能，如高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁和較低的損耗等[1-2]，并被廣泛應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域以及電流傳感器中[3]。

磁場(chǎng)退火作為材料加工工藝的一種，其目的是通過感生的單軸各向異性來改變材料的磁滯回線（B-H回線）的形狀，以滿足對(duì)材料的某些特殊的性能需求。對(duì)非晶態(tài)軟磁材料來說，最常用的磁場(chǎng)退火工藝是縱向磁場(chǎng)退火（熱處理時(shí)所加磁場(chǎng)的方向和以后使用磁性的方向平行）和橫向磁場(chǎng)退火（熱處理時(shí)所加磁場(chǎng)的方向和以后使用的磁性的方向垂直）?？v向磁場(chǎng)退火能使材料的磁滯回線矩形化，提高材料的剩磁比和最大磁導(dǎo)率，有效減小材料的矯頑力，同時(shí)鐵磁損耗增大。橫向磁場(chǎng)退火可以獲得平伏的磁滯回線，使材料具有恒磁導(dǎo)率，低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)鐵磁損耗減小，低損耗的非晶態(tài)合金鐵芯是非常優(yōu)質(zhì)的制作脈沖變壓器的材料。制備恒導(dǎo)磁元器件的常用方法是鐵芯開口、橫磁場(chǎng)退火等[4]。鐵芯開口會(huì)使磁性能大大降低，渦流損耗成倍增長(zhǎng)。對(duì)Fe-Si-B非晶合金采用部分晶化的方法也可獲得恒導(dǎo)磁性能[5-6]，但其恒導(dǎo)磁性能較低。

在Finemet合金中用微量的Ni（Co）原子替代Fe原子后可以增大合金的磁各向異性常數(shù)u，從而改變材料的磁各向異性，引起磁性能的變化[4,7-10]。本文在Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)合金成份，用0.7個(gè)Si原子和0.3個(gè)Ni原子取代1個(gè)B原子，制備了Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶帶材，主要研究了微量Ni元素添加對(duì)FeCuNbSiB合金帶材的晶化行為以及對(duì)橫向磁場(chǎng)退火后的FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的軟磁性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

采用單輥快淬法制備了寬為20 mm、厚為25 μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金帶材；用繞帶機(jī)將其繞制成外徑為40 mm、內(nèi)徑為25 mm的環(huán)型磁芯；將環(huán)型磁芯放進(jìn)退火爐中在不同的溫度下真空（10-3Pa）退火100 min，再將經(jīng)550 ℃真空退火制備的非晶/納米晶環(huán)型磁芯在真空（10-3Pa）保護(hù)條件下進(jìn)行橫向磁場(chǎng)退火，磁場(chǎng)方向沿環(huán)型樣品的軸線方向，考慮到Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金的居里溫度為365 ℃[11]，磁場(chǎng)退火溫度選為490 ℃；將退火后的磁芯裝入護(hù)盤中，用漆包線在護(hù)盤上繞上初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，磁芯的有效磁路長(zhǎng)度為98.44 mm，有效截面積為127.3 mm2。

采用Bruker D-9 X-ray衍射分析儀進(jìn)行物相分析(銅靶Kα輻射，特征波長(zhǎng)λ為0.154 nm，衍射角(2θ)范圍為20°~90°，步長(zhǎng)為0.02°，工作電流和電壓分別為40 kV和40 mA)；采用SDT Q600 instrument (TA, America)同步熱分析儀進(jìn)行差熱分析（升溫速率10 ℃/min，高純(99.99%)氬氣氣氛保護(hù)）；采用無磁不銹鋼管式氣氛電阻爐進(jìn)行退火，真空氛圍（10-3Pa），退火溫度為550 ℃，保溫時(shí)間為100 min，退火后空冷；采用MATS-2010SD軟磁直流測(cè)試儀和MATS-2010SA軟磁交流測(cè)試儀分別測(cè)試直流軟磁性能和交流軟磁性能（測(cè)試頻率為20 kHz，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈分別為10匝和3匝）；采用XL2817B型LRC數(shù)字電橋測(cè)試電感和品質(zhì)因數(shù)（繞線1匝，測(cè)試電平為1 V，測(cè)試頻率為5~200 kHz）；采用HT36鐵芯測(cè)試儀測(cè)試伏安特性（初級(jí)線圈和次級(jí)線圈均為1匝，勵(lì)磁電流為0.25~1 A）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微量鎳元素添加對(duì)合金帶材的非晶特性和晶化行為的影響

圖1 微量鎳元素添加對(duì)非晶帶材在淬火態(tài)的DSC曲線的影響

圖2 微量鎳元素添加對(duì)合金帶材XRD譜的影響

由圖2可知，兩種合金帶材在淬火態(tài)的衍射譜均顯示出非晶結(jié)構(gòu)典型的漫散峰特征，不存在任何尖銳的晶體相衍射峰，只是在2= 45°附近顯現(xiàn)寬化的漫散峰，說明兩種淬火態(tài)合金帶材均為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。隨著退火溫度的升高，兩種合金帶材在2= 45°處的漫散峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，漫射峰寬度逐漸變窄，且經(jīng)450 ℃退火沒有出現(xiàn)明顯的晶化現(xiàn)象，基本為非晶態(tài)。

當(dāng)退火溫度升高到500 ℃時(shí)，兩種合金帶材衍射譜線上在2=44.7°、65°、82 ℃顯現(xiàn)了尖銳的衍射峰，經(jīng)PDF卡片對(duì)照，在(110)、(200)、(211)三個(gè)晶面的相結(jié)構(gòu)為Fe3Si(bcc)。

當(dāng)退火溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，與FeCuNbSiB合金帶材相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB合金帶材的衍射峰的強(qiáng)度更強(qiáng)，峰寬度更窄。用謝樂公式計(jì)算出2=44.7°處，F(xiàn)eCuNbSiB和FeNiCuNbSiB合金帶材的晶粒尺寸大小分別為11.044 nm和12.583 nm，表明兩種合金帶材經(jīng)550 ℃熱處理后均形成了非晶和納米晶雙相共存結(jié)構(gòu)。這種由納米晶和非晶組成的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的軟磁性能，如高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁和較低的損耗等[12-13]。

Finemet合金可獲得優(yōu)異軟磁特性的重要條件之一是其經(jīng)熱處理后（一般選擇一級(jí)晶化峰溫度升高20℃為最佳退火溫度）可以形成具有bcc結(jié)構(gòu)的單一的α-Fe(Si)納米級(jí)晶粒。而對(duì)于一般的非晶態(tài)合金，加熱到一級(jí)起始晶化溫度Tx1時(shí)就劇烈晶化，形成的晶粒大小為微米級(jí)，晶粒長(zhǎng)大得很快，且不能獲得單一的晶化相。但在Fe-Si-B合金中加入Cu和Nb后形成的Fe-Cu-Nb-Si-B非晶態(tài)合金，晶化后可以形成單一的α-Fe(Si)納米級(jí)晶粒結(jié)構(gòu)，獲得由非晶和納米晶組成的復(fù)相組織，平均晶粒尺寸可達(dá)到8~16 nm[14]。

2.2 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能的影響

表1 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能的影響

由表1可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的初始磁導(dǎo)率i和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度s減小，矯頑力c增大。說明微量Ni元素的添加降低了非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能。初始磁導(dǎo)率i的降低在一定程度上可提高FeCuNbSiB非晶態(tài)合金的直流偏置的抗飽和能力及抗偏磁能力，特別是在含有直流分量的電磁應(yīng)用環(huán)境中，可以大大提高用FeCuNbSiB非晶態(tài)合金制成的各種電磁元件的穩(wěn)定性。

由圖3可知，F(xiàn)eCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.72~2.44 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導(dǎo)率的特點(diǎn)，其磁導(dǎo)率恒定在0.09475~0.09409H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.00066 H/m；而添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度在2.28~4.60 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導(dǎo)率的特點(diǎn)，其磁導(dǎo)率恒定在0.05698~0.05598 H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.001 H/m。

圖4 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的磁滯回線的影響

由圖4可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的磁滯回線更向橫軸偏斜。

磁滯回線的變化的主要原因是在磁場(chǎng)退火中，由于鐵磁交換作用，使得一些晶粒結(jié)合在一起，阻礙了單個(gè)晶粒磁晶各向異性的形成，最后形成了一有效各向異性u(píng)（感生單軸各向異性），又可稱為磁疇各向異性。在理想情況下，由于磁場(chǎng)退火的作用，許多晶粒結(jié)合在一起形成磁疇各向異性，其磁矩沿著退火時(shí)外磁場(chǎng)的方向或接近該方向。而橫向感生的u 垂直于易軸方向，從而磁滯回線變得狹長(zhǎng)，趨向恒導(dǎo)磁特性[11]。通過橫向磁場(chǎng)退火，使磁疇取向垂直于磁化場(chǎng)方向，故可將磁化過程視為完全的疇轉(zhuǎn)動(dòng)過程，所以損耗很低。這種以低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗為特征的非晶/納米晶鐵芯，是制作脈沖變壓器的優(yōu)質(zhì)材料。

2.3 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的交流軟磁性能的影響

由圖5可知，測(cè)試頻率為20 kHz時(shí)，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，當(dāng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度m不變時(shí)，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的有效幅值磁導(dǎo)率a增大，矯頑力c和比總磁損耗s均減小。兩種非晶/納米晶磁芯的交流矯頑力c和比總磁損耗s均隨著最大磁感應(yīng)強(qiáng)度m的增大而增大。

FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當(dāng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度m在72~490 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導(dǎo)率的特點(diǎn)，其有效幅值磁導(dǎo)率a恒定在0.0408~ 0.0426 H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.0018 H/m；而添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯，當(dāng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度m在70~490 A/m的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)恒磁導(dǎo)率的特點(diǎn)，其有效幅值磁導(dǎo)率a恒定在0.0468~0.0498 H/m范圍內(nèi)，變化幅度為0.0021 H/m。

2.4 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的電感和品質(zhì)因數(shù)頻率特性的影響

圖6 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的電感和品質(zhì)因數(shù)頻率特性的影響

由圖6可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，當(dāng)測(cè)試頻率不變時(shí)，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的電感和品質(zhì)因數(shù)均增大。隨著測(cè)試頻率的升高，兩種非晶/納米晶磁芯的電感均減小，品質(zhì)因數(shù)均增大[15]。

2.5 微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的伏安特性的影響

圖7微量鎳元素添加對(duì)非晶/納米晶磁芯的伏安特性的影響

由圖7可知，與FeCuNbSiB非晶/納米晶磁芯相比，當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，添加微量Ni元素FeNiCuNbSiB非晶/納米晶磁芯的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大。兩種非晶/納米晶磁芯的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均隨著勵(lì)磁電流的增大而線性增大[16]。

3 結(jié)論

2）橫向磁場(chǎng)退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/納米晶磁芯均呈恒磁導(dǎo)率的特點(diǎn)。與Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/納米晶磁芯相比，雖然添加微量Ni元素的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/納米晶磁芯的直流軟磁性能降低（起始磁導(dǎo)率i和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度s減小，剩磁c增大），但在較高頻率時(shí)的交流軟磁性能提高（有效幅值磁導(dǎo)率a、電感s、品質(zhì)因數(shù)和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，比總損耗s和矯頑力c減?。瑥亩蟠筇岣吡薋eCuNbSiB非晶態(tài)合金在高頻下（100 kHz以內(nèi)）的軟磁性能，特別有利于在逆變電源的高頻變壓器、脈沖變壓器、UPS電源變壓器、開關(guān)電源輸出濾波電抗器、EMC電磁兼容領(lǐng)域的共模濾波電感、儀表領(lǐng)域的抗直流分量的互感器等中的應(yīng)用。

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Effect of trace Ni element on the soft magnetic properties of Fe-based amorphous/nanocrystalline cores

*JANG Da-guo,WENG Xing-wang,WANG Tong-shuai,LIU Qi-rui

（School of Mathematics and Physics, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China）

Annular cores with an external diameter of 40mm and an internal diameter of 25mm were made after the alloy strips Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9and Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8with a width of 20 mm and a thickness of 25 μm were prepared by the single roll technique, and then annealed under different temperatures. The effect of trace Ni element on the crystallization behavior of alloy strips and on the soft magnetic properties of amorphous/nanocrystalline cores after annealing by transverse magnetic field were investigated. Results show that, relative to Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9alloy strips, Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8alloy strips with trace Ni element have the lower first-stage starting crystallization temperaturex1and crystallization peak temperaturep1, the higher second-stage starting crystallization temperature Tx2and crystallization peak temperaturep2, and a larger difference between the first-stage and the second-stage starting crystallization temperatures Δx. After annealing by transverse magnetic field, Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8cores have the lower initial permeabilityμand saturation induction densityB, and the higher coercive forceHas compared with Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9amorphous/nanocrystalline cores. Meanwhile, Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8cores have the larger effective amplitude permeabilityμ, and the special magnetic lossPand smaller coercive forceHwhen the test frequencyand maximum magnetic inductionmare constant, the larger inductanceLand quality factorwhen the test frequency does not change, and the larger volt-ampere characteristicwhen the excitation currentis unchanged.

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9alloy strips; addition of trace Ni element; amorphous/nanocrystal cores; soft magnetic properties; transverse magnetic field annealing

1674-8085(2018)03-0077-07

TG139.8

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.03.016

2017-11-23；

2018-03-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51461020）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20151BAB202025）；江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ150786）；江西省原子與分子物理重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（2011-2015）

*蔣達(dá)國(guó)(1968-)，男，江西吉安人，教授，碩士，主要從事磁性材料與器件研究(E-mail:jgsxy_jdg@sohu.com);

文興旺(1997-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院本科生(E-mail: 2213264109@qq.com);

王同帥(1997-)，男，甘肅白銀人，井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院本科生(E-mail: 596546869@qq.com);

劉啟瑞(1997-)，男，河南鄭州人，井岡山大學(xué)數(shù)理學(xué)院本科生(E-mail: 2552927653).