退火温度和环氧树脂封装对Fe78Si9B13非晶合金软磁性能的影响

2015-12-11蒋达国

机械工程材料 2015年8期

郭斌，蒋达国

（井冈山大学1.现代教育技术中心；2.数理学院，吉安343009）

0 引言

自1960年Duwez［1］教授采用快淬工艺制备非晶合金以来，非晶合金就以独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能［2］和广阔的应用前景而受到了材料科学工作者的特别关注。

非晶合金的原子排列无序，不存在结晶学上的晶粒和晶界、位错等缺陷，是一种具有均匀组织的材料，即不存在宏观磁晶各向异性。所以，其磁导率、矫顽力等磁性参数主要取决于饱和磁致伸缩系数和内部的应力状态。非晶合金在制备过程中由于急冷而在其内部产生了很大的内应力，Malkinski［3］估计这一应力可达到5～30MPa，这样大的内应力会在磁致伸缩系数很大的铁硅硼系非晶合金中产生大的磁弹耦合。因此，淬火态非晶合金的软磁性能很低。要提高其软磁性能，可以通过退火处理以消除在制备过程中产生的内应力，且退火温度应足以使原子充分扩散而不产生晶化。

环氧树脂具有良好的综合力学性能、较高的粘合力、小的收缩率、良好的稳定性以及优异的电绝缘性能，作为涂料、胶粘剂、复合材料树脂基体、电子封装材料等在机械、电子、电器、航天、航空等领域得到了广泛应用。

Fe78Si9B13非晶合金经退火处理后可以获得优良的软磁性能，但其脆性却增大了，在使用过程中受到外力碰撞时会使磁芯的磁性能不稳定，甚至会破坏磁芯［4-6］，这就给后续加工带来了很大困难，并在一定程度上限制了非晶磁芯的使用。另外，由于铁基非晶合金的主要成分为铁，在空气或潮湿的环境中会被氧化，从而影响其软磁性能和稳定性。

为解决经退火后铁基非晶合金脆性增加以及被氧化的问题，作者采用单辊法制备了Fe78Si9B13非晶带材，再将其绕制成环形磁芯，然后在不同温度下对环形磁芯进行退火处理，最后采用环氧树脂对其进行封装，研究了退火温度和环氧树脂封装对该非晶合金软磁性能的影响。

1 试样制备与试验方法

采用单辊快淬法制备了宽为20mm、厚为25μm的Fe78Si9B13非晶带材，用绕带机将其绕制成外径为40mm、内径为25mm的环形磁芯，再用非晶点焊机将带材末端焊接起来；然后将磁芯置于无磁不锈钢管式气氛电阻退火炉中进行退火处理，退火温度分别为350，400，450，500℃，保温时间为100min，退火后空冷，退火过程采用氩气气氛保护；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98.44mm，有效截面积为127.3mm2。

将环氧树脂E-51、低分子聚酰胺650环氧树脂固化剂、501环氧树脂触变剂、NDZ-101钛酸酯偶联剂按1∶1∶0.5∶0.02的质量比混合，充分搅拌均匀后制成环氧树脂封装胶；将经400℃×100min退火处理的Fe78Si9B13非晶磁芯放在封装胶中充分浸泡后取出，在常温下固化24h。

采用Bruker D-8型X射线衍射分析仪对退火前后的Fe78Si9B13合金进行物相分析，铜靶Kα辐射，石墨单色滤波器，特征波长为0.154nm，衍射角（2θ）范围为10°～90°，步长为0.02°，工作电压和电流分别为35kV和60mA；采用Q-600型同步热分析仪对淬火态Fe78Si9B13非晶合金进行差热分析，升温速率为10℃·min-1，采用高纯（99.99%）氩气气氛保护；采用MATS-2010SD型软磁直流测试仪测Fe78Si9B13合金的直流软磁性能。

2 试验结果与讨论

2.1 非晶状态和晶化行为

由图1可见，淬火态Fe78Si9B13合金呈现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，这表明淬火态Fe78Si9B13合金为非晶态结构；当退火温度低于400℃时，亦不存在任何尖锐的晶体相衍射峰，只是在2θ＝45°附近产生的漫散峰比淬火态的更窄，这表明此时的Fe78Si9B13合金依然为非晶态结构；当退火温度升至450℃时，出现了一些晶化峰，这说明非晶合金Fe78Si9B13发生了部分晶化，有微量晶相析出，晶化相可标定为bcc结构的α-Fe（Si）；当退火温度升至500℃时，XRD谱中出现了3个明显的衍射峰，从左至右依次分别对应bcc结构α-Fe的（110）、（200）和（211）衍射面。

图1 Fe78Si9B13合金退火前后的XRD谱Fig.1 XRD patterns of Fe78Si9B13alloy before and after annealing

由图2可见，淬火态Fe78Si9B13非晶合金的DSC曲线呈现出两级晶化的过程，对应的一级起始晶化温度Tx1为517℃，放热峰温度Tp1为521℃；第二级起始晶化温度Tx2为530℃，放热峰温度Tp2为536℃；第二个晶化放热峰比第一个晶化放热峰更尖锐，且峰的面积也更大，两级起始晶化温度的差值ΔTx为13℃。

2.2 退火温度对软磁性能的影响

由图3可知，随着退火温度升高，FeSiB 合金的初始磁导率μi、饱和磁感应强度Bs和矫顽力Hc呈先增大后减小的趋势；当退火温度为400℃时，Fe78Si9B13合金的综合软磁性能最佳，其初始磁导率和饱和磁感应强度达到最大，分别为0.008 3H·m-1和1.517T，此时的矫顽力为17.53A·m-1。

根据磁化理论［7］，铁磁材料在磁化过程中，磁导率μ和矫顽力Hc与材料的磁各向异性常数K、饱和磁滞伸缩系数λs、内应力σ、饱和磁化强度Ms的关系为：

图2 淬火态Fe78Si9B13非晶合金的DSC曲线Fig.2 DSC curve of as-quenched Fe78Si9B13amorphous alloy

图3 退火温度对Fe78Si9B13合金软磁性能的影响Fig.3 Effects of annealing temperature on soft magnetic properties of Fe78Si9B13alloy：（a）the effect on initial magnetic permeability；（b）the effect on saturation magnetization and（c）the effect on coercivity

在非晶带材制备过程中，由于高的冷却速率引入了高的内应力场，与非晶带材中的饱和磁致伸缩系数耦合，感生出磁各向异性；同时，合金熔体在铜辊圆周表面急冷而凝固成非晶带材的过程中，由于冷却速率的差异，造成了淬火态非晶带材在宽度方向存在较大的残余应力，使其外层的应力大于内部的，从而使其在宽度方向上具有内应力差［8-9］。因此，淬火态非晶带材存在形状、应力和感生磁各向异性，具有较高的磁畴畴壁能。所以，淬火态Fe78Si9B13非晶带材的综合软磁性能较低，即初始磁导率和饱和磁感应强度较小。

当退火温度低于晶化温度时，退火可以使非晶带材中因制备过程中产生的内应力得到充分释放，有效消除应力和感生磁各向异性；同时，升高温度有利于原子的扩散和迁移，导致原子的相对位置发生变化，从而使磁性原子的交换作用增强，磁畴畴壁能降低［10］。所以，在低于晶化温度下进行退火可以提高Fe78Si9B13非晶带材的综合软磁性能，即初始磁导率和饱和磁感应强度随着退火温度的升高而增大。但当退火温度达到400℃时，初始磁导率和饱和磁感应强度达到最大，而矫顽力并未达到最小，这说明高的初始磁导率和饱和磁感应强度与低的矫顽力存在不能统一的矛盾［11］。当退火温度达到450℃时，非晶Fe78Si9B13合金发生了部分晶化，晶相的析出导致Fe78Si9B13合金的综合软磁性能下降，即初始磁导率和饱和磁感应强度出现降低。

2.3 环氧树脂封装对软磁性能的影响

由表1可知，经环氧树脂封装后，Fe78Si9B13非晶磁芯的初始磁导率μi、最大磁导率μm、饱和磁感应强度Bs减小，剩磁Br、矫顽力Hc和磁滞损耗Pu增大，但它们的变化幅度较小。对于经环氧树脂封装的Fe78Si9B13非晶磁芯，由于环氧树脂在固化过程中发生收缩，产生了内应力，从而使其软磁性能有所降低［9，12］。

由图4可知，环氧树脂封装前后，Fe78Si9B13非晶磁芯的磁化曲线和磁滞回线基本上重合。这说明环氧树脂封装对Fe78Si9B13非晶磁芯综合软磁性能的影响不大。但采用环氧树脂封装可在其表面形成一层绝缘层，增加其强度，为后续加工带来方便，还可以提高利用率、减少破坏率，方便包装和运输［13］；同时，由于环氧树脂的包裹，Fe78Si9B13非晶磁芯放置在空气或潮湿的环境中，也不易被氧化，可以提高其磁性能的稳定性和使用寿命。