磁场热处理对铁基纳米晶合金软磁性能影响的探究

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纳米晶软磁材料的热处理过程中,通过调整工艺参数来控制晶化过程中析出纳米晶的种类、尺寸和体积分数等是获得优异软磁性能的重要方法。研究表明磁场热处理能进一步优化纳米晶合金的软磁性能,使合金材料具有更低的矫顽力和铁损,这意味着在实际应用中的能耗水平更低,对于节能减排和环境保护具有重要意义;同时,电感特性也是应用于电子元器件行业中软磁材料的一个重要参量,器件电感值越高,对交流信号反应更加灵敏,能有效抑制或消除干扰信号。对纳米晶软磁材料的研究中,结合上述两者为研究背景的报道并不多,因此本文以市场应用广泛的Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7纳米晶合金(商品标号为1K107B)为对象,探究了该组份纳米晶磁芯在普通热处理和磁场热处理两种条件下的磁芯电感特性和磁性能的变化特征以及与微观结构间的关系。研究结果表明,带厚20μm的磁芯在550℃,60 min普通热处理条件下具有最大电感值,为14.7 μH,而此时矫顽力也具有最大值,为2.0 A/m。基于普通热处理的实验结果,本文着重探究了横向磁场热处理(TFA)对磁芯电感和磁性能的影响,期望在保持磁芯高电感的条件下显著降低其矫顽力。横向磁场的强度通过外加直流电调控且在热处理不同阶段施加磁场进行实验,结果表明相比其它热处理条件,磁芯的矫顽力在TFA1磁场热处理条件(全程加磁热处理)下具有最小值。在此条件下磁芯矫顽力和铁损随着磁场强度增加而减小,当加磁电流为140 A时矫顽力具有最小值,为0.6 A/m,在0.2 T、20 kHz条件下测定其铁损也具有最小值1.6 W/kg,同时带厚20 μm磁芯在0.3 V、100 kHz条件下测定仍有高电感值,为13.8μH。因此,这类磁芯产品在横向磁场热处理条件下同时具备高电感和优异的软磁性能,将有利于拓宽纳米晶产品在高频条件下的应用前景。结构分析表明,磁场热处理条件下的纳米晶合金的晶化程度和平均晶粒尺寸并无明显变化,但在TFA1磁场热处理条件下磁芯合金晶粒尺寸均方差明显低于普通热处理条件,且随着加磁电流增加,其数值逐渐减小,在加磁电流140A时,晶粒尺寸均方差相对最低,说明晶粒更加细化且尺寸大小分布更集中。磁场热处理中施加磁场不影响纳米晶的形核机制,但能为晶核的形成提供附加能量,降低晶粒形核能和加速纳米晶的形核过程,因此加磁条件下晶粒尺寸分布更加均匀;同时横向磁场热处理条件能导致更高的感生各向异性和更简单的磁畴结构从而有效降低磁芯的矫顽力的最大磁导率。
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