添加钴对FeCuNbSiB非晶/纳米晶磁芯软磁性能的影响

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(井冈山大学1.建筑工程学院，2.数理学院，吉安 343009)

0 引 言

自1960年由KLEMENT等[1]采用快淬工艺制备得到以来，非晶合金因具有独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能[2]和广阔的应用前景而一直受到研究人员的特别关注。软磁非晶合金主要由产生磁性的铁磁性金属元素铁、钴、镍和形成非晶态的类金属元素硅、硼、磷、碳等组成，为了提高非晶合金的非晶形成能力和热稳定性，通常在其中添加少量的过渡族元素或稀土元素[3-4]。YASHIZAWA等[5]发现，在Fe-Si-B非晶合金成分的基础上添加少量的铜和 M(M为铌、钽、钼、钨等)，并在适当温度下进行晶化退火处理后，可以得到一种非晶和纳米晶双相结构的铁基非晶/纳米晶合金。自此，非晶/纳米晶合金以其优良的软磁性能引起了国内外学者的关注，并在配电变压器、中频变压器和功率因数校正器上得到了广泛应用[6-8]；但非晶/纳米晶合金较差的高温性能和高频性能限制了其应用范围。研究表明，用钴替代Finemet型软磁合金中的部分铁元素，可有效提高合金的高温性能和高频性能[9-11]。作者在Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(Alloy-I)合金成分的基础上，用0.7个硅原子和0.3个钴原子取代1个硼原子，采用单辊快淬法制备了Fe73.5Co0.3Cu1Nb3Si14.2B8[Alloy-II(Co)]合金带，将合金带绕制成环型磁芯后在不同温度下进行退火处理，研究了 Alloy-II(Co)合金带的晶化行为及其磁芯的软磁性能，并与Alloy-I合金带的进行了对比。

图1 淬火态和不同温度退火后不同合金带的XRD谱 Fig.1 XRD patterns of different alloy strips after quenching and annealing at different temperatures：(a) Alloy-I alloy strips and (b) Alloy-II (Co) alloy strips

1 试样制备与试验方法

采用单辊快淬法制备宽20 mm、厚25 μm的Alloy-I和Alloy-II(Co)合金带。用绕带机将合金带绕制成外径40 mm、内径25 mm的环型磁芯，用非晶点焊机将其末端连接后，在无磁不锈钢管式气氛电阻炉中进行退火处理，采用氮气气氛，退火温度分别为350，400，450，500，550 ℃，保温时间为100 min，空冷。将退火后的磁芯装入护盘，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98.44 mm，有效截面积为127.3 mm2。

采用Bruker D-9型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析，采用铜靶，Kα射线，特征波长为0.154 nm，扫描范围为20°～90°，工作电流和电压分别为40 kV和40 mA；采用SDT Q600型同步热分析仪测差示扫描量热(DSC)曲线，升温速率为10 ℃·min-1，保护气体为纯度99.99%的氩气；采用MATS-2010SD型软磁直流测试仪和MATS-2010SA型软磁交流测试仪分别测直流软磁性能和交流软磁性能，测试频率为5～20 kHz，初级线圈和次级线圈分别为10匝和3匝；采用XL2817B型LRC数字电桥测电感和品质因数，绕线为1匝，测试电压为1 V，测试频率为5～200 kHz。

2 试验结果与讨论

2.1 非晶特性和晶化行为

由图1可知：2种淬火态合金带的衍射谱均表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，说明这2种淬火态合金带均为非晶态结构；随着退火温度的升高，2种合金带在2θ为45°处漫散峰的强度增强，宽度变窄；当退火温度升高到500 ℃时，2种合金带均在2θ为44.7°，65°，82°处出现尖锐的衍射峰，与PDF卡片(35-0519，42-1329)对照可知，这3个衍射峰既对应于体心立方(bcc)Fe3Si相的(110)、(200)、(211)晶面，又对应于面心立方(fcc)Fe3Si相的(220)、(400)、(422)晶面；当退火温度达到550 ℃时，与Alloy-I合金带相比，Alloy-II(Co)合金带衍射峰的强度更强，宽度更窄，采用谢乐公式可计算出，Alloy-I和Alloy-II(Co)合金带在2θ为44.7°处物相的晶粒尺寸分别为11.044 nm和12.734 nm，这表明2种合金带经550 ℃退火处理后均形成了非晶和纳米晶共存的结构。具有纳米晶和非晶共存结构的合金具有优良的软磁性能，如高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低剩余磁感应强度和低损耗等[12-13]。在后文中，作者对550 ℃退火处理后的2种非晶/纳米晶磁芯的软磁性能进行了研究。

由图2可知，2种淬火态合金带均呈两级晶化过程，一级起始晶化温度分别为514.4，512.8 ℃，一级晶化峰温度分别为533.4，531.7 ℃，二级起始晶化温度分别为665.4，671.9 ℃，二级晶化峰温度分别为684.1，689.8 ℃，两级起始晶化温度的差值分别为151.0，159.1 ℃。可初步判断：第一个晶化峰对应软磁固溶体的析出，即α-Fe 相的析出; 第二个晶化峰对应剩余非晶相的晶化，主要与Co-B、Fe-B、Nb-Co 化合物的形成有关[14-16]。与Alloy-I合金带相比，Alloy-II(Co)合金带的一级起始晶化温度和一级晶化峰温度均较低，表明钴元素的添加导致非晶合金的热稳定性略有降低[17-18]。钴元素的添加使合金带的一、二级起始晶化温度差值增大，这有利于单一Fe-Si相的析出，同时抑制影响合金磁性能的Fe-B相的析出；钴元素与铁元素的化学性质相近，将钴元素添加到非晶合金体系中时，这两种元素将形成固溶体；钴原子通过占据铁原子的空间点阵位置使合金熔体的混乱度增加，从而促进非晶相的形成。此外，钴元素的添加能够延缓晶化反应的发生，晶体相的析出被抑制，从而促进非晶相的形成。

图2 2种淬火态合金带的DSC曲线Fig.2 DSC curves of two as-quenched alloy strips

2.2 非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能

表1中的μi为起始磁导率，μm为最大磁导率，Pu为磁滞损耗，Bs为饱和磁感应强度，Br为剩余磁感应强度，Hc为矫顽力。由表1可知：与Alloy-I非晶/纳米晶磁芯相比，Alloy-II (Co)非晶/纳米晶磁芯的起始磁导率、最大磁导率、磁滞损耗、饱和磁感应强度、剩余磁感应强度均较小，矫顽力较大，这说明钴元素的添加降低了非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能。起始磁导率的降低在一定程度上可提高非晶/纳米晶磁芯在直流偏置时的抗饱和能力和抗偏磁能力，并大大提高非晶/纳米晶磁芯在含有直流分量的电磁应用环境中的稳定性。

表1 2种非晶/纳米晶磁芯的直流软磁性能Table 1 Direct-current soft magnetic properties of two amorphous/nanocrystal cores

图3 不同测试频率下Alloy-I和Alloy-II(Co)非晶/纳米晶磁芯的有效振幅磁导率随最大磁感应强度的变化曲线Fig.3 Curves of effective amplitude permeability of Alloy-I (a) and Alloy-II (Co) (b) amorphous/nanocrystal cores vs maximum magnetic induction at different testing frequencies

2.3 非晶/纳米晶磁芯的交流软磁性能

图3中的Bm为最大磁感应强度，μa为有效振幅磁导率。由图3可知：与Alloy-I非晶/纳米晶磁芯相比，当测试频率和最大磁感应强度不变时，Alloy-II(Co)非晶/纳米晶磁芯的有效振幅磁导率较大；当测试频率不变时，2种非晶/纳米晶磁芯的有效振幅磁导率均随最大磁感应强度的增大而增大；当最大磁感应强度不变时，随着测试频率的升高，2种非晶/纳米晶磁芯的有效振幅磁导率均减小。

图4中的Ps为比总损耗。由图4可知：与Alloy-I非晶/纳米晶磁芯相比，当测试频率和最大磁感应强度不变时，Alloy-II (Co)非晶/纳米晶磁芯的比总损耗较小；当测试频率不变时，2种非晶/纳米晶磁芯的比总损耗均随最大磁感应强度的增大而增大；当最大磁感应强度不变时，随着测试频率的升高，2种非晶/纳米晶磁芯的比总损耗均增大。

图4 不同测试频率下Alloy-I和Alloy-II (Co)非晶/纳米晶磁芯的比总损耗随最大磁感应强度变化的曲线Fig.4 Curves of total loss ratio of Alloy-I (a) and Alloy-II (Co) (b) amorphous/nanocrystal cores vs maximum magnetic induction at different testing frequencies

图5 不同测试频率下Alloy-I和Alloy-II (Co)非晶/纳米晶磁芯的矫顽力随最大磁感应强度变化的曲线Fig.5 Curves of coercive force of Alloy-I (a) and Alloy-II (Co) (b) amorphous/nanocrystal cores vs maximum magnetic induction at different testing frequencies

由图5可知：与Alloy-I非晶/纳米晶磁芯相比，当测试频率和最大磁感应强度不变时，Alloy-II (Co)非晶/纳米晶磁芯的矫顽力较小；当测试频率不变时，2种非晶/纳米晶磁芯的矫顽力均随最大磁感应强度的增大而增大；当最大磁感应强度不变时，随着测试频率的升高，2种非晶/纳米晶磁芯的矫顽力均增大。

图6中的f为测试频率，Ls为电感，Q为品质因数。由图6可知：当测试频率不变时，与Alloy-I非晶/纳米晶磁芯相比，Alloy-II(Co)非晶/纳米晶磁芯的电感和品质因数均较大；随着测试频率的升高，2种非晶/纳米晶磁芯的电感均减小，品质因数均增大。

图6 2种非晶/纳米晶磁芯的电感和品质因数随测试频率的变化曲线Fig.6 Curves of inductance (a) and quality factor (b) of two amorphous/nanocrystal cores vs testing frequency

品质因数是磁芯在某一频率的交流电压下工作时所呈现的感抗(2πfLs)和直流电阻R的比值。由于直流电阻为常量，当测试频率不变时， 若Alloy-II(Co)非晶/纳米晶磁芯的电感增大，则其品质因数也增大。

3 结 论

(1) 在Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金的基础上，用0.7个硅原子和0.3个钴原子取代1个硼原子，采用单辊快淬法成功制备了Fe73.5Co0.3Cu1Nb3-Si14.2B8非晶带，经550 ℃热处理后磁芯为非晶和纳米晶共存的结构。

(2) 添加钴后，Fe73.5Co0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶带的一级起始晶化温度和一级晶化峰温度均降低，二级起始晶化温度和二级晶化峰温度均升高，两级起始晶化温度间的差值增大。

(3) 添加钴后，Fe73.5Co0.3Cu1Nb3Si14.2B8非晶/纳米晶磁芯的起始磁导率、饱和磁感应强度均减小，矫顽力增大，直流软磁性能降低；此非晶/纳米晶磁芯在高频下(小于100 kHz)的有效幅值磁导率、电感、品质因数均增大，比总损耗和矫顽力均减小，交流软磁性能提高。