低磁导率钴基非晶软磁合金的制备及性能研究

摘要

钴基非晶合金由于具有高磁导率、低矫顽力、低损耗，优异的耐磨性，良好的温度稳定性以及巨磁阻抗效应等优点，而在电子、通讯等领域得到了广泛应用，是磁放大器、共模电感、共模扼流圈等电子元件的良好材料。然而在某些特殊的应用场合，如有直流叠加，或在范围较大的励磁磁场下工作时，往往要求材料具有低的磁导率，因为磁导率过高容易造成材料饱和而失效。因此，探索具有低磁导率和优异软磁性能的钴基非晶合金具有重要的研究意义和实用价值。
　　本文选择了CoFeSiBMn合金体系作为研究对象，研究了Fe元素添加及Si、B原子比对CoFeSiBMn非晶合金软磁性能的影响。通过单辊快淬法制备了Co73-xFexSi14B9Mn4和Co71Fe2Si14-xB9+xMn4系列非晶合金，研究了饱和磁感应强度、矫顽力、磁导率、损耗等磁性能随Fe以及Si、B相对含量的变化关系，确定了最佳的原子配比，在此基础上探索了去应力退火及磁场热处理对其软磁性能的影响，确立了最佳的热处理工艺参数。
　　研究表明，在Co73-xFexSi14B9Mn4合金体系中，随Fe含量的增加，淬态合金的饱和磁感应强度逐渐增大，矫顽力则呈先减小后增大的变化趋势，而有效磁导率则出现了与矫顽力相反的变化规律。适量Fe元素的添加，不仅可以有效降低Co73-xFexSi14B9Mn4非晶合金的损耗，同时还改善了合金的高频性能。Co71Fe2Si14B9Mn4非晶合金具有最佳的综合软磁性能，其中饱和磁感应强度为0.88T，矫顽力1.29A/m，有效磁导率5360，0.2T/20kHz及0.5T/20kHz条件下的损耗分别为36.8W/kg、126.8W/kg。
　　Si、B原子比对Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金热学性能有明显的影响，随着Si含量的减少，B含量的增加，Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金的居里温度明显提高，初始晶化温度则先升高而后降低，同时随着B含量的增加，晶化峰由两个逐渐变成一个，提高了合金的热稳定性。淬态Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金的饱和磁感应强度随B含量的增加而逐渐增大，矫顽力随之先增大而后减小，有效磁导率随成分的变化关系则与矫顽力相反，当Si、B原子比接近1∶1时，Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金的损耗值最高，而随着B含量的进一步提高，Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金损耗值降低，并且合金具有更好的高频性能。Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金具有最佳的的综合软磁性能，其中饱和磁感应强度0.96T，矫顽力1.21A/m，有效磁导率5510，0.2T/20kHz和0.5T/20kHz条件下的损耗分别为34.8W/kg和119.9W/kg。
　　通过研究去应力退火对合金矫顽力和磁导率的影响，确立的最佳去应力退火温度为415℃，保温时间为5min。在此基础上，研究了横向磁场热处理对Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金软磁性能的影响。研究表明，横向磁场热处理能使合金的磁滞回线平伏化，有效降低磁导率，并使磁导率在1k-1MHz宽频范围内趋于恒定。由此确立了最佳的横向磁场热处理温度为240℃、加磁电流强度为150A，加磁保温时间为90min。研究了最佳磁场热处理工艺条件下，CoFeSiBMn系列非晶合金软磁性能随Fe、Si、B含量的变化关系，制备了兼具低磁导率、低矫顽力的Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金，其中有效磁导率为2960，矫顽力为2.29A/m。同时，当叠加325A/m的直流场时，该合金样品依然可以保持91％的磁导率，具有良好的直流叠加性能。
　　本文针对软磁材料在实际应用过程中容易饱和而导致材料失效的问题，研究了横向磁场热处理工艺对CoFeSiBMn系列非晶合金软磁性能的影响，为探索低磁导率软磁材料的制备工艺提供了参考。制备了CoFeSiBMn系列低磁导率非晶合金，在开关电源变压器、高性能脉冲技术磁开关等电子器件领域存在一定的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 非晶软磁材料简介

1．2．1 非晶合金介绍

1．2．2 非晶软磁材料的发展及研究现状

1．3 钴基非晶软磁合金及其发展现状

1．4 低磁导率软磁材料应用

1．5 磁场退火的主要机理及其发展现状

1．5．1 磁场退火的主要机理

1．5．2 磁场热处理的发展现状

1．6 本课题的研究意义及主要内容

1．6．1 本课题的研究意义及目的

1．6．2 本课题的主要研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验流程

2．2 实验设备

2．3 样品的制备

2．3．1 母合金制备

2．3．2 非晶带材制备

2．3．3 铁芯样品的制备

2．4 热处理装置简介

2．4．1 真空热处理装置

2．4．2 磁场热处理装置

2．5 样品结构表征和性能测试

2．5．1 样品尺寸及密度测量

2．5．2 X射线衍射分析(XRD)

2．5．3 热学性能分析(DSC)

2．5．4 软磁性能测试

第三章 淬态CoFeSiBMn系列非晶合金性能研究

3．1 引言

3．2．2 淬态Co73-xFexSi14B9Mn4非晶合金软磁性能

3．3 淬态Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金性能研究

3．3．2 淬态Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金软磁性能

3．4 本章小结

第四章 热处理工艺对CoFeSiBMn系列非晶合金软磁性能的影响

4．1 引言

4．2 去应力退火对CoFeSiBMn系列非晶合金软磁性能的影响

4．3 磁场热处理对Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金软磁性能的影响

4．3．1 磁场热处理温度对Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金软磁性能的影响

4．3．2 磁场强度对Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金软磁性能的影响

4．3．3 加磁保温时间对Co71Fe2Si9B14Mn4非晶合金软磁性能的影响

4．4 磁场热处理对CoFeSiBMn系列非晶合金软磁性能的影响

4．4．2 磁场热处理对Co71Fe2Si14-xB9+xMn4非晶合金软磁性能的影响

4．4．3 磁场热处理效果综合分析

4．5 本章小结

第五章 结论

5．1 主要实验结果

5．2 研究中存在的问题和展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和取得的学术成果