拉磁溫度對(duì)納米晶磁芯性能影響研究

崔興華，洪 興，郭亞男，王守坤，張 璐，曹 婷

（中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司 安泰科技股份有限公司，北京 100081）

鐵基納米晶合金是一類(lèi)新型軟磁材料,具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低損耗的優(yōu)異軟磁性能，在新材料開(kāi)發(fā)研制方面引起廣泛關(guān)注，促使材料向小型化、輕量化、高頻化發(fā)展。目前主要替代鐵氧體和硅鋼應(yīng)用于共模電感、電抗器、變壓器等電力電子器件中[1]。近年來(lái)，鐵基納米晶合金在電動(dòng)汽車(chē)等新能源領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，主要搭載在汽車(chē)牽引逆變器、OBC(車(chē)載充電機(jī))、和汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，用于諧波治理。

1988年，日本的Yoshizawa[2]率先報(bào)道了利用熔體快淬技術(shù)制備摻有Cu和Nb的非晶FeSiB合金，而后經(jīng)過(guò)熱退火處理使非晶金屬晶化的過(guò)程。該納米晶合金的發(fā)現(xiàn)是形成鐵基軟磁材料發(fā)展中的一次飛躍。之后人們相繼用非晶晶化法在Fe-M-B(M=Zr、Hf或Nb)等合金中獲得納米晶軟磁合金。近年來(lái)，F(xiàn)e73.5Cu1Nb3Si13.5B9(即Finemet[3])合金是應(yīng)用最廣泛的一種納米晶軟磁合金。這些納米晶軟磁材料都需經(jīng)過(guò)后退火處理。所以，除合金成分、制帶工藝、帶材厚度外，退火工藝也是影響軟磁性能的重要因素。普通熱處理工藝通過(guò)退火溫度和保溫時(shí)間的綜合調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)納米晶晶粒的快速均勻析出以獲得優(yōu)異的軟磁性能。磁場(chǎng)熱處理[4,5]工藝是為滿(mǎn)足材料某些特殊磁性能的要求而衍生出來(lái)的，其目的是通過(guò)感生的單軸各向異性來(lái)優(yōu)化材料軟磁性能和改變材料的磁滯回線(xiàn)(B-H)的形狀。對(duì)于納米晶軟磁材料，橫向磁場(chǎng)退火可得到平伏狹長(zhǎng)的磁滯回線(xiàn)，使材料具有低恒磁導(dǎo)率，低損耗及低剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。

本文以Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7納米晶合金為研究對(duì)象，研究了經(jīng)過(guò)一次普通熱處理后，使用不同拉磁溫度進(jìn)行二次磁場(chǎng)處理對(duì)鐵基納米晶磁芯性能的影響，分析各自特點(diǎn)，為不同應(yīng)用要求的納米晶磁芯選擇合適的磁場(chǎng)溫度提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 磁芯制備

使用厚度為20μm～23μm的納米晶帶材卷繞成30mm×20mm×10mm的磁芯。使用全自動(dòng)卷繞機(jī)卷繞，卷繞內(nèi)芯尺寸為20.5mm，外徑值為29.8mm，卡外徑卷繞；卷重范圍為22.1g±0.5g。卷繞后裸芯端面平整、手捏鐵芯可自動(dòng)回彈。將卷繞后裸芯同爐同制度進(jìn)行普通熱處理，保溫溫度為575℃，保溫時(shí)間80min，然后使用不同的拉磁溫度（分別為350℃、400℃、450℃和500℃）進(jìn)行二次磁場(chǎng)熱處理獲得所需要的樣品性能對(duì)比曲線(xiàn)。

1.2 性能測(cè)試

采用聯(lián)眾MATS-2010SD Hysteresisgraph軟磁直流測(cè)試電壓測(cè)試其靜態(tài)磁滯回線(xiàn)；使用Aglient4294A型阻抗分析儀測(cè)試磁芯的電感值和阻抗值。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉磁溫度對(duì)磁芯靜態(tài)磁性能的影響

圖1是經(jīng)過(guò)575℃普通熱處理，然后使用350℃進(jìn)行二次磁場(chǎng)熱處理后獲得的磁芯B-H曲線(xiàn)，從圖1可以看出，橫向磁場(chǎng)退火得到的磁滯回線(xiàn)形狀為平伏狹長(zhǎng)型。表1是經(jīng)過(guò)相同的普通制度熱處理后使用不同拉磁溫度進(jìn)行二次熱處理后獲得的磁芯靜態(tài)磁性能對(duì)比表。從表1可以看出，隨著拉磁溫度的升高，初始磁導(dǎo)率μi和最大磁導(dǎo)率μm單調(diào)遞減；剩磁Br、矯頑力Hc、和矩形比Br/Bs也呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs無(wú)明顯差異。呈現(xiàn)在B-H曲線(xiàn)上的變化就是，B-H曲線(xiàn)變得狹窄且向X軸偏移。所以要根據(jù)磁芯性能要求，綜合考慮，選擇合適的拉磁制度，達(dá)到初始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率和剩磁、矯頑力的匹配。

圖1 350℃磁場(chǎng)磁芯的B-H曲線(xiàn)

表1 拉磁溫度對(duì)磁芯靜態(tài)磁性能的影響

2.2 拉磁溫度對(duì)磁芯磁導(dǎo)率的影響

圖2是在保溫溫度為575℃，保溫時(shí)間為80min條件下進(jìn)行普通熱處理后，分別使用不同拉磁溫度進(jìn)行磁場(chǎng)處理的納米晶磁芯磁導(dǎo)率隨頻率變化的曲線(xiàn)。由圖2可知，拉磁溫度對(duì)10kHz～20kHz的影響較明顯，在該頻段，隨著拉磁溫度的升高，磁導(dǎo)率遞減；20kHz之后，拉磁溫度對(duì)磁導(dǎo)率的影響明顯減弱；100kHz之后，350℃拉磁的磁導(dǎo)率稍低于其他拉磁溫度，隨著頻率的增加，他們之間的差異逐漸縮小；10MHz以后，四條曲線(xiàn)基本重合。所以，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)不同頻率的磁導(dǎo)率需求，制定不同的拉磁溫度，通過(guò)普通熱處理和磁場(chǎng)熱處理雙重作用，達(dá)到預(yù)期磁導(dǎo)率值。

圖2 不同拉磁溫度對(duì)磁芯磁導(dǎo)率的影響

2.3 拉磁溫度對(duì)磁芯阻抗性能的影響

圖3是上述磁芯阻抗隨頻率的變化曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可知，在10kHz～20kHz之間，拉磁溫度越高，阻抗越低；20kHz之后，在除350℃的其他溫度下拉磁，阻抗差異不是很明顯。所以，350℃拉磁，低頻阻抗較高，但其高頻阻抗性能較差；400℃、450℃、500℃這三個(gè)拉磁溫度對(duì)高頻阻抗的影響差別不大。綜合考慮，對(duì)于20μm～23μm帶厚的磁芯，400℃拉磁在性能上兼具了低頻和高頻優(yōu)勢(shì)，且節(jié)省能源，是一個(gè)較為理想的拉磁溫度。

圖3 不同拉磁溫度對(duì)磁芯阻抗的影響

3 結(jié)論

本文介紹了Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7帶材經(jīng)過(guò)普通熱處理后，進(jìn)行不同溫度磁場(chǎng)處理，其磁性能與拉磁溫度的關(guān)系。研究結(jié)果表明。

（1）隨著拉磁溫度的升高，初始磁導(dǎo)率μi和最大磁導(dǎo)率μm單調(diào)遞減；剩磁Br、矯頑力Hc、和矩形比Br/Bs也呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs無(wú)明顯差異。

（2）對(duì)于20μm～23μm帶厚的ON-30*20*10共模磁芯，相對(duì)于其他拉磁溫度，400℃在性能上兼具了低頻和高頻優(yōu)勢(shì)，且節(jié)省能源，是一個(gè)較為理想的拉磁溫度。