CN109754974A

CN109754974A - 一种纳米晶合金磁芯及其制备方法

Info

Publication number: CN109754974A
Application number: CN201910170890.3A
Authority: CN
Inventors: 贺爱娜; 董亚强; 黎嘉威; 肖恢芸; 曹艺; 李润伟
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: CN109754974B

Abstract

本申请公开了一种纳米晶合金磁芯及其制备方法。本申请提供的纳米晶合金磁芯，将淬态合金材料经多场耦合热处理得到所述纳米晶合金磁芯；所述淬态合金材料包括具有式Ⅰ所示化学式的化合物中的至少一种。该纳米晶合金磁芯具有高的弛豫频率和低的高频损耗。并且本申请提供一种利用热场、磁场和应力场多场耦合和实时调控纳米晶磁芯的高频特性，从而提高纳米晶合金磁芯弛豫频率和降低高频损耗。

Description

一种纳米晶合金磁芯及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种纳米晶合金磁芯及其制备方法，属于磁性材料技术领域。

背景技术

近年来，能源危机已迫在眉睫，而世界能源消费每年却以巨速增长。节能环保，发展绿色、低碳经济已受到人们的广泛重视。因此，电子器件向小型化、高效化、高频化和低能耗方向发展，这就要求软磁合金材料具有高饱和磁感应强度、低的高频损耗、高的磁导率和良好的高频频率特性等优异高频综合性能。

目前，高频变压器中通用的磁芯主要以锰锌铁氧体为主。然而，锰锌铁氧体材料在高频工况下的电磁性能存在较多不足，限制了其在高频电力技术中的发展。一方面，其居里温度(约130℃-250℃)低，长期运行或一些突发状态很容易使变压器运行温度在短时间内升至150℃，甚至更高，使铁氧体磁芯的服役环境较容易达到居里温度点，使其软磁性能迅速下降，导致电能转换系统瘫痪，铁氧体在高频高温升工况下的稳定性存在隐患；另一方面，铁氧体高频磁导率低，频率响应特性略差。此外，铁氧体饱和磁感应强度低，仅为0.5T，使设计的磁芯体积较大，限制了其诸多应用场合，不能满足未来变压器装置向更高频率、更高效率以及小型化方向发展的需要。

纳米晶软磁材料是一种在非晶软磁基体上发展而来的新型软磁材料，由非晶基体和铁磁纳米晶晶粒组成。铁基纳米晶合金是利用快淬急冷技术，将高温合金熔体喷射到高速旋转的冷却铜辊上，以每秒达百万度的速度迅速冷却凝固而形成具有长程无序结构的非晶合金，之后直接通过晶化热处理获得了一种均匀析出、弥散分布在非晶基体上的纳米尺度α-Fe相的新型软磁合金材料。这是由于铁基纳米晶合金具有α-Fe纳米晶相和非晶相的交换耦合作用，因而兼备铁基非晶合金的高磁感应强度、成本低廉。

然后，传统方法制备得到的铁基软磁合金材料的弛豫频率较低、高频损耗却又较高，不能满足高频变压器的使用。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种纳米晶合金磁芯，该纳米晶合金磁芯具有高的弛豫频率和低的高频损耗。

一种纳米晶合金磁芯，将淬态合金材料经多场耦合热处理得到所述纳米晶合金磁芯；

所述淬态合金材料包括具有式Ⅰ所示化学式的化合物中的至少一种：

Fe_aSi_bB_dNb_eCu_f(M)_g 式Ⅰ

其中，M表示由三种不同组元形成的组合，所述组元选自Mo、Ti、C、Al、V、Ga、O中的任一种；

a、b、d、e、f、g分别代表Fe、Si、B、Nb、Cu、M的原子百分比，a、b、d、e、f、g的取值范围分别为：

75≤a≤79，8.5≤b≤14，7.5≤d≤10，1.5≤e≤2.5，0.8≤f≤1.2，0≤g≤0.5。

可选地，M选自MoCTi、TiAlV、TiGaO、VCAl、MoCO中的任一种。

可选地，所述淬态合金材料为带状，所述淬态合金材料的厚度为12～20μm。

本申请所提供的淬态合金材料为带状，为一种淬态合金薄带。

磁芯的总损耗是由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成。在高频区域，其涡流损耗占主导。涡流损耗与电阻率成反比，与带材的厚度成正比。合金成分接近的磁芯的电阻率基本相同。因此，超薄的带材厚度是保证纳米晶磁芯的损耗低的一个关键因素。所以，本申请提供的淬态合金薄带的厚度小于20微米。

可选地，所述淬态合金材料为非晶结构；或者

所述淬态合金材料的自由面具有厚度小于1μm的表面晶化层，所述淬态合金材料除自由面外的其他区域为非晶结构。

具体来说，淬态合金材料整体为非晶结构或者淬态合金材料的自由面形成表面晶化层。

也就是说，淬态合金薄带自由面的微观结构为完全非晶结构；或者具有小于1微米的表面晶化层、薄带除自由面外的其他区域的微观结构为完全非晶结构，薄带表面晶化层具有<001>择优取向织构。

高密度的形核团簇是保证高密度且均匀分布的纳米晶晶粒的关键，因此，淬态合金薄带的各区域微观结构为完全非晶结构，经后续晶化热处理后可保证形核点同时析出和竞争长大，获得非晶基体上均匀分布的纳米晶颗粒。但是，在工业生产中，因杂质的存在会使淬态带材出现晶化引起微观结构不均匀，经后续晶化热处理时先晶化的晶粒先快速长大，与后形核的晶粒的长大速率不同，最终获得的晶粒分布不均匀，尺寸相差大，磁芯的高频特性不佳。因此，在淬态合金制备中获得自由面的微观结构为完全非晶结构或具有小于1微米的表面晶化层；薄带表面晶化层具有<001>择优取向织构。也就是说，淬态合金薄带的自由面形成非晶结构或具有小于1微米的表面晶化层的微观形貌，在实际生产过程中是不可避免。对于淬态带材出现晶化，对后续形成纳米晶晶粒高密度且均匀分布是非常不利的。

可选地，所述纳米晶合金磁芯的弛豫频率大于100kHz，0.5T和10kHz下的高频损耗小于20kW/m³，0.2T和100kHz下的高频损耗小于230kW/m³。

可选地，所述多场耦合热处理包括热场、磁场、应力场多重耦合处理。

本申请还提供了一种上述任一项所述的纳米晶合金磁芯的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

a)获得淬态合金材料；

b)将所述淬态合金材料加工成磁芯坯体；

c)对所述磁芯坯体进行多场耦合热处理，即可得到所述纳米晶合金磁芯。

可选地，步骤a)中的淬态合金材料利用现有技术中快速冷却方法制备得到。下面介绍一种较好的制备方式：将含有Fe单质、Si单质、B单质、Nb单质、Cu单质、M所应对的不同组元单质的原料按照式Ⅰ所示的原子摩尔比进行高温混合，之后将高温合金熔体喷射到高速旋转(转速为25m/s～40m/s)的冷却铜辊上，以每秒达百万度的速度迅速冷却凝固而形成具有长程无序结构的非晶合金，即得到了淬态合金材料。

可选地，步骤b)中的加工方法为现有技术中常用的方式。例如，将淬态合金薄带通过卷绕或叠压切割的方法制备成圆筒状的磁芯坯体。

可选地，步骤c)中，将所述磁芯坯体放置于永磁体形成的磁场中，再放于热场中，永磁体产生的吸引力提供应力场。

热场可降低淬态合金带材的应力和准位错偶极子的密度，减少钉扎点。永磁体磁芯区域产生的磁场对磁芯内的晶粒长大具有抑制作用，降低长大速率，进而降低磁芯内的纳米晶晶粒尺寸从而提高其均匀度；同时磁场与磁芯内的合金原子相互作用，产生单轴感生各向异性；以及与磁力相互作用，干扰表面晶化层的晶粒取向，使易磁化方向<001>向带材长度方向靠拢，进而提高纳米晶磁芯的弛豫频率和降低高频损耗。

可选地，所述永磁体包括居里温度大于700℃的永磁材料。

优选地，所述永磁材料包括AlNiCo硬磁合金、SmCo硬磁合金中的任一种。

更优选地，所述永磁材料包括AlNiCo硬磁合金。

可选地，所述磁芯坯体为圆筒状，在所述磁芯坯体的沿其轴向方向的两端分别放置一个永磁体，然后置于500～550℃的热场中，两个所述永磁体产生的吸引力作为应力场作用于所述磁芯坯体上。

本申请的多场耦合热处理为热场、磁场和应力场多重耦合和实时调控处理方式。在磁芯的高度方向(轴向方向)的两边设置两块永磁体在磁芯区域产生直流磁场，置于500～580℃的热场中，两块永磁体产生的吸力提供应力场作用于磁芯上，处理0.5～3h，即可得到所述纳米晶合金磁芯。

上述任一项所述的纳米晶合金磁芯、上述任一项所述的方法制备得到的纳米晶合金磁芯在高频变压器中的应用。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请旨在提供一种利用热场、磁场和应力场多场耦合和实时调控纳米晶磁芯的高频特性，从而提高弛豫频率和降低高频损耗。

2)本申请的经多场耦合热处理后得到的纳米晶合金磁芯的弛豫频率大于100KHz，0.5T和10kHz下的高频损耗小于20kW/m³，0.2T和100kHz下的高频损耗小于230kW/m³。

3)本申请利用热场、磁场和应力场多场耦合和实时调控形核点和纳米晶晶粒取向与分布，提高的晶粒形核密度和弥散度；此外还调控了磁芯的感生各向常数和感生各向场，使易磁化方向发生改变向磁化方向靠拢，从而提高纳米晶磁芯的弛豫频率和降低了高频损耗。

4)即使在淬态合金材料中产生晶化，通过多场耦合热处理后所得到的纳米晶合金磁芯依然具有高的弛豫频率和低的高频损耗。

5)采用本发明制备的纳米晶合金磁芯的高频性能优异，应用于高频变压器中时，可以现实高频变压器的高效率、低能耗和绿色节能的效果，可拓宽高频变压器的产品市场和应用前景。

附图说明

图1为实施例1中的淬态合金带材M1的XRD图；

图2为实施例1中的淬态合金带材M1的EBSD图；

图3为实施例1中的淬态合金带材M1的<001>取向与自由面法向的夹角；

图4为实施例1和对比例1中的贴辊面的XRD图；

图5为实施例1和对比例1中的自由面的XRD图；

图6为实施例1中的纳米晶合金磁芯的EBSD图；

图7为实施例1中的纳米晶合金磁芯的<001>取向与自由面法向的夹角；

图8为对比例1中的磁芯的EBSD图；

图9为对比例1中的磁芯的<001>取向与自由面法向的夹角；

图10为实施例1中的纳米晶合金磁芯的复数导磁率图；

图11为对比例1中的磁芯的复数导磁率图；

图12为实施例2中的淬态合金带材M2的XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

本申请中，XRD测试采用D8Advance型多晶X射线衍射仪。

SEM测试采用FEI Quanta FEG 250型扫描电子显微镜。

晶粒取向分析采用FEI Quanta FEG 250型扫描电子显微镜(SEM)上搭载的电子背散射衍射(EBSD)。

损耗测试采用Riken ACBH-100K型号的交流B-H仪。

弛豫频率测试采用Agilent 4294型号的阻抗分析仪。

实施例1

本实施提供一种用于高频变压器的高弛豫频率纳米晶磁芯。其磁芯制备方法如下步骤。

(1)首先，合金成分选择Fe₇₆Si₁₃B₈Nb₂Cu₁，采用快速冷却技术制备淬态合金带材，具体步骤为：将工业原料的Fe、Si、B、Cu和Nb按本实施例的组分进行配料；将配比好的原料放入感应熔炼炉内的铝坩埚内,高温熔化保温15分钟，然后将熔融合倒入铜模中冷却制备成成分均匀的母合金钢锭，将钢锭破碎后再通过单辊快淬工艺制备出淬态合金带材(辊速为30m/s)。记作淬态合金带材M1，淬态合金带材M1厚度为20微米。

对该淬态合金带材M1进行XRD测试，检测其微观结构，结果如图1所示。图1中显示该淬态合金带材M1的自由面具有(100)的晶化峰；经过1微米的抛光后，其XRD图谱显示为在45°具有一个宽化的弥散衍射峰；淬态合金带材M1的贴辊面的XRD图谱显示其在45°也具有一个宽化的弥散衍射峰；说明该合金淬态带材在自由面具有小于1微米的晶化层，其他区域均为非晶态结构。

采用FEI Quanta FEG 250型扫描电子显微镜(SEM)上搭载的电子背散射衍射(EBSD)对淬态合金带材M1自由面进行晶粒取向分析，结果如图2所示。图2极图分析表明该淬态带材M1自由面的法线方向(垂直带面方向)具有<001>取向；其<001>取向与自由面法向方向的夹角为3-5°，如图3所示。

(2)然后，将淬态合金带材M1围合加工成圆筒状磁芯坯体，经多场耦合热处理即热场、磁场和应力场多重耦合和实时调控处理：磁芯坯体的沿其轴向方向的两端设置两块永磁体在磁芯坯体区域产生磁场，置于520℃的热场中，两块永磁体产生的吸力提供应力场作用于磁芯坯体上，处理1.5h后，得到纳米晶合金磁芯，记作样品1#。其中，永磁体为高居里温度的AlNiCo-6型硬磁合金(Tc＝860℃)。

对比例1

作为比较，将上述实施例1中步骤(1)制得的淬态合金带材M1，加工成圆筒状磁芯坯体后，将磁芯坯体直接在520℃进行纳米晶化热处理，得到对比例1的磁芯样品。

实施例1和对比例1的磁芯的微观结构表征和性能测试

分别对实施例1中的纳米晶合金磁芯样品1#和对比例1中的磁芯样品的贴辊面进行XRD测试，检测其微观结构，结果如图4所示，样品1#和对比例1的贴辊面均析出α-Fe相，且晶化峰强基本相同。

分别对实施例1中的纳米晶合金磁芯样品1#和对比例1中的磁芯样品的自由面进行XRD测试，检测其微观结构，结果如图5所示，样品1#和对比例1自由面均析出α-Fe相，但样品1#的(200)峰强要远低于对比例1。

分别对实施例1中的纳米晶磁芯样品1#的自由面和对比例1中的磁芯样品的自由面进行晶粒取向分析，结果如图6和图8所示。图6极图分析表明样品1#的自由面的法线方向(垂直带面方向)具有<001>取向；其<001>取向与自由面法向方向的夹角为12°，如图7所示。图8极图分析表明对比例自由面的法线方向(垂直带面方向)具有<001>取向；其<001>取向与自由面法向方向的夹角为3°，如图9所示。

分别对实施例1中的样品1#和对比例1中的磁芯样品进行损耗测试，多场热处理调控后的磁芯样品1#在0.5T和10kHz下的高频损耗小于20kW/m³，0.2T和100kHz下的高频损耗小于230kW/m³；对比例的磁芯在0.5T和10kHz下的高频损耗为37kW/m³，由此可以看出实施例1中的样品1#的高频损耗远低于对比例1的磁芯损耗。

分别对实施例1中的样品1#和对比例1中的磁芯样品进行复数磁导率测试，结果如图10和11所示，多场耦合热处理调控后的磁芯样品1#的弛豫频率为108kHz，对比例1热处理后的磁芯的弛豫频率为55kHz，由此可以看出，样品1#的弛豫频率是对比例1中磁芯的弛豫频率的一倍。

实施例2

(1)首先，合金成分选择Fe_75.5Si₁₃B₈Nb₂Cu₁(VCAl)_0.5，采用快速冷却技术制备淬态合金带材，具体步骤与实施例1基本相同，所不同的是铜辊转速为35m/s。记作淬态合金带材M2。淬态合金带材M2带材厚度为18微米。

对该该淬态合金带材M2进行XRD测试，观测其微观结构，，结果如图12所示。该淬态合金带材M2的自由面和贴辊面的XRD图谱显示其在45°均具有一个宽化的弥散衍射峰；说明该淬态带材所有区域的微观结构均为完全非晶态结构。

(2)然后，将淬态合金带材M2围合加工成圆筒状磁芯坯体，经多场耦合热处理即热场、磁场和应力场多重耦合和实时调控处理：磁芯坯体的沿其轴向方向的两端设置两块永磁体在磁芯坯体区域产生磁场，置于530℃的热场中，两块永磁体产生的吸力提供应力场作用于磁芯坯体上，处理2h后，得到纳米晶合金磁芯，记作样品2#。其中，永磁体为高居里温度的2：17型SmCo型硬磁合金(Tc＝820℃)。

样品2#的性能测试

经多场热处理调控后，对实施例2中的样品2#进行损耗测试，多场热处理调控后的磁芯样品2#在0.5T和10kHz下的高频损耗为19kW/m³，0.2T和100kHz下的高频损耗为228kW/m³。

对实施例2中的样品2#进行复数磁导率测试，磁芯样品2#的弛豫频率为103kHz。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims

1.一种纳米晶合金磁芯，其特征在于，将淬态合金材料经多场耦合热处理得到所述纳米晶合金磁芯；

Fe_aSi_bB_dNb_eCu_f(M)_g 式Ⅰ

2.根据权利要求1所述的纳米晶合金磁芯，其特征在于，M选自MoCTi、TiAlV、TiGaO、VCAl、MoCO中的任一种。

3.根据权利要求1所述的纳米晶合金磁芯，其特征在于，所述淬态合金材料为带状，所述淬态合金材料的厚度为12～20μm。

4.根据权利要求3所述的纳米晶合金磁芯，其特征在于，所述淬态合金材料为非晶结构；或者

5.根据权利要求4所述的纳米晶合金磁芯，其特征在于，所述表面晶化层具有<001>择优取向织构。

6.根据权利要求1所述的纳米晶合金磁芯，其特征在于，所述纳米晶合金磁芯的弛豫频率大于100kHz，0.5T和10kHz下的高频损耗小于20kW/m³，0.2T和100kHz下的高频损耗小于230kW/m³。

7.根据权利要求1所述的纳米晶合金磁芯，其特征在于，所述多场耦合热处理包括热场、磁场、应力场多重耦合处理。

8.一种权利要求1至7任一项所述的纳米晶合金磁芯的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

a)获得淬态合金材料；

b)将所述淬态合金材料加工成磁芯坯体；

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中，将所述磁芯坯体放置于永磁体形成的磁场中，再放于热场中，永磁体产生的吸引力提供应力场；

优选地，所述永磁体包括居里温度大于700℃的永磁材料；

优选地，所述永磁材料包括AlNiCo硬磁合金、SmCo硬磁合金中的任一种；

优选地，所述磁芯坯体为圆筒状，在所述磁芯坯体的沿其轴向方向的两端分别放置一个永磁体，然后置于500～550℃的热场中，所述两个永磁体产生的吸引力作为应力场作用于所述磁芯坯体上，处理0.5～3h，即可得到所述纳米晶合金磁芯。

10.权利要求1至7任一项所述的纳米晶合金磁芯、权利要求8至9任一项所述的方法制备得到的纳米晶合金磁芯在高频变压器中的应用。