鐵基納米晶磁芯熱處理工藝及性能研究

申 毅，趙昱臻，王立新，李志恩，李 博

（太原鋼鐵(集團)有限公司，山西 太原 030003）

1 鐵基非晶納米晶軟磁材料概述

正常環境下軟磁材料具有低矯頑力、軟磁材料，這種材料在電力、電子等工業領域具有十分廣泛的應用[1，2]。而鐵基非晶納米晶軟磁材的結構獨特，和優異的軟磁性能，不僅具有較高的磁導率和較低的矯頑力，而且還具有低損耗以及高飽和磁感應強度的特點[3]。相較于傳統的軟磁材料，鐵基非晶納米晶合金材料具有更加綜合的軟磁性能，由于性能優異使其獲得了廣泛的應用，電力、電子領域都廣泛的應用了這一材料。

2 鐵基納米晶磁芯熱處理工藝及性能

鐵基納米晶磁芯熱處理步驟為：將材料放置在介質中，在一定溫度下進行持續加熱，當升高到一定溫度時要持續一段時間，然后在通過一定的冷卻方式和速率進行冷卻，通過這一工藝可以使材料的組織結構發生改變，進而改善其性能。選擇Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9鐵芯進行研究，當前企業在實際生產中，對這種鐵芯的熱處理主要采取真空熱處理技術，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行研究。選用的鐵芯具體的參數為：尺寸18mm-11mm-8mm，疊片系數0.8。

2.1 真空熱處理工藝退火溫度對鐵基納米晶磁芯性能的影響

熱處理工藝參數：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，對其軟磁性能進行測試。實驗結果如圖1所示。

圖1 不同退火溫度時電感磁芯有效磁導率與頻率關系曲線

從圖中可以看出，在540℃的退火溫度下，其磁導率、磁性能和軟磁性能都處于最佳狀態，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，當退火溫度比較低時，非晶基體上開始出現相，在溫度升高之后，晶粒數量就會不斷增多，外觀形態變大，在這種狀態下形成了非晶+bccFe（Si）固溶體的雙結構，在納米晶系統中，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行傳遞的，當析出的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。材料退火溫度持續上升情況下，需等待材料內部殘余應力減少直至消除，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傾斜。這樣能夠使材料的軟磁性能得到有效的改善。

當溫度上升到規定范圍時候，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構會受損，材料的軟磁性能發生改變。

2.2 真空熱處理工藝退火時間對鐵基納米晶磁芯性能的影響

上面已經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行研究，升溫速率繼續保持1℃/min，保溫時間設定三個，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，對其軟磁性能進行測試。實驗結果如圖2所示，在60min的退火時間下，其磁導率、磁性能和軟磁性能都處于最佳狀態，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率與頻率關系曲

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。當處于保溫時間內，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量的納米晶相，形成非晶+bccFe（Si）固溶體的雙相結構的形成，而這一結構有利于鐵磁耦合。

而保溫時間和磁性能之間并不是正比關系，如果時間超過了一定的范圍，會導致內應力基本被消除，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致晶化相數量增加，并導致晶粒尺寸增加，進而破壞非晶納米雙向結構，反而會造成磁性能的下降。

2.3 鐵基納米晶磁芯的疊片系數對其性能的影響

圖3 不同疊片系數磁芯經最佳熱處理后有效磁導率與頻率關系

選用的鐵芯具體的參數為：尺寸18mm-11mm-8mm，疊片系數0.6、0.65、0.7、0.75、0.8。熱處理工藝參數：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，對其軟磁性能進行測試。實驗結果如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著疊片系數的增加，非晶納米晶鐵芯的有效磁導率會隨著增加，從0.6～0.8，其有效磁導率能夠增加44%。而在0.7～0.8時磁芯的性能并內有顯著差異，特別是在高頻段非晶納米晶鐵芯效率磁導率差別幾基本可以忽略不計，所以依據實際生產需求，選取較小的疊片系數，從而達到降低成本的目的。

3 結論

鐵基非晶納米晶軟磁材料具有優異的性能，在電力、電子等工業領域具有十分廣泛的應用，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行優化，確定最佳的熱處理方法和條件，從而有效地提高其性能。