CN108998633B - 一种非晶纳米晶磁芯的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶纳米晶磁芯的热处理方法，包括步骤：(1)将待处理的磁芯放置在横向磁场热处理炉中，并通入保护气体；(2)进行热处理及磁处理，包括：第一阶段：温度从室温升到约300℃，用时约60min；保温约30min；之后再升到约400℃，用时约30min；然后保温约60min；第二阶段：温度从约400℃升到T1，用时约30min；然后在T1保温约210min；同时在该第二阶段中施加横向磁场；第三阶段：撤销磁场，同时使温度从T1升到约510℃，用时约20min；保温约40min；之后再升到T2温度并保温，用时为约90min；第四阶段：停止加热，并冷却至室温；其中，T1温度为460～480℃，T2温度为560～570℃。
Description
技术领域
本发明涉及非晶磁芯处理技术领域，更具体涉及一种非晶纳米晶磁芯的热处理方法。
背景技术
近年来发展起来的非晶纳米晶软磁材料例如铁基非晶纳米晶软磁材料，要求要有尽可能较小的磁晶向异性常数和饱和磁致伸缩系数，使得磁芯有低矫顽力、低损耗和高初始磁导率等特点。不同于传统软磁材料所要求的晶粒尽可能的均匀且大，铁基非晶纳米晶软磁材料其独特的非晶纳米晶双相微观结构中，纳米晶晶粒需要尽可能的小且密度大。此外，非晶纳米晶软磁材料的高频化、小型化将会极大的拓展其在各类电子设备中的使用范围。
只有通过合适的热处理，抑制非晶纳米晶软磁材料晶化放热冲温，消除快速凝固过程中的残余应力，才能将非晶纳米晶软磁材料的优异性能显现出来，因此这种工艺不但要求热处理后的磁芯性能优越，而且能保持良好的磁稳定性和抗干扰能力。
非晶磁芯必须通过热处理后才有磁性性能，目前常用的热处理方法分为真空热处理和非真空热处理。例如中国专利201710602425.3公开了一种磁场热处理炉，包括了炉体、加热炉、电磁系统、冷却油箱以及水冷循环系统，设计的回旋圆孔来增强对炉膛的辐射效果，可调节磁极与加热炉之间的气隙来保证加热炉内有足够的磁场强度。中国专利201310053193.2公开了一种磁芯横磁场热处理炉，包括炉胆和料架，，能够在真空加横磁场的方式处理磁芯。中国专利201020194370.0公开的一种磁场热处理炉，由炉体、带侧立柱的底座、炉盖、磁场线圈、控制系统、真空系统或加气系统等部分组成。中国专利201520517286.0公开的一种磁场热处理装置，通过在装置设有两个相互平行设置的多块永磁体，实现高磁场强度来进行热处理。
但是，上述真空热处理设备和非真空热处理设备的工艺和操作都较为复杂，并且存在着磁芯性能不稳定，同炉的磁芯性能差异性大的问题。
因此，存在对新的磁场热处理技术的需要。
发明内容
对于目前技术问题，本发明的目的在于提供一种磁场热处理炉，不仅方便操作，易于调整维修，而且可以有效的提高了磁芯性能的稳定性，和同炉磁芯性能的一致性。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一方面，提供一种非晶纳米晶磁芯的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将待处理的非晶纳米晶磁芯放置在横向磁场热处理炉中，并通入保护气体；
(2)进行热处理及磁处理，包括：
第一阶段：温度从室温升到约300℃，用时约60min；保温约30min；之后再升到约400℃，用时约30min；然后保温约60min；
第二阶段：温度从约400℃升到T1，用时约30min；然后在T1保温约210min；同时在该第二阶段中施加横向磁场；
第三阶段：撤销磁场，同时使温度从T1升到约510℃，用时约20min；保温约40min；之后再升到T2温度，用时约30min，并保温约60min；
第四阶段：停止加热，并冷却至室温；
其中，T1温度范围是460～480℃，T2温度范围是560～570℃。
根据本发明的一个实施方案，其中所述非晶纳米晶磁芯的热处理方法还包括在所述第一阶段中的第90min至结束这一时间段之中开始施加横向磁场。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述保护气体为氮气。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述非晶纳米晶磁芯为铁基非晶纳米晶磁芯。
根据本发明的一个实施方案，其中，热处理后磁芯的矫顽力Hc＜2A/m。
根据本发明的一个实施方案，其中，热处理后磁芯的饱和磁致伸缩系数λ＜0.5ppm。
根据本发明的一个实施方案，其中，将热处理后磁芯装入垫有海绵的塑料护盒后，从200mm高处跌落5次，电感变化量不超过5％。
根据本发明的一个实施方案，其中，热处理后磁芯的磁导率μ范围为10.000～400.000。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述第四阶段包括将磁芯出炉后用风机冷却至室温，用时约50min左右。
根据本发明的一个实施方案，其中，施加的磁场强度可以为15-25KA/m，例如可以为20KA/m，技术人员可以根据具体情况来确定具体的数值。
本发明的有益效果是：
本发明结合磁场处理和预退火处理，采用分步退火法，在预退火过程加磁场，磁芯保温出炉后，可以直接采用风机空冷的方式冷却至室温。本发明的热处理方法，使所得的非晶纳米晶磁芯具有高初始磁导率，低矫顽力，低损耗和良好的高频磁性，而且由于加入磁场以及充足合理的保温时间，使得磁芯电感频率曲线更为平滑，在进一步绕线做成共模电感后，其抗干扰能力和使用稳定性更为优良。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是根据本发明一个实施方案的横向磁场热处理炉的结构示意图。
图2是根据本发明一个实施方案的加热炉的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施方案的热处理方法的示意图；
图4是根据本发明一个实施方案的热处理后磁芯的电感频率曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
图1是根据本发明一个实施方案的横向磁场热处理炉的结构示意图。图2是根据本发明一个实施方案的加热炉的结构示意图。
如图1、图2所示，本发明的磁场热处理炉可以包括炉架1、设置在炉架上的两个加热炉2、水冷系统3和磁场系统4。
炉架1为加热炉2、水冷系统3和磁场系统4提供支撑，所述加热炉2、水冷系统3和磁场系统4直接或者间接地设置在炉架1上。
所述水冷系统3包括冷却水板6以及经管道与冷却水板6相连的冷却机7，其中冷却水板6固定在加热炉2上方和下方，且与加热炉2之间留有5-10mm的空隙，其内部通入循环水，整体高度不超过15mm，作用是保护永磁体免受加热炉温度的影响。受重力作用，上方冷却水板与加热炉之间空隙更小，因而循环水流方向可以是从上板到下板。
所述磁场系统4包括永磁体8、固定装置9、传动装置11和控制器12，永磁体8包括两个异名磁极，相对安装在固定装置9上；固定装置9设置在炉架上并且与传动装置11和控制器12相连，使得固定装置9可沿水平方向移动，由此使得加热炉能够进入所述两个异名磁极之间。由于在固定装置9的两侧安装有两个加热炉2，因此固定装置9可以左右移动为两个加热炉来进行加磁，也即，两个加热炉2共用一个磁场系统，提高了设备的利用率。
两个异名磁极例如可以用高粘粘强度的AB胶，相对安装在固定装置上。控制器12通过传动装置(例如可以由电机与链条组成)，使固定装置9可沿水平方向移动，固定装置9呈中空形，加热炉2可以进入到两个异名磁极之间，由此实现热处理过程中的加磁、撤磁。
另外，本发明的装置还可以包括接近开关10，安装在炉架上，与控制器12相连，其作用是限定磁场位置，并避免固定装置撞击炉架1。
参考图2，每一个加热炉2可以包括炉壳13、炉膛14、炉门15、炉衬16、气氛预热室17、加热元件(18、19、20)、测温装置(21、22、23)和通气通道(24、25、26)，其中所述加热元件包括第一加热元件18、第二加热元件19以及第三加热元件20，所述第一加热元件18设置在炉膛14的前段的外侧壁上，第二加热元件19设置在炉膛14的中后段的外侧壁上，第三加热元件20设置在气氛预热室17之中，气氛预热室17设置在炉膛14的后端。
所述测温装置(21、22、23)包括第一测温装置21、第二测温装置22以及第三测温装置23，设置在炉膛14内部，分别固定在与第一加热元件18、第二加热元件19以及第三加热元件20相对应的位置，用于测量炉膛14前段、中段和后段的温度。
所述加热炉2还可以包括控制柜5，所述加热元件(18、19、20)和测温装置(21、22、23)与所述控制柜5连接。通过控制柜5来控制加热元件(18、19、20)和测温装置(21、22、23)二者之间的操作和协调。
根据本发明的一个实施方案，其中，通气通道(24、25、26)，包括第一通气通道24、第二通气通道25以及第三通气通道26，所述第一通气通道24设置在炉膛14的前端，连通炉膛14与外部；所述第二通气通道25设置在炉膛14的末端，连通炉膛14与气氛预热室17；所述第三通气通道26设置在气氛预热室17上，连通气氛预热室17与外部。这样通气通道连通了外部保护气体、炉膛与气氛预热室。
为避免受到磁场影响，并延长设备寿命，所述炉壳13、炉膛14、炉门15以及冷却水板均可以使用奥氏体耐热不锈钢制作。另外，炉门内可以用高温胶黏贴高铝砖，增强保温效果，高铝砖周围粘贴有密封橡胶条，避免保护气体的浪费。
所述加热元件(18、19、20)可以是穿有氧化铝瓷珠的Cr20Ni18电阻丝。加热元件(18、19)可以沿炉膛横截面呈螺旋状裹绕在炉膛外部，并且，加热元件19可以占据大部分位置，可以作为炉膛内的主要热源。加热元件20设在气氛预热室里，不仅预热保护气体，也利于炉内的保温效果。加热元件19是炉内的主要热源，加热元件(18、19)作辅助热源，减小了炉内温度的波动，提高炉内温度的一致性。
所述炉衬16位于炉壳13与炉膛14之间，可以是通过用高铝硅酸耐火纤维布裹绕在炉膛14外，然后再用石棉板充填充空隙而形成，以提高热处理炉的保温效果。
对于非真空条件下的磁芯处理，通过温度调控和加撤磁场的结合，利于磁芯性能的稳定，下面结合附图3和4以及以下实施例作详细说明。
图3是根据本发明一个实施方案的热处理方法的示意图；图4是根据本发明一个实施方案的热处理后磁芯的电感频率曲线图。
如图3、图4所示，本发明的非晶纳米晶磁芯的热处理方法可以包括以下步骤：
(1)将绕制好的磁芯放置在横向磁场热处理炉中，通入氮气。更具体地以绕制好的规格为32-20-10铁基非晶纳米晶磁芯为例，其卷绕系数为0.78，装炉量为1020个。
(2)热处理时间和温度如下：
第一阶段：温度从室温升到约300℃，用时约60min；保温约30min；之后再升到约400℃，用时约30min；然后保温约60min；
第二阶段：温度从约400℃升到T1，用时约30min；然后在T1保温约210min；同时在该第二阶段中施加20KA/m横向磁场；
通过第一、二阶段的分段升温、保温，可使炉内各个位置的磁芯充分受热升温，减小温度波动，在T1温度的预退火处理，能有效的抑制晶化放热冲温，并且，加入磁场可降低磁晶的各向异性。这些方法都能尽可能提高纳米晶相(α-Fe)的形核率。
第三阶段：撤销磁场，同时使温度从T1升到约510℃，用时约20min；保温约40min；之后再升到T2温度，用时约30min，并保温约60min；
第四阶段：停止加热，并冷却至室温；
其中，T1温度范围是460～480℃，T2温度范围是560～570℃。
所述第四阶段可以包括将磁芯出炉后用风机冷却至室温，用时约50min左右。注意要避免风机冷却速度过慢，这可能会导致磁芯氧化。当然也可以采用其他合适的冷却方法。
另外，也可以延长磁场施加时间，例如在所述第一阶段中的第90min至结束这一时间段之中开始施加横向磁场，例如具体可以在第一阶段的第100min开始施加横向磁场，一直延续到第二阶段。这可以根据磁芯的规格大小以及对高低频性能要求来决定。
对热处理后磁芯进行性能测试，其中测得饱和磁通密度Bs＝1.2T,矫顽力Hc＜2A/m，磁导率μ范围10.000～400.000，铁损Ps(0.3T,100kHz)＜110W/kg，饱和磁致伸缩系数λ＜0.5ppm,电感频率曲线如图4所示，将磁芯装入垫有海绵的塑料护盒后，从200mm高处跌落5次，电感变化量不超过5％。
以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种非晶纳米晶磁芯的热处理方法，包括以下步骤：
(1)将待处理的非晶纳米晶磁芯放置在横向磁场热处理炉中，并通入保护气体；
(2)进行热处理及磁处理，包括：
第一阶段：温度从室温升到约300℃，用时约60min；保温约30min；之后再升到约400℃，用时约30min；然后保温约60min；
第二阶段：温度从约400℃升到T1，用时约30min；然后在T1保温约210min；同时在该第二阶段中施加横向磁场；
第三阶段：撤销磁场，同时使温度从T1升到约510℃，用时约20min；保温约40min；之后再升到T2温度，用时约30min，并保温约60min；
第四阶段：停止加热，并冷却至室温；
其中，T1温度范围是460～480℃，T2温度范围是560～570℃；
其中，将热处理后磁芯装入垫有海绵的塑料护盒后，从200mm高处跌落5次，电感变化量不超过5％。
2.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，还包括在所述第一阶段中的第90min至结束这一时间段之中开始施加横向磁场。
3.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，所述保护气体为氮气。
4.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，所述非晶纳米晶磁芯为铁基非晶纳米晶磁芯。
5.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，热处理后磁芯的矫顽力Hc＜2A/m。
6.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，热处理后磁芯的饱和磁致伸缩系数λ＜0.5ppm。
7.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，热处理后磁芯的磁导率μ范围为10.000～400.000。
8.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，所述第四阶段包括将磁芯出炉后用风机冷却至室温，用时约50min左右。
9.根据权利要求1所述的非晶纳米晶磁芯的热处理方法，其中，施加的磁场强度为15-25KA/m。
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