铁基纳米晶磁芯热处理工艺及性能研究

申 毅，赵昱臻，王立新，李志恩，李 博

（太原钢铁(集团)有限公司，山西 太原 030003）

1 铁基非晶纳米晶软磁材料概述

正常环境下软磁材料具有低矫顽力、软磁材料，这种材料在电力、电子等工业领域具有十分广泛的应用[1，2]。而铁基非晶纳米晶软磁材的结构独特，和优异的软磁性能，不仅具有较高的磁导率和较低的矫顽力，而且还具有低损耗以及高饱和磁感应强度的特点[3]。相较于传统的软磁材料，铁基非晶纳米晶合金材料具有更加综合的软磁性能，由于性能优异使其获得了广泛的应用，电力、电子领域都广泛的应用了这一材料。

2 铁基纳米晶磁芯热处理工艺及性能

铁基纳米晶磁芯热处理步骤为：将材料放置在介质中，在一定温度下进行持续加热，当升高到一定温度时要持续一段时间，然后在通过一定的冷却方式和速率进行冷却，通过这一工艺可以使材料的组织结构发生改变，进而改善其性能。选择Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9铁芯进行研究，当前企业在实际生产中，对这种铁芯的热处理主要采取真空热处理技术，因此本文对真空热处理热处理工艺对铁基纳米晶磁芯性能的影响进行研究。选用的铁芯具体的参数为：尺寸18mm-11mm-8mm，叠片系数0.8。

2.1 真空热处理工艺退火温度对铁基纳米晶磁芯性能的影响

热处理工艺参数：升温速度为1℃/min，保温时间为60min，由于非晶磁芯在526℃开始磁化，因此选择的退火温度为530℃、540℃、550℃，然后将其随炉冷却到200℃，出炉。待式样冷却到室温以后，对其软磁性能进行测试。实验结果如图1所示。

图1 不同退火温度时电感磁芯有效磁导率与频率关系曲线

从图中可以看出，在540℃的退火温度下，其磁导率、磁性能和软磁性能都处于最佳状态，因此540℃为其最佳的退火温度。

退火温度对于铁基纳米晶磁芯磁性能的影响比较大，当退火温度比较低时，非晶基体上开始出现相，在温度升高之后，晶粒数量就会不断增多，外观形态变大，在这种状态下形成了非晶+bccFe（Si）固溶体的双结构，在纳米晶系统中，纳米晶粒之间存在交换耦合作用，以及磁晶各向异性的减小而得到强的耦合作用。

晶粒间的非晶相在这一个过程中起着非常重要的作用，这种交换作用就是由其进行传递的，当析出的α-Fe（Si）相的晶粒大小与比例处于一种匹配时期，能够取得最佳的交换耦合强度，铁基纳米晶磁芯磁性异常趋近平均化，在这样的条件性能够得到最佳的磁性能。材料退火温度持续上升情况下，需等待材料内部残余应力减少直至消除，减轻了钉扎畴壁承受的阻力，这种情况下磁化矢量会向带内倾斜。这样能够使材料的软磁性能得到有效的改善。

当温度上升到规定范围时候，铁基纳米晶磁芯的晶相化外型尺寸变大，若晶粒尺寸超大，超出铁磁交换长度LEX，固有的非晶纳米晶双向结构会受损，材料的软磁性能发生改变。

2.2 真空热处理工艺退火时间对铁基纳米晶磁芯性能的影响

上面已经确定最佳的退火温度为540℃，在最佳退火温度下对退火时间进行研究，升温速率继续保持1℃/min，保温时间设定三个，分别为30min、60min和90min，然后将其随炉冷却到200℃，出炉。待式样冷却到室温以后，对其软磁性能进行测试。实验结果如图2所示，在60min的退火时间下，其磁导率、磁性能和软磁性能都处于最佳状态，因此60min为其最佳的退火时间。

图2 不同退火时间时磁芯有效磁导率与频率关系曲

通过研究可知，在最佳的退火温度条件下，铁基纳米晶磁芯磁芯会受到退火时间的影响。当处于保温时间内，退火时间的延长可以提高电感磁芯的磁性，并且能够获得较好尺寸与一定数量的纳米晶相，形成非晶+bccFe（Si）固溶体的双相结构的形成，而这一结构有利于铁磁耦合。

而保温时间和磁性能之间并不是正比关系，如果时间超过了一定的范围，会导致内应力基本被消除，然后再延长保温时间，并不能够起到明显的提高磁性能的作用，而且时间过长的化还会导致晶化相数量增加，并导致晶粒尺寸增加，进而破坏非晶纳米双向结构，反而会造成磁性能的下降。

2.3 铁基纳米晶磁芯的叠片系数对其性能的影响

图3 不同叠片系数磁芯经最佳热处理后有效磁导率与频率关系

选用的铁芯具体的参数为：尺寸18mm-11mm-8mm，叠片系数0.6、0.65、0.7、0.75、0.8。热处理工艺参数：升温速度为1℃/min，保温时间为60min，退火温度为540℃，将其随炉冷却到200℃，出炉。待式样冷却到室温以后，对其软磁性能进行测试。实验结果如图3所示。

从图中可以看出，随着叠片系数的增加，非晶纳米晶铁芯的有效磁导率会随着增加，从0.6～0.8，其有效磁导率能够增加44%。而在0.7～0.8时磁芯的性能并内有显著差异，特别是在高频段非晶纳米晶铁芯效率磁导率差别几基本可以忽略不计，所以依据实际生产需求，选取较小的叠片系数，从而达到降低成本的目的。

3 结论

铁基非晶纳米晶软磁材料具有优异的性能，在电力、电子等工业领域具有十分广泛的应用，在其加工过程中，热处理工艺会对其性能造成显著的影响，因此需要对热处理工艺进行优化，确定最佳的热处理方法和条件，从而有效地提高其性能。