一种优化非晶丝磁性能的复合热处理方法

摘要

本发明公开了一种优化非晶丝磁性能的复合热处理方法，该方法采用等温退火和电流退火相结合，包括：在保护气氛存在下，非晶丝随炉升温到所需温度后进行保温热处理，在保温热处理期间，向非晶丝施加脉冲电流，以使非晶丝获得需要的磁性能。这种复合热处理方法以等温退火为主，非晶丝在有保护气氛的加热炉腔内实现内应力的有效释放，同时依靠脉冲电流的辅助热处理进一步释放内应力并实现非晶丝的环向励磁，感生环向各向异性，有效提高非晶丝的磁性能，尤其是环向磁性能的优化，可以满足正交磁通门方式的关键磁芯性能要求，可以提升弱磁传感器的精度。采用该复合热处理方法获得的非晶丝可以很好的应用于GMI、磁通门和其它传感软器件。

说明书

技术领域

本发明属于金属热处理关键技术领域，涉及一种金属软磁材料的热处理方法，具体涉及一种针对特种金属软磁材料非晶丝的复合热处理方法。

背景技术

非晶丝具有一种特殊的磁畴结构，能够表现出优异的磁性能，如明显的巨磁阻抗特性和典型的大巴克豪森效应，被广泛应用于弱磁传感器或其它防伪器件。

Taylor法是最早由英国科学家Taylor于1924年提出的方法，早期的Taylor法是将金属或合金装在直径2mm的玻璃管内，用气焰加热到熔化后，再用手工拉拔的方式生产出直径0.1～5.0mm的丝材。Ulitovsky在原有的基础上对Taylor法进行了改进，采用高频感应线圈对金属进行加热，并增加了微丝绕线机构，从而实现了半连续生产。目前工业发达国家的玻璃包覆微丝制备技术都是在Taylor-Ulitovsky法的基础上发展起来的。采用该方法制备的玻璃包覆非晶丝直径为10μm-200μm。然而，采用该方法制备的非晶丝具有很大的残余内应力，材料内部磁弹性能大，环向各向异性能差，主要原因是制备过程中，母合金液态熔流在快速凝固过程中沿丝材径向由外向内凝固，导致的内部残余内应力大，经过冷拔之后的非晶丝，进一步增加了非晶丝表面应力和丝材轴向拉应力。由于内应力不仅影响非晶丝的磁畴结构，还增加了畴壁能，在高频励磁状态下，磁芯温升高，温漂严重，磁致伸缩系数绝对值大，影响传感器精度；而环向磁性能会影响传感器测量的整体性能。因此，不管是快速凝固导致的残余内应力，还是后期冷拔导致的表面应力和轴向拉应力，都影响非晶丝作为核心传感器材料的综合磁芯性能指标。

目前，在实际应用中，非晶丝需经适当的调制退火处理来消除内应力、调整结构驰豫和提高环向磁各向异性及环向磁导率，进而改善非晶丝的磁性能。等温退火和电流退火是非晶丝性能调制的两种常见方法等。等温退火可有效释放非晶丝的残余应力，促进结构驰豫，但是该方法不利于非晶丝环向磁畴的形成。电流退火通过焦耳热和环向磁化磁场，不但释放非晶丝的残余内应力，而且在环向磁场的作用下，轴向磁畴体积减小，环向磁畴体积扩大，有效提高环向磁各向异性和环向磁导率。

然而，非晶丝材的常规热处理一般为电流焦耳处理，采用电流多为方波，在热处理过程中，纯电流焦耳处理温度不可控，且由于高温段时间短，应力消除效果不理想。

专利CN 109402339 A公开了一种调制非晶合金丝性能的脉冲方波电流退火方法，既能够通过焦耳热使非晶合金丝达到合适的退火温度，还可以通过瞬时方波电流产生足够大的环向磁化磁场，使非晶合金丝环向磁畴体积增大，达到环向磁化的目的。然而，仅靠脉冲电流产生的焦耳热控制退火温度是不可控的，而且电流产生的焦耳热和环向磁性能调制效果不可兼得。

因此，提供一种对非晶丝既能去应力处理，还能增加环向各向异性干预手段的热处理方法，对实现非晶丝性能的调制具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种优化非晶丝磁性能的复合热处理方法，解决淬态非晶丝由于制备过程和拉拔后处理带来的各种残余应力，优化非晶丝环向磁性能，降低磁芯损耗，提高环向矩形比。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种优化非晶丝磁性能的复合热处理方法，采用等温退火和电流退火相结合的复合热处理方法，在保护气氛存在下，非晶丝随炉升温到所需温度后进行保温热处理，在保温热处理期间，向非晶丝施加脉冲电流，以使非晶丝获得需要的磁性能。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，所述脉冲电流为单向脉冲电流，再优选地，所述脉冲电流的波形为三角波。

本发明中，在保温热处理期间，向非晶丝施加单向脉冲电流，所述单向脉冲电流在非晶丝环向或和横向产生磁化，达到环向或横向磁各向异性的调制，提高矩形比。

本发明采用三角波脉冲电流，所述三角波的占空比低，高位脉冲通电时间短，发热少，仅靠尖峰脉冲给丝材产生环向异性。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，所述脉冲电流的脉冲频率为50Hz-2kHz(例如，100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、1200Hz、1500Hz、2kHz)，脉冲电流幅值为50mA-150mA(例如，80mA、100mA、115mA、130mA、140mA)；优选地，所述脉冲电流的通电时间为0.5h-5h(例如，0.5h，1h、2h、、3h、4h、4.5h)。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，所述非晶丝的热处理温度为非晶丝去应力温度；优选地，所述非晶丝的热处理温度为150℃-300℃(例如，150℃、180℃、200℃、220℃、260℃、300℃)，保温时间为0.5h-5h(例如，0.5h，1h、2h、、3h、4h、4.5h)；更优选地，所述保温时间与所述脉冲电流的通电时间相同，即在非晶丝的保温热处理的同时进行脉冲电流处理。

这里，非晶丝的保温热处理即等温退火工艺。

本发明采用50Hz-2kHz的三角波对非晶丝进行热处理，在该频率下，由于涡流损耗带来的热量少，对保温温度的扰动不大，因而，频率对环向的矩形比的影响较小；在高频(如，2kHz-100kHz)时由于涡流损耗带来的热量很明显，丝材发热和炉温叠加，不利于热处理效果。因此，本发明中，三角波采用的频率(50-2kHz)综合考虑了涡流损耗对保温温度和环向的矩形比的影响，是一个兼顾的频段选择。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，所述非晶丝为钴基非晶丝，优选地，所述非晶丝可以为圆形截面丝材或薄带丝材；再优选地，所述非晶丝为圆截面丝材时，所述非晶丝的直径为10μm-180μm。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，所述保护气氛可为氩气、氮气和氢气中的任意一种。

本发明中，非晶丝在保护气氛下进行热处理，可防止非晶丝表面被氧化进而影响磁性能。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，在热处理炉内，所述非晶丝固定于加热炉内的非金属基体上，所述非金属基体为非导磁和非导电材料，所述非晶丝的丝材长度方向和所述加热炉的炉体长度方向一致。

本发明中，在所述保温热处理期间，所述非晶丝必须固定在没有磁性、且不导电的非金属基体上。采用“没有磁性、且不导电的非金属基体”的目的在于防止通过非晶丝的电流所产生的磁场失效，固定非晶丝的目的在于防止由于非晶丝质量轻而导致保护气体的流动会扰动非晶丝。而采用非晶丝的长度方向和炉腔长度方向一致的放置方法，既不容易扰动非晶丝，还达到了防止非晶丝表面被氧化的作用。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，所述非晶丝放置在所述加热炉内的中间区域，所述非晶丝两端所处的温差小于±1℃。

本发明中，将非晶丝放置在加热炉内的中间区域，避免非晶丝两端出现较大温差，保证加热炉内非晶丝两端所处的温差小于±1℃。

上述复合热处理方法中，作为一种优选实施方式，在所述热处理保温结束后，取出样品空冷到室温，从而达到去应力的目的。

本发明中，在不互相冲突的情况下，上述技术特征可以自由组合形成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)采用等温退火和电流退火相结合的复合热处理方法，相比采用单独电流产生的焦耳热，这种复合热处理方法可以实更好的控制温度，达到丝材表面和芯部温度均匀的效果；

(2)采用等温退火和电流退火相结合的复合热处理方法，以等温退火为主，非晶丝在有保护气氛的加热炉腔内实现内应力的有效释放，同时依靠脉冲电流的辅助热处理进一步释放内应力并实现非晶丝的环向励磁，感生环向各向异性，有效提高非晶丝的磁性能，解决了非晶丝的关键热处理技术，尤其是环向磁性能的优化，可以满足磁通门传感器对环向矩形比的要求，提升弱磁传感器的精度。

(3)不仅解决我国高精度传感器关键磁芯材料的瓶颈问题，还完成国产关键软磁材料产品对进口软磁材料产品的替代。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明具体实施例中所采用的非晶丝直径SEM照片。

图2为本发明中非晶丝热处理原理图。其中，各数字代表的部位名称如下：1为非晶丝，2为脉冲电流，3为非金属材料基体，4为保护气体，5为加热炉。

图3为本发明实施例1中热处理后的非晶丝矩形比随电流值的变化图。

图4为本发明实施例2中非晶丝矩形比随热处理时间的变化图。

图5为本发明实施例3中非晶丝阻抗变化率随热处理温度的变化图。

图6为本发明实施例4中非晶丝矩形比随三角波电流频率的变化图。

图7为本发明实施例5中非晶丝磁场灵敏度随矩形比的变化。

具体实施方式

下面将参考说明书附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

本发明提供的一种优化非晶丝磁性能的复合热处理方法，采用等温退火和电流退火相结合的复合热处理方法，在保护气氛存在下，非晶丝随炉升温到保温温度后进行保温热处理，在保温热处理期间，向非晶丝施加脉冲电流，以使非晶丝获得需要的磁性能。本发明以下实施例中使用的非晶丝为牌号1k201的钴基非晶丝，即Co-Fe-Si-B非晶丝，图1为采用Taylor-Ulitovsky法制备的未热处理的玻包覆非晶丝直径SEM照片，非晶丝的表面平滑、整洁。具体操作如下：

采用如图1所示的长度为6cm玻璃包覆非晶丝，将其两端固定在耐材基体(即，非金属基体)上，两端焊接固定导线引出炉体外部，炉腔内通有氩气保护气体，炉腔加热到150℃-300℃保温，采用脉冲电源给非晶丝施加脉冲电流，脉冲电流为单向三角波，频率为50Hz-2kHz，脉冲电流幅值为40mA-150mA，保温时间和通电时间均为0.5h-5h。

本发明采用的非晶丝热处理原理如图2所示，将非晶丝1放置于加热炉5内的非金属材料基体3上进行热处理，炉腔内通有保护气体4，两端焊接固定导线引出炉体外部，在非晶丝两端施加脉冲电流2，脉冲电流为单向三角波，电流在非晶丝环向产生磁场，降低非晶丝材内应力的同时，沿环向感生强化，提高环向磁导率和环向矩形比，优化环向磁性能，进而实现优化非晶丝巨磁阻抗特性的目的。

实施例1

本实施例中，将长度为6cm玻璃包覆非晶丝的两端固定在耐材基体(即，非金属基体)上，两端焊接固定导线引出炉体外部，炉腔内通有氩气保护气体，保温温度为220℃，对非晶丝施加50Hz不同幅值的三角波电流(电流I

非晶丝矩形比随电流值的变化如图3所示，非晶丝环向矩形比随电流值的变化逐渐增大，电流幅值为115mA以后基本趋于稳定，此时非晶丝的环向矩形比为0.975左右；在脉冲电流幅值为40mA-145mA范围内，非晶丝的环向矩形比为0.87～0.975。

实施例2

本实施例中，将长度为6cm玻璃包覆非晶丝的两端固定在耐材基体(即，非金属基体)上，两端焊接固定导线引出炉体外部，对非晶丝通入50Hz，115mA不同幅值的三角波电流进行电流退火，电流退火伴随等温退火同时进行。热处理的保温温度为220℃，采用不同的保温时间对非晶丝进行热处理。

非晶丝矩形比随保温时间的变化如图4所示，随着保温时间的增加，非晶丝环向矩形比逐渐增大，当保温时间达到2h后，非晶丝环向矩形比基本稳定在0.975左右；当保温时间达到4h以后，非晶丝环向矩形比开始下降；当保温时间为5h时，矩形比降低至0.95。总的来说，当保温时间为0.5h-5h，非晶丝环向矩形比可以达到0.950以上。

实施例3

本实施例中，将长度为6cm玻璃包覆非晶丝的两端固定在耐材基体(即，非金属基体)上，两端焊接固定导线引出炉体外部，对非晶丝施加50Hz，115mA的三角波电流进行热处理，同时进行保温热处理，保温时间为2h。

在100kHz下测试热处理后的非晶丝的应力阻抗变化率，图5示出了非晶丝的应力阻抗变化率随热处理温度的变化图。

由图5可以看出，随着热处理温度增加，应力阻抗变化率逐渐增加，当热处理温度达到220℃时，应力阻抗变化率达到最高值，在100kHz下的阻抗变化率达到97％；随着热处理温度继续增加，应力阻抗变化率稍有降低。由图5可知，当热处理温度为150℃-300℃时，应力退火增加了非晶丝的应力阻抗变化率，增强了非晶丝的磁各向异性，降低或消除了非晶丝内部的残余应力，使非晶丝的软磁性能得到改善。

实施例4

本实施例中，对非晶丝进行保温热处理的同时施加50Hz-2kHz不同频率三角波电流进行电流退火，电流幅值均为115mA，热处理的保温温度为220℃，保温时间2h。非晶丝矩形比随三角波电流频率的变化如图6所示，随着电流频率的增加，非晶丝环向矩形比稳定在0.97左右，其主要原因是，相对于方波的宽脉冲产生的热量，三角波在50Hz-2kHz频率下，涡流损耗带来的热量少，再加上有惰性气体的流动均热，升频带来的温升无明显变化。然而，在高频下，涡流损耗很明显，丝材发热和炉温叠加，对热处理效果不利。

同样地，当保温温度和热处理时间条件改变时，三角波电流的频率(在50Hz-2kHz范围内)对非晶丝环向矩形比同样影响不大。

当对非晶丝施加的三角波电流的频率为50Hz时，非晶丝磁场灵敏度随环向矩形比的变化如图7所示，随着环向矩形比的增加，非晶丝磁场灵敏度逐渐增加，当环向矩形比为0.97时，根据磁阻抗变化率测得磁场灵敏度达到153％。

对比例1

本对比例中，仅对非晶丝进行等温退火热处理，保温温度为220℃，保温时间2h。非晶丝的环向矩形比为0.818，磁阻抗变化率为43.3％。非晶丝磁场灵敏度达到93.5％。

对比例2

本对比例中，仅对非晶丝进行电流热处理，50Hz频率三角波电流，电流幅值均为115mA，热处理时间2h。非晶丝的环向矩形比为0.915，磁阻抗变化率为86％。非晶丝磁场灵敏度达到113％。

对比例3

本对比例中，将长度为6cm玻璃包覆非晶丝的两端固定在耐材基体上，两端焊接固定导线引出炉体外部，炉腔内通有氩气保护气体，保温温度为220℃，对非晶丝施加50Hz的方形波电流，电流I

综上分析，本发明采用等温退火和电流退火相结合的复合热处理方法，以等温退火为主，结合非晶丝的脉冲电流辅助热处理，实现非晶丝的环向励磁，感生环向各向异性，相对于单独的等温退火热处理，这种复合热处理方法可以实现温度可控，使温度处理更均匀，达到丝材表面和芯部温度均匀的效果。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。