纵磁退火处理和张应力对1K101非晶合金薄带磁化特性及损耗的影响

高 洁，何承绪，宋文乐，杨富尧，刘 洋

(1.先进输电技术国家重点实验室 全球能源互联网研究院有限公司 电工新材料研究所，北京 102211;2.国网河北省电力有限公司 沧州供电分公司，河北 沧州 061001)

1K101(FeSiB)合金是一种铁基非晶合金，利用超急冷凝技术(105～107K/s)制备而成的新型功能材料，其结构呈玻璃态，具有高饱和磁通密度、低铁损、低矫顽力等优点，广泛应用于制备电力电子元器件[1-2]。1K101合金使用前普遍需要进行退火处理，但退火后导致带材明显脆化，限制了其应用[3]。相关学者针对1K101非晶合金退火引起的脆化问题开展了大量研究，但至今仍未得到有效解决。文献[4]提出通过降低退火温度和缩短退火时间的方法缓解合金脆化，但该方法不利于合金软磁性能的改善。Kong等[5]通过提高合金中的Fe含量方法制备出兼具高饱和磁感和极佳韧性的非晶带材，但提高Fe含量导致合金非晶形成能力不足，工艺控制难度系数大，不易于大规模生产应用[6]。因此，需要考虑采用其他方法来避免非晶合金的脆化问题。Iwasaki[7]、Yu等[8-9]提出了排除外磁场而单纯通过外加应力驱动非晶磁弹性材料磁化的思路。Ali等[10]研究发现应力能够高效调控Fe81Si3.5B13.5C2 非晶态合金薄膜的磁畴结构和磁各向异性。此外，研究表明应力退火能够在非晶态Finemet(Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9)合金中产生比磁场退火更强的感生各向异性，由此实现对材料磁性的控制[11-12]。综上可知，应力对非晶合金的磁结构及磁化行为具有显著影响，同时可省去退火处理，避免带材脆化，这为1K101合金的应用提供了新的思路。

本文从应力角度开展研究，探索张应力对1K101合金非晶薄带磁化特性及损耗的影响，分析磁畴形貌特征，为非晶合金磁性调控提供新的参考思路和数据支撑。

1 试验材料及方法

本研究选用市售成分为Fe80Si9B11(原子分数，%)的淬火态1K101非晶合金薄带，带材厚度为24～26 μm，晶化温度为510 ℃，表面光亮完好。沿带材铸造方向截取60 mm×300 mm单片试样若干，分为A、B两组，其中A组以出厂热处理工艺进行纵磁退火处理，退火温度为380 ℃，保温60 min，炉温200 ℃以上引入纵向磁场，采用非铁磁性陶瓷衬环支撑试样内窗，施加气氛保护；B组保持淬火态，不做处理。

基于磁性材料的磁光效应，采用Kerr显微镜对A、B两组样品的中心部分进行宏观磁畴形貌观测。利用非晶单片测量系统(Amorphous SST)对两组试样进行软磁性能测量，驱动磁化频率f=50 Hz，波形为正弦，施加张应力范围为0～67 MPa，试样受力情况示意图如图1所示，磁化方向与张应力方向一致。

图1 非晶薄带试样受力情况示意图

2 试验结果

2.1 纵磁退火处理及张应力对磁化特性的影响

磁性材料的磁化性能特点主要表现在磁滞回线上。图2为磁化场强度幅值Hm=80 A/m时，A、B样品磁通密度B和磁化场强度H的交流磁滞回线。可以看出，纵磁退火处理前后带材的磁滞回线形状差异明显，其中B样品的磁滞回线平伏，带材达到磁化饱和前的磁导率随磁化场变化较为平缓；而经380 ℃纵磁退火处理后的A样品，磁滞回线方形度大，饱和磁通密度(Bs)和剩磁(Br)均显著提高，矫顽力(Hc)明显减小，带材达到磁化饱和前的磁导率随外磁场增强而出现陡增现象，这表明纵磁退火热处理后，1K101合金薄带沿纵向易磁化程度大幅提高，软磁性能得到明显改善。

图2 纵磁退火处理前后1K101非晶合金的交流磁滞回线

图3为不同张应力下A、B样品的交流磁滞回线(Hm=80 A/m)。可以看出，当施加约13.4 MPa的张应力时，B样品的交流磁滞回线形状细长，合金沿应力方向易磁化，磁导率、Br和Bs明显提高，矫顽力Hc降低，与未加张应力时A组样品的磁化特征高度相似(如图2所示)；随着外加张应力持续增大至67 MPa，淬火态1K101合金的磁导率、Br和Bs持续增加，Hc则不再随张应力变化，可见外加张应力对淬态1K101非晶带材的各个磁化参数有不同程度的影响。与B样品不同，A样品的交流磁滞回线几乎不随张应力的增加而变化，说明外加张应力对纵磁退火处理合金的磁化特性没有明显影响。

图3 不同张应力下A(a)、B(b)样品的交流磁滞回线

2.2 纵磁退火处理及张应力对铁损的影响

交流磁通密度幅值Bm为1.3 T，分别对不同张应力下A、B样品进行损耗P的测量，结果如图4所示。可以看出，对于B样品，外加应力增加至13.4 MPa前，1K101合金的损耗随张应力的增加而迅速下降，当外加应力超过13.4 MPa，合金损耗随应力增大而下降的趋势减弱，而A样品的损耗则基本不受应力影响。对比分析可见，不同张应力作用下A样品的损耗均比B样品小。综上所述，外加张应力对淬火态1K101合金有明显降低薄带损耗的作用，对纵磁退火处理后的带材则没有太大影响。

图4 不同张应力下1K101非晶合金的损耗变化(Bm=1.3 T)

2.3 磁畴形貌特征演变

由上述磁化特性分析可知，纵磁退火和外加张应力均能够提高淬火态1K101非晶合金的易磁化程度，为进一步探索出现该现象的原因，对合金的磁畴形貌进行了观测。图5为不同工艺处理后1K101非晶合金带材的磁畴形貌结构，平行方向为带材长度方向。从图5(a)可以看到，未退火样品磁畴呈现出典型的弧状宽大畴结构，宽大畴内部存在着无明显分布和排列规律的迷宫样窄小畴，可能是由于合金薄带经超急冷淬火成型，其内部存在着大量不规则残余应力所致。从图5(b)可以看到，纵磁退火后样品内部无细畴分布，呈典型的条状宽大畴结构，畴壁与带材长度方向平行(如箭头所示)。施加纵向张应力后，淬态合金的磁畴形貌如图5(c)所示，可以看到带材的磁畴结构为弧状宽大畴中规则排列分布着Z形窄小畴，各个方向的窄小畴不再呈迷宫样杂乱分布，可见张应力能够改变合金中一定区域内窄小畴的磁畴形状和排列方式。

图5 1K101非晶合金带材经不同工艺处理后的磁畴形貌

3 分析与讨论

3.1 磁化特性分析

技术磁化就是外加磁场把铁磁材料中经自发磁化形成的各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(或近似外磁场方向)的过程，磁滞回线即技术磁化的结果。技术磁化通过两种方式进行：一种是磁畴壁的位移，另一种是磁矩的旋转，其中不可逆的磁畴壁位移引发巴克豪森跳跃，使磁矩瞬时转向易磁化方向。由磁化特性分析结果可知，淬火态1K101合金薄带磁化困难，磁导率小；纵磁退火处理后沿纵向易磁化，磁导率大幅提升。根据图5(a)磁畴形貌观察结果得知，急冷淬火态合金的磁畴结构为弧状宽大畴中分布着迷宫样窄小畴，其磁化机制既有畴壁位移，也有磁矩转动，因而难以磁化[13]。由图5(b)可知，纵磁退火处理后1K101合金的磁畴结构改变，条状宽大畴的磁畴壁与磁场热处理方向平行，无窄小畴，这表明磁化机制以磁畴壁移动为主。研究表明，在纵磁退火处理时，合金系统总自由能趋于减小，原子磁矩在热激活和纵向磁场的双重作用下重新排列，同时合金中因急速冷却而产生的残余内应力得到有效释放，待系统冷却后，沿磁场有序排列的原子因扩散受到抑制而冻结下来，相当于在合金中预留一个能量为E的感生等效场，故而磁畴结构发生明显改变[14-16]。畴壁移动本质上是畴壁附近磁矩的局部转动，所消耗的外磁场能远小于磁矩整体转动，因此纵磁退火处理后合金沿纵磁场方向易磁化，磁导率明显提高。

由图3可知，张应力下淬火态1K101合金的磁化特性与纵磁退火处理后高度相似，随着外加应力增加，磁滞回线表现出了典型的方形化特征。从能量观点考虑，应力导致材料非自发形变，其产生的磁弹性能由式(1)计算[17]：

(1)

式中：λs为饱和磁致伸缩系数；σ为外应力；θ为磁化方向与应力方向的夹角。由于1K101非晶合金的饱和磁致伸缩系数λs>0，在张应力(σ>0)作用下，λsσ>0，因此当应力与磁化方向一致(θ=0)时，磁弹性能Eσ具有最小值，这意味着外加张应力能够等效为磁化方向的单轴磁各向异性场，该等效场使磁体在轴内的磁化状态趋于平衡，故沿张应力方向形成了易磁化轴。随着张应力σ增加，Eσ进一步减小，应力驱动各向异性持续加强，淬火态合金沿应力方向更易磁化，表现为磁滞回线矩形化程度不断加深，如图3(b)所示。实际上，在应力、磁场和高温等外部因素作用下，结构不稳定的非晶合金极易发生结构转变而获得感生各向异性[18-19]，感生各向异性由原子对有序引起，即通过外部因素驱动使局部原子对发生有序偏斜，使磁矩分布发生变化[16]。由此推测，外加纵向张应力使非晶原子对发生了局部重排，部分原子键方向与磁化方向趋于长程相关，宏观上表现为应力驱动感生各向异性。从图5(c)磁畴形貌特征来看，弧状宽大畴内部分布着沿应力方向规则排列的Z形窄小畴，说明张应力使窄小畴的畴壁和磁矩沿其方向发生偏转，磁化时畴壁位移和磁矩转动所需消耗的外磁场能相比于自由状态减少，因此合金沿应力方向更易磁化，这与图3(b)的测试结果吻合。

3.2 损耗分析

软磁薄带材料的铁损主要包括涡流损耗、磁滞损耗以及反常损耗。非晶合金片厚极薄，其铁损以磁滞损耗为主，涡流损耗影响很小，当磁化频率f保持恒定时，材料的磁滞损耗Ph与矫顽力Hc成正比，如公式(2)所示[20]：

Ph=aBmHc

(2)

式中：a为常数；Bm为磁通密度幅值。据图3可知，外加张应力及纵磁退火处理均能够有效降低淬火态1K101非晶合金的Hc，结合公式(2)分析，两者均通过降低矫顽力使合金的涡流损耗减小。

对软磁合金来说，矫顽力只与磁畴壁的不可逆移动过程有关。如前所述，在外应力驱动下，非晶合金感生出宏观单轴各向异性，磁滞回线具有明显的方形化特征，Z形窄小畴沿应力方向规则分布，所以考虑磁化时以磁畴壁位移机制为主。鉴于针对非晶合金的应力及各向异性缺乏直接观测，彭斌[17]、谢巧英[21]基于经典Jiles-Atherton畴壁位移模型建立了非晶薄膜的各向异性磁滞模型，提出钉扎系数k随应力的变化应满足：

k=k0-k1σ+sk2(1-cosθ)

(3)

式中：k0为与应力无关的钉扎系数；k1为外应力大小的影响；k2为外应力方向的影响；s为体现应力方向的系数，施加张应力时，s=1，施加压应力时，s=-1；θ为外应力与磁场方向的夹角。钉扎系数k反应了磁畴壁位移的阻力。因此，基于上述磁滞模型考虑，对以畴壁位移为主要磁化机制的非晶合金施加与磁化方向一致的张应力时，合金的钉扎系数随张应力σ的增加而减小，矫顽力也随之降低，其分析结果与本试验结论相吻合。出现这种现象的原因可能是张应力使淬火态1K101非晶合金的部分磁畴壁沿应力方向发生局部偏移，畴壁借外力穿过淬火态合金内应力和缺陷集中的区域，导致钉扎作用减弱，同时增加了磁场方向的应力等效场，矫顽力因此降低。但需要注意的是，合金的矫顽力与张应力大小并不是简单的线性关系，当张应力大于13.4 MPa时，继续增加张应力对矫顽力的影响作用变得非常有限。

基于以上分析，施加张应力对淬火态1K101非晶合金的磁化特性有明显的改善作用，且有效降低了材料损耗，在后续电力电子元器件加工过程中建议考虑引入应力，不仅有利于提升元器件性能，而且省去退火热处理工艺，避免带材脆化。

4 结论

1)适当的外加张应力能驱动淬火态1K101合金感生出单轴磁各向异性，使合金沿应力方向更易磁化，软磁特性得到明显改善。结合Kerr磁畴观测可知，软磁性能改善的原因是合金中的Z形窄小畴沿应力方向有序排列，磁化所需的外磁场能量相比迷宫畴减少。

2)外加张应力对淬火态1K101非晶合金有明显的降铁损作用，这可能与应力下合金钉扎力减弱，矫顽力下降有关。

3)通过外加张应力来降低损耗，避免了非晶合金去应力退火后的脆化问题，为淬火态1K101合金薄带提供了除退火外的软磁性能优化思路。