拉磁温度对纳米晶磁芯性能影响研究

2021-11-02崔兴华郭亚男王守坤

中国金属通报 2021年10期

崔兴华，洪兴，郭亚男，王守坤，张璐，曹婷

（中国钢研科技集团有限公司安泰科技股份有限公司，北京 100081）

铁基纳米晶合金是一类新型软磁材料,具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低损耗的优异软磁性能，在新材料开发研制方面引起广泛关注，促使材料向小型化、轻量化、高频化发展。目前主要替代铁氧体和硅钢应用于共模电感、电抗器、变压器等电力电子器件中[1]。近年来，铁基纳米晶合金在电动汽车等新能源领域也得到广泛应用，主要搭载在汽车牵引逆变器、OBC(车载充电机)、和汽车转向系统上，用于谐波治理。

1988年，日本的Yoshizawa[2]率先报道了利用熔体快淬技术制备掺有Cu和Nb的非晶FeSiB合金，而后经过热退火处理使非晶金属晶化的过程。该纳米晶合金的发现是形成铁基软磁材料发展中的一次飞跃。之后人们相继用非晶晶化法在Fe-M-B(M=Zr、Hf或Nb)等合金中获得纳米晶软磁合金。近年来，Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(即Finemet[3])合金是应用最广泛的一种纳米晶软磁合金。这些纳米晶软磁材料都需经过后退火处理。所以，除合金成分、制带工艺、带材厚度外，退火工艺也是影响软磁性能的重要因素。普通热处理工艺通过退火温度和保温时间的综合调控来实现纳米晶晶粒的快速均匀析出以获得优异的软磁性能。磁场热处理[4,5]工艺是为满足材料某些特殊磁性能的要求而衍生出来的，其目的是通过感生的单轴各向异性来优化材料软磁性能和改变材料的磁滞回线(B-H)的形状。对于纳米晶软磁材料，横向磁场退火可得到平伏狭长的磁滞回线，使材料具有低恒磁导率，低损耗及低剩余磁感应强度。

本文以Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7纳米晶合金为研究对象，研究了经过一次普通热处理后，使用不同拉磁温度进行二次磁场处理对铁基纳米晶磁芯性能的影响，分析各自特点，为不同应用要求的纳米晶磁芯选择合适的磁场温度提供理论依据。

1 试验

1.1 磁芯制备

使用厚度为20μm～23μm的纳米晶带材卷绕成30mm×20mm×10mm的磁芯。使用全自动卷绕机卷绕，卷绕内芯尺寸为20.5mm，外径值为29.8mm，卡外径卷绕；卷重范围为22.1g±0.5g。卷绕后裸芯端面平整、手捏铁芯可自动回弹。将卷绕后裸芯同炉同制度进行普通热处理，保温温度为575℃，保温时间80min，然后使用不同的拉磁温度（分别为350℃、400℃、450℃和500℃）进行二次磁场热处理获得所需要的样品性能对比曲线。

1.2 性能测试

采用联众MATS-2010SD Hysteresisgraph软磁直流测试电压测试其静态磁滞回线；使用Aglient4294A型阻抗分析仪测试磁芯的电感值和阻抗值。

2 结果与讨论

2.1 拉磁温度对磁芯静态磁性能的影响

图1是经过575℃普通热处理，然后使用350℃进行二次磁场热处理后获得的磁芯B-H曲线，从图1可以看出，横向磁场退火得到的磁滞回线形状为平伏狭长型。表1是经过相同的普通制度热处理后使用不同拉磁温度进行二次热处理后获得的磁芯静态磁性能对比表。从表1可以看出，随着拉磁温度的升高，初始磁导率μi和最大磁导率μm单调递减；剩磁Br、矫顽力Hc、和矩形比Br/Bs也呈现单调递减趋势。饱和磁感应强度Bs无明显差异。呈现在B-H曲线上的变化就是，B-H曲线变得狭窄且向X轴偏移。所以要根据磁芯性能要求，综合考虑，选择合适的拉磁制度，达到初始磁导率最大磁导率和剩磁、矫顽力的匹配。

图1 350℃磁场磁芯的B-H曲线

表1 拉磁温度对磁芯静态磁性能的影响

2.2 拉磁温度对磁芯磁导率的影响

图2是在保温温度为575℃，保温时间为80min条件下进行普通热处理后，分别使用不同拉磁温度进行磁场处理的纳米晶磁芯磁导率随频率变化的曲线。由图2可知，拉磁温度对10kHz～20kHz的影响较明显，在该频段，随着拉磁温度的升高，磁导率递减；20kHz之后，拉磁温度对磁导率的影响明显减弱；100kHz之后，350℃拉磁的磁导率稍低于其他拉磁温度，随着频率的增加，他们之间的差异逐渐缩小；10MHz以后，四条曲线基本重合。所以，在实际生产过程中，需要根据不同频率的磁导率需求，制定不同的拉磁温度，通过普通热处理和磁场热处理双重作用，达到预期磁导率值。

图2 不同拉磁温度对磁芯磁导率的影响

2.3 拉磁温度对磁芯阻抗性能的影响

图3是上述磁芯阻抗随频率的变化曲线。从曲线可知，在10kHz～20kHz之间，拉磁温度越高，阻抗越低；20kHz之后，在除350℃的其他温度下拉磁，阻抗差异不是很明显。所以，350℃拉磁，低频阻抗较高，但其高频阻抗性能较差；400℃、450℃、500℃这三个拉磁温度对高频阻抗的影响差别不大。综合考虑，对于20μm～23μm带厚的磁芯，400℃拉磁在性能上兼具了低频和高频优势，且节省能源，是一个较为理想的拉磁温度。