蒋达国，文兴旺，王同帅，刘启瑞



微量镍元素添加对铁基非晶/纳米晶磁芯软磁性能的影响

*蒋达国，文兴旺，王同帅，刘启瑞

（井冈山大学数理学院，江西，吉安 343009）

用单辊法制备的宽20 mm，厚25 μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金带材，绕制成外径为40 mm，内径为25 mm的环型磁芯，然后将磁芯在不同的温度下进行退火处理，研究了微量Ni元素添加对合金带材的晶化行为以及对横向磁场退火后的非晶/纳米晶磁芯的软磁性能的影响。结果表明：与Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金带材相比，添加微量Ni元素的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金带材的一级起始晶化温度Tx1和一级晶化峰温度Tp1降低，其二级起始晶化温度Tx2和二级晶化峰温度Tp2升高，两级起始晶化温度之间的差值Δx增大；与横向磁场退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/纳米晶磁芯相比，横向磁场退火后的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/纳米晶磁芯的起始磁导率i和饱和磁感应强度s减小，矫顽力c增大；当测试频率和最大磁感应强度m不变时，有效幅值磁导率a增大，比总损耗s和矫顽力c减小；当测试频率不变时，电感s和品质因数增大；当励磁电流不变时，感应电动势大。

Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金带材；微量镍元素添加；非晶/纳米晶磁芯；软磁性能；横向磁场退火

0 引言

1988 年 Yoshizawa 等人[1]首先报道了型成分典为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(at%)的 Finemet合金，对其晶化热处理后可以形成非晶/纳米晶双相结构，获得优异的软磁性能，如高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低剩磁和较低的损耗等[1-2]，并被广泛应用在电力电子领域以及电流传感器中[3]。

磁场退火作为材料加工工艺的一种，其目的是通过感生的单轴各向异性来改变材料的磁滞回线（B-H回线）的形状，以满足对材料的某些特殊的性能需求。对非晶态软磁材料来说，最常用的磁场退火工艺是纵向磁场退火（热处理时所加磁场的方向和以后使用磁性的方向平行）和横向磁场退火（热处理时所加磁场的方向和以后使用的磁性的方向垂直）。纵向磁场退火能使材料的磁滞回线矩形化，提高材料的剩磁比和最大磁导率，有效减小材料的矫顽力，同时铁磁损耗增大。横向磁场退火可以获得平伏的磁滞回线，使材料具有恒磁导率，低剩余磁感应强度，同时铁磁损耗减小，低损耗的非晶态合金铁芯是非常优质的制作脉冲变压器的材料。制备恒导磁元器件的常用方法是铁芯开口、横磁场退火等[4]。铁芯开口会使磁性能大大降低，涡流损耗成倍增长。对Fe-Si-B非晶合金采用部分晶化的方法也可获得恒导磁性能[5-6]，但其恒导磁性能较低。

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异性常数u，从而改变材料的磁各向异性，引起磁性能的变化[4,7-10]。本文在Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的基础上，通过调节合金成份，用0.7个Si原子和0.3个Ni原子取代1个B原子，制备了Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶带材，主要研究了微量Ni元素添加对FeCuNbSiB合金带材的晶化行为以及对横向磁场退火后的FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯的软磁性能的影响。

1 实验

采用单辊快淬法制备了宽为20 mm、厚为25 μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8合金带材；用绕带机将其绕制成外径为40 mm、内径为25 mm的环型磁芯；将环型磁芯放进退火炉中在不同的温度下真空（10-3Pa）退火100 min，再将经550 ℃真空退火制备的非晶/纳米晶环型磁芯在真空（10-3Pa）保护条件下进行横向磁场退火，磁场方向沿环型样品的轴线方向，考虑到Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金的居里温度为365 ℃[11]，磁场退火温度选为490 ℃；将退火后的磁芯装入护盘中，用漆包线在护盘上绕上初级线圈和次级线圈，磁芯的有效磁路长度为98.44 mm，有效截面积为127.3 mm2。

采用Bruker D-9 X-ray衍射分析仪进行物相分析(铜靶Kα辐射，特征波长λ为0.154 nm，衍射角(2θ)范围为20°~90°，步长为0.02°，工作电流和电压分别为40 kV和40 mA)；采用SDT Q600 instrument (TA, America)同步热分析仪进行差热分析（升温速率10 ℃/min，高纯(99.99%)氩气气氛保护）；采用无磁不锈钢管式气氛电阻炉进行退火，真空氛围（10-3Pa），退火温度为550 ℃，保温时间为100 min，退火后空冷；采用MATS-2010SD软磁直流测试仪和MATS-2010SA软磁交流测试仪分别测试直流软磁性能和交流软磁性能（测试频率为20 kHz，初级线圈和次级线圈分别为10匝和3匝）；采用XL2817B型LRC数字电桥测试电感和品质因数（绕线1匝，测试电平为1 V，测试频率为5~200 kHz）；采用HT36铁芯测试仪测试伏安特性（初级线圈和次级线圈均为1匝，励磁电流为0.25~1 A）。

2 结果与分析

2.1 微量镍元素添加对合金带材的非晶特性和晶化行为的影响

图1 微量镍元素添加对非晶带材在淬火态的DSC曲线的影响

图2 微量镍元素添加对合金带材XRD谱的影响

由图2可知，两种合金带材在淬火态的衍射谱均显示出非晶结构典型的漫散峰特征，不存在任何尖锐的晶体相衍射峰，只是在2= 45°附近显现宽化的漫散峰，说明两种淬火态合金带材均为非晶态结构。随着退火温度的升高，两种合金带材在2= 45°处的漫散峰的强度逐渐增强，漫射峰宽度逐渐变窄，且经450 ℃退火没有出现明显的晶化现象，基本为非晶态。

当退火温度升高到500 ℃时，两种合金带材衍射谱线上在2=44.7°、65°、82 ℃显现了尖锐的衍射峰，经PDF卡片对照，在(110)、(200)、(211)三个晶面的相结构为Fe3Si(bcc)。

当退火温度达到550 ℃时，与FeCuNbSiB合金带材相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB合金带材的衍射峰的强度更强，峰宽度更窄。用谢乐公式计算出2=44.7°处，FeCuNbSiB和FeNiCuNbSiB合金带材的晶粒尺寸大小分别为11.044 nm和12.583 nm，表明两种合金带材经550 ℃热处理后均形成了非晶和纳米晶双相共存结构。这种由纳米晶和非晶组成的结构使其具有优良的软磁性能，如高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低剩磁和较低的损耗等[12-13]。

Finemet合金可获得优异软磁特性的重要条件之一是其经热处理后（一般选择一级晶化峰温度升高20℃为最佳退火温度）可以形成具有bcc结构的单一的α-Fe(Si)纳米级晶粒。而对于一般的非晶态合金，加热到一级起始晶化温度Tx1时就剧烈晶化，形成的晶粒大小为微米级，晶粒长大得很快，且不能获得单一的晶化相。但在Fe-Si-B合金中加入Cu和Nb后形成的Fe-Cu-Nb-Si-B非晶态合金，晶化后可以形成单一的α-Fe(Si)纳米级晶粒结构，获得由非晶和纳米晶组成的复相组织，平均晶粒尺寸可达到8~16 nm[14]。

2.2 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能的影响

表1 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能的影响

由表1可知，与FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯的初始磁导率i和饱和磁感应强度s减小，矫顽力c增大。说明微量Ni元素的添加降低了非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能。初始磁导率i的降低在一定程度上可提高FeCuNbSiB非晶态合金的直流偏置的抗饱和能力及抗偏磁能力，特别是在含有直流分量的电磁应用环境中，可以大大提高用FeCuNbSiB非晶态合金制成的各种电磁元件的稳定性。

由图3可知，FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯，当磁场强度在0.72~2.44 A/m的范围内，呈现恒磁导率的特点，其磁导率恒定在0.09475~0.09409H/m范围内，变化幅度为0.00066 H/m；而添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯，当磁场强度在2.28~4.60 A/m的范围内，呈现恒磁导率的特点，其磁导率恒定在0.05698~0.05598 H/m范围内，变化幅度为0.001 H/m。

图4 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的磁滞回线的影响

由图4可知，与FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯相比，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯的磁滞回线更向横轴偏斜。

磁滞回线的变化的主要原因是在磁场退火中，由于铁磁交换作用，使得一些晶粒结合在一起，阻碍了单个晶粒磁晶各向异性的形成，最后形成了一有效各向异性u（感生单轴各向异性），又可称为磁畴各向异性。在理想情况下，由于磁场退火的作用，许多晶粒结合在一起形成磁畴各向异性，其磁矩沿着退火时外磁场的方向或接近该方向。而横向感生的u 垂直于易轴方向，从而磁滞回线变得狭长，趋向恒导磁特性[11]。通过横向磁场退火，使磁畴取向垂直于磁化场方向，故可将磁化过程视为完全的畴转动过程，所以损耗很低。这种以低剩余磁感应强度和低损耗为特征的非晶/纳米晶铁芯，是制作脉冲变压器的优质材料。

2.3 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的交流软磁性能的影响

由图5可知，测试频率为20 kHz时，与FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯相比，当最大磁感应强度m不变时，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯的有效幅值磁导率a增大，矫顽力c和比总磁损耗s均减小。两种非晶/纳米晶磁芯的交流矫顽力c和比总磁损耗s均随着最大磁感应强度m的增大而增大。

FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯，当最大磁感应强度m在72~490 A/m的范围内，呈现恒磁导率的特点，其有效幅值磁导率a恒定在0.0408~ 0.0426 H/m范围内，变化幅度为0.0018 H/m；而添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯，当最大磁感应强度m在70~490 A/m的范围内，呈现恒磁导率的特点，其有效幅值磁导率a恒定在0.0468~0.0498 H/m范围内，变化幅度为0.0021 H/m。

2.4 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的电感和品质因数频率特性的影响

图6 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的电感和品质因数频率特性的影响

由图6可知，与FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯相比，当测试频率不变时，添加微量Ni元素的FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯的电感和品质因数均增大。随着测试频率的升高，两种非晶/纳米晶磁芯的电感均减小，品质因数均增大[15]。

2.5 微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的伏安特性的影响

图7微量镍元素添加对非晶/纳米晶磁芯的伏安特性的影响

由图7可知，与FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯相比，当励磁电流不变时，添加微量Ni元素FeNiCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯的感应电动势大。两种非晶/纳米晶磁芯的感应电动势均随着励磁电流的增大而线性增大[16]。

3 结论

2）横向磁场退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9和Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/纳米晶磁芯均呈恒磁导率的特点。与Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶/纳米晶磁芯相比，虽然添加微量Ni元素的Fe73.5Ni0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能降低（起始磁导率i和饱和磁感应强度s减小，剩磁c增大），但在较高频率时的交流软磁性能提高（有效幅值磁导率a、电感s、品质因数和感应电动势增大，比总损耗s和矫顽力c减小），从而大大提高了FeCuNbSiB非晶态合金在高频下（100 kHz以内）的软磁性能，特别有利于在逆变电源的高频变压器、脉冲变压器、UPS电源变压器、开关电源输出滤波电抗器、EMC电磁兼容领域的共模滤波电感、仪表领域的抗直流分量的互感器等中的应用。

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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

国家自然科学基金项目（51461020）；江西省自然科学基金项目（20151BAB202025）；江西省教育厅科技项目（GJJ150786）；江西省原子与分子物理重点学科项目（2011-2015）

*蒋达国(1968-)，男，江西吉安人，教授，硕士，主要从事磁性材料与器件研究(E-mail:jgsxy_jdg@sohu.com);

文兴旺(1997-)，男，江西萍乡人，井冈山大学数理学院本科生(E-mail: 2213264109@qq.com);

王同帅(1997-)，男，甘肃白银人，井冈山大学数理学院本科生(E-mail: 596546869@qq.com);

刘启瑞(1997-)，男，河南郑州人，井冈山大学数理学院本科生(E-mail: 2552927653).