Iron-based nanocrystalline magnetic core with low coercive force and low magnetic conductivity and preparation method

具体实施方式

本发明提供了一种具有低矫顽力和低磁导率的铁基纳米晶磁芯的制备方法，包括以下步骤：

将所述铁基纳米晶磁芯的原料进行感应熔炼，得到母合金锭；

将所述母合金锭加热至熔融，将所得合金液喷射至金属辊表面进行急冷，得到非晶薄带；

沿所述非晶薄带的条带方向同时施加张应力和磁场进行张应力-磁场复合退火，得到具有低矫顽力和低磁导率的铁基纳米晶磁芯；所述张应力-磁场复合退火的温度为T_x1±8℃，T_x1为非晶薄带的第一个晶化温度；所述张应力-磁场复合退火的张应力为20～50MPa；

所述铁基纳米晶磁芯的分子式为Fe_aSi_bB_cCu_dNb_e，其中，a、b、c、d和e为原子百分比，7≤b≤18；5≤c≤13；0.5≤d≤1.5；0.5≤e≤4；其余为a。

本发明将所述铁基纳米晶磁芯的原料进行感应熔炼，得到母合金锭。

在本发明中，所述感应熔炼优选在氮气保护下进行，所述感应熔炼优选为多次感应熔炼。每次熔炼后，本发明优选还包括进行除渣。

得到母合金锭后，本发明将所述母合金锭加热至熔融，将所得合金液喷射至金属辊表面进行急冷，得到非晶薄带。

在本发明中，所述金属辊优选为铜辊，所述金属辊的转速优选为30～40m/s。本发明对所述非晶薄带的厚度没有特殊要求，本领域熟知的厚度均可，具体如17μm或20μm。在本发明中，所述非晶薄带的宽度优选为10mm。本发明优选将非晶薄带以卷材的形式进行后续步骤。

本发明沿所述非晶薄带的条带方向同时施加张应力和磁场进行张应力-磁场复合退火，得到具有低矫顽力和低磁导率的铁基纳米晶磁芯。

在本发明中，所述张应力-磁场复合退火优选在张应力-磁场复合热处理炉中进行。为了便于本领域技术人员更好的理解本申请的技术方案，现结合图1进行解释说明。图1为张应力-磁场复合热处理炉的结构示意图。

本发明首先将成卷的非晶薄带固定在放带侧传送轴系统2中，将非晶薄带按顺序绕过每个子传动轴，以保证拉伸过程中条带受力的均匀性，防止条带断裂；固定完成后，将条带从加热管道3和电磁铁5内部穿过，送至收带侧传动系统4，再将非晶薄带按照与放带侧传送轴系统1中对称的顺序绕过每个子传动轴并进行固定；接下来在总控制系统1进行程序设置，调整退火时间、加热管道温度和外加磁场强度，开启设备进行张应力-磁场复合退火(即同时施加沿条带方向的张应力和平行于条带方向的磁场进行退火)，最后使用手动卷绕设备将退火完成的条带卷绕成规定尺寸的磁芯。

在本发明中，所述张应力-磁场复合退火的温度为T_x1±8℃，更优选为T_x1±5℃，T_x1为非晶薄带的第一个晶化温度；时间优选为10～300s，更优选为30～280s，进一步优选为50～230s，最优选为100～200s。本发明将退火温度和时间控制在上述范围，兼具低有效退火时间以及节能环保同时，充分使得非晶中纳米晶均匀析出。

在本发明中，所述张应力-磁场复合退火的张应力为20～50MPa，优选为25～45MPa，进一步优选为28～40MPa。上述范围内张应力对α-Fe纳米晶的生长起促进作用，平衡了非晶基质和纳米晶两相的饱和磁致伸缩，从而降低磁芯的矫顽力。

在本发明中，所述张应力-磁场复合退火的外磁场强度优选为800Gs以下，更优选为800Gs。本发明将磁场强度控制在上述范围，能够保证达到良好的改善性能的效果。

在本发明中，所述铁基纳米晶磁芯的分子式为Fe_aSi_bB_cCu_dNb_e，其中，a、b、c、d和e为原子百分比，7≤b≤18；5≤c≤13；0.5≤d≤1.5；0.5≤e≤4；其余为a；优选的，73≤a≤76，20≤b+c≤25，1≤d≤1.5，1≤e≤3。在本发明的实施例中，所述Fe_aSi_bB_cCu_dNb_e为Fe_73.5Si_15.5B₇Cu₁Nb₃。适量的非金属元素Si和B的为磁芯提供较好的非晶形成能力，适量的Cu元素提高了α-Fe纳米晶晶粒的形核密度，适量的Nb能够抑制α-Fe纳米晶晶粒的长大，有利于性能精细的非晶纳米晶双相结构，降低材料的矫顽力。

在本发明中，所述铁基纳米晶磁芯的平均晶粒尺寸优选为13.02～17.75nm；所述铁基纳米晶磁芯优选为无空气隙的环形结构。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的铁基纳米晶磁芯，矫顽力H_c为2.6～4.0A/m；相对初始磁导μ_i为800～1000。饱和磁感应强度B_s优选为1.25T，在10kHz～1MHz频率范围内的磁导率衰减率优选不大于10％。

下面结合实施例对本发明提供的具有低矫顽力和低磁导率的铁基纳米晶磁芯及制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例和对比例

以Fe_73.5Si_15.5B₇Cu₁Nb₃非晶合金制备纳米晶磁芯为例，具体步骤如下：

(1)将各组原料按配比称重混合，使用感应电弧炉进行多次真空熔炼，获得高纯度的母合金锭。

(2)将步骤(1)获得的母合金锭熔化得到合金液并喷射至铜辊(转速为35m/s)表面得到铁基非晶合金薄带(T_x1为490℃)，经过定宽辊剪获得宽10mm、厚17μm的非晶薄带制成卷材。

(3)使用张应力-磁场复合热处理炉(如图1所示)对步骤(2)获得的非晶带材进行张应力-磁场复合退火，首先将成卷的非晶薄带固定在放带侧传送轴系统2中，将非晶薄带按顺序绕过每个子传动轴，以保证拉伸过程中非晶薄带受力的均匀性，防止非晶薄带断裂；固定完成后，将非晶薄带从加热管道3和电磁铁5内部穿过，送至收带侧传动系统4，再将非晶薄带按照与放带侧传送轴系统1中对称的顺序绕过每个子传动轴并进行固定；接下来在总控制系统1进行程序设置，调整退火时间、加热管道温度和外加磁场强度，开启设备进行退火，最后使用手动卷绕设备将退火完成的条带卷绕成规定尺寸的磁芯。

在退火全过程施加沿带轴拉伸方向的张应力和外磁场，温度控制精度不超过±1℃，张应力的控制精度不超过±1MPa，磁场强度为800Gs，退火温度、时间和张应力具体见表1。退火后带材厚度无较大缩减。

(4)将退火后的纳米晶带材按尺寸卷绕成24mm×20mm×10mm规格的磁芯。

表1实施例和对比例磁芯的退火条件和软磁性能

由表1可知，本发明使用张应力-磁场复合退火制备的磁芯具有低初始磁导率和低矫顽力，且在10kHz～1MHz频率范围内的磁导率衰减率不大于10％，磁性能优异。

图2为磁芯矫顽力H_c(A/m)随退火中施加的张应力大小σ(MPa)的变化趋势曲线。从图2可以看出，480℃退火温度时纳米晶的析出生长情况较少，张应力对纳米晶的调节效果非常小。此时，磁芯矫顽力维持在7.5A/m左右，整个过程可以看作去应力退火。退火温度提高到490℃，此时纳米晶获得足够的能量开始生长，能够比较明显地看到张应力对磁芯矫顽力的调节效果。这种调节效果在490℃、29MPa样品达到了综合性能最佳，此时H_c＝2.67A/m。但当退火温度继续提高到500℃，由于不施加张应力时材料内部已经形成了精细的纳米晶结构，施加张应力导致纳米晶尺寸迅速长大，反而导致磁性能的恶化，因此，对比例8与实施例2相比，磁芯矫顽力和初始磁导率均上升，磁性能下降。

此外，由图2和表1还可以看出，当张应力过大时，会导致材料内部晶粒尺寸迅速变大，增加磁晶各向异性，进而恶化软磁性能，因此，相比对比例5和实施例1～4，对比例6和对比例7的矫顽力变高。

图3是退火温度为490℃、张应力为29MPa得到的纳米晶磁芯的微观结构图(左)和晶粒尺寸分布图(右)。可以看到α-Fe纳米晶均匀分布在非晶基质中，选区电子衍射图显示了标准的(110)(200)(211)的三个衍射环，平均晶粒尺寸在13.02μm。

综上所述，Fe_73.5Si_15.5B₇Cu₁Nb₃磁芯获得低矫顽力以及低恒磁导率的条件：在T_x1±8℃，退火270s，同时施加一定的张应力与磁场。磁芯加工成本较低，退火时间短，同时兼具低至2.6A/m的矫顽力和800～1000之间可调的相对恒磁导率(10kHz～1MHz)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。