Fe80Si8B6Nb5Cu纳米晶磁粉芯制备与软磁性能研究

摘要

铁硅硼软磁合金以其优秀的综合软磁性能、简单的制造工艺、良好的非晶形成能力，在非晶合金产业中占据了主流地位。非晶合金内部的无序结构，使其具有较高的电阻率，还表现出各向同性、较低的矫顽力。将少量铜元素和铌元素加入铁硅硼非晶合金中，可制备得到铁硅硼铌铜(FeSiBNbCu)合金。通过恰当的热处理工艺，会在合金中形成非晶纳米晶双相结构:非晶基体中会形成大量弥散分布、尺寸相仿的纳米晶粒。当非晶基体与纳米晶相达到一定比例时，正负磁致伸缩效应相互抵消，会使得合金具有较高的的磁导率，较低的矫顽力。非晶相的存在能够传递纳米晶粒之间的交换耦合作用，使得纳米晶合金具有更高的饱和磁感应强度。因此FeSiBNbCu纳米晶合金表现出易磁化、高饱和磁化强度、高有效磁导率、低矫顽力等优点，大力推动了非晶纳米晶合金的应用范围。利用FeSiBNbCu纳米晶合金与包覆剂制备的磁粉芯，由于气隙和绝缘剂有效地增加了电阻率，所以纳米晶磁粉芯几乎不发生趋肤效应，还有着频率特性好和涡流损耗低的优点，因此FeSiBNbCu纳米晶磁粉芯有着优秀的综合软磁性能，符合电子工业对电感器件轻型化、高频化、小型化和低损耗的要求。 本文先在Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu纳米晶合金研究基础上，调整元素比例，制备Fe80Si8B6Nb5Cu合金，再通过破碎法得到纳米晶磁粉，然后经包覆处理、压制成型和退火处理便得到了Fe80Si8B6Nb5Cu纳米晶磁粉芯。通过一些表征手段，研究并分析了不同成型压力、退火温度对纳米晶磁粉芯矫顽力、磁导率、损耗和品质因数的影响规律。然后在Fe80Si8B6Nb5Cu合金晶化过程中，通入不同量的氢气，探究渗氢对磁粉芯软磁性能的影响。最后在(Fe80Si8B6Nb5Cu)100-xPx母合金中添加P元素，研究P元素含量对（Fe80Si8B6Nb5Cu）100-xPx磁粉芯软磁性能的影响。本文的主要研究结论如下: (1)在较低成型压力时(500Mpa-800Mpa)，压力的增加导致内应力和位错增多，阻碍磁畴转动，增加矫顽力，使得磁滞损耗增加;但是成型压力的增加会使气隙变小，磁导率增加，还会使绝缘剂包覆得更加充分，电阻率增加，降低涡流损耗;但是过高的压力会使得绝缘层破损、内应力多大，磁粉芯软磁性能急剧恶化。综合来看，随着成型压力由500Mpa增加至1000Mpa，矫顽力和磁导率不断增加，损耗和品质因数先增加后减少，其中最适宜的成型压力为800Mpa。 (2)在退火温度较低时(400℃-490℃)，随着退火温度的增加，内应力逐步释放，矫顽力不断下降，磁导率逐步增加，单位质量损耗逐步下降，导致品质因数随着退火温度的增加而增加;当退火温度较高时（490℃-550℃），绝缘层烧蚀，使得磁粉芯的电阻率大幅下降，非晶相转变为纳米晶，磁晶各向异性增加，导致磁导率、矫顽力、磁滞损耗大幅增加，品质因数下降。总体上，随着退火温度由400℃增加至550℃，有效磁导率一直增加，磁粉芯矫顽力、损耗先降低后增加，品质因数先增加后降低。最适合Fe80Si8B6Nb5Cu纳米晶磁粉芯的退火温度为490℃。 (3)渗氢过程中，会使得粉体表面的氧含量先下降后趋于稳定。当渗氢量较低时(0-1.2mol)，H原子填充到Fe原子间隙，提高了合金的非晶形成能力提高，会导致电阻率、有效磁导率增加、矫顽力下降，使得磁粉芯的饱和磁感应强度和品质因数逐步增加。当渗氢量过多时(1.2mol-2mol)，有效磁导率下降、矫顽力增加，饱和磁感应强度和品质因数降低。综合渗氢对磁粉芯软磁性能的影响，1kg的Fe80Si8B6Nb5Cu合金回火过程中，通入0.8mol-1.2mol氢气是最佳选择，性能有较为显著的提升。 (4)随着P元素含量的增加，合金的非晶形成能力先增加降低。当P含量小于1at.％时，随着P含量的增加，合金的非晶形成能力逐步增加，磁粉芯的矫顽力与损耗也在逐步降低，电阻率、磁导率轻微增加。当P含量在1at.％-2.5at.％时，随着P含量的增加，合金的非晶形成能力快速下降，使得大量晶粒析出、长大，矫顽力与损耗快速增加，磁导率先增加后减少，电阻率与品质因数快速下降，磁粉芯的综合性能急剧恶化。