【摘 要】
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Fe基非晶合金是一种具有高磁导率、低矫顽力以及低损耗等优良特性的新型软磁材料,目前主要应用于变压器、电机以及传感器等电力设备领域。由于其饱和磁化强度相比于Si-Fe合金较低,因此通常利用适当的热处理来提升其软磁性能。然而,目前工业常用的炉内退火方式使非晶带材退火后呈严重脆性,在后续储存、搬运以及变压器装配过程中易发生破碎,是限制其广泛应用的问题之一。近年来,研究发现快速热处理可以抑制合金的退火诱导
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Fe基非晶合金是一种具有高磁导率、低矫顽力以及低损耗等优良特性的新型软磁材料,目前主要应用于变压器、电机以及传感器等电力设备领域。由于其饱和磁化强度相比于Si-Fe合金较低,因此通常利用适当的热处理来提升其软磁性能。然而,目前工业常用的炉内退火方式使非晶带材退火后呈严重脆性,在后续储存、搬运以及变压器装配过程中易发生破碎,是限制其广泛应用的问题之一。近年来,研究发现快速热处理可以抑制合金的退火诱导脆性,同时实现基体晶化和软磁性能提升。但目前大部分的快速退火工艺实施难度高且不具备连续性,难以满足工业化高效生产的要求。针对这一现状,本研究开发了一种全新的快速退火技术,能够在热处理后得到兼具良好韧性和优异软磁性能的连续带材,该工作为开发和优化非晶合金的快速热处理工艺提供了一种新的思路。本文以工业常用的Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1非晶合金与新型Fe85P11C2B2非晶合金作为研究对象,首先对比研究了两种合金的热学性能、软磁性能、电学性能和力学性能,随后使用自主研发的连续快速退火设备对其进行接触式热处理,与常规退火工艺的处理效果进行对比,深入研究了快速/常规退火对两种合金结构与性能的影响及其作用机理。具体内容如下:1.连续快速退火设备的基本工作原理为:将灰口铸铁制成的加热辊预热至提前设定好的退火温度,在Ar气氛保护下通过变速电机驱动非晶薄带与加热辊接触进行热处理;退火时间由薄带经过加热辊的线速度来控制,退火温度由K型热电偶测量。2.Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1与Fe85P11C2B2非晶合金均具有良好的弯曲韧性,但也存在明显的性能差异。其中,Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1合金具有较高的热稳定性、拉伸断裂强度及硬度,其初始晶化温度在800 K左右,晶化激活能约为280 k J/mol,拉伸断裂强度和硬度分别高达1697.7 MPa、915.6 Hv;而Fe85P11C2B2合金则具有较高的饱和磁化强度和电阻率,其Bs和ρ值分别高达1.56 T和185.9μΩ·cm。3.与常规退火相比,连续快速退火工艺也可以有效提升Fe基非晶合金的软磁性能。Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1合金在803 K温度下快速退火3 s后Hc由2.5 A/m降低至1.2 A/m;在873 K快速退火3 s后合金Bs由1.2 T提升至1.43 T,Hc降低至2.2 A/m。Fe85P11C2B2合金在773 K温度下分别退火0.3 s和0.75 s后获得了优异的软磁性能,其Bs值和Hc值分别为1.66 T、7.6 A/m和1.63 T、5.1 A/m。4.在快速/常规退火过程中,随着退火温度的提高、退火时间的延长,合金将逐渐形成高度精细的纳米晶结构,内部原子排列方式由非晶无序态逐渐转变为晶体有序态,对电子的散射作用减弱,从而降低合金的电阻率。其中,Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1合金在873 K温度下快速退火10 s后电阻率由137.6μΩ·cm降低至98.0μΩ·cm,在923 K温度下常规退火10 min后电阻率降低至91.8μΩ·cm;Fe85P11C2B2合金在773 K温度下快速退火1.2 s后电阻率由185.9μΩ·cm降低至146.4μΩ·cm,在723 K温度下常规退火10 min后电阻率降低至143.9μΩ·cm。5.退火后合金的韧脆转变程度主要受到合金体系成分和退火工艺参数的共同影响。其中,与常规退火相比,快速退火处理具有抑制合金退火诱导脆性的效果;与Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1合金相比,Fe85P11C2B2合金具有良好的抗弛豫脆性。Fe73Si16.2B6.8Nb3Cu1合金经过773 K退火后ε＜1,硬度压痕附近出现微裂纹,即已发生韧脆转变,但相比于快速退火后的合金样品,常规退火后合金的弯曲率值明显更低,脆性更严重;Fe85P11C2B2合金在773 K温度下经过0.3 s的快速退火后仍保持良好韧性。
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