熔体过热度对Fe78Si9B13非晶条带磁性能的影响*
尤俊华, 史艳红, 庞靖, 任英磊, 邱克强
沈阳工业大学 材料科学与工程学院, 沈阳 110870

作者简介: 尤俊华(1979-),男,辽宁锦州人,副教授,博士,主要从事磁性功能材料和非晶亚稳材料等方面的研究.

摘要

为了研究合金熔体过热度和退火温度对Fe78Si9B13非晶条带磁性能的影响,在180、200和230℃ 3个不同合金熔体过热度下利用单辊法制备了宽142mm、厚23μm的非晶条带.在350~370℃范围内选取5个退火温度对非晶条带进行纵向磁场退火,并利用硅钢测试仪对退火后的非晶条带进行磁性能测试.结果表明,随着合金熔体过热度的增大,非晶条带的激磁功率和损耗均呈下降趋势.随着过热度和退火温度的降低,非晶条带的磁性能分布区间变窄,但其稳定性增强.适当提高过热度和热处理温度有助于获得具有最佳磁性能的非晶条带.

关键词: Fe78Si9B13非晶条带; 合金熔体; 单辊法; 过热度; 磁性能; 退火温度; 激磁功率; 损耗
中图分类号:TG139.8 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2017)04-0378-05 doi: 10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.04
Effect of melt superheating on magnetic properties of Fe78Si9B13 amorphous ribbon
YOU Jun-hua, SHI Yan-hong, PANG Jing, REN Ying-lei, QIU Ke-qiang
School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
Abstract

In order to determine the effect of melt superheating and annealing temperature on the magnetic properties of Fe78Si9B13amorphous ribbon, the amorphous ribbon with a width of 142mm and a thickness of 23μm were prepared with the melt-spun method at three different superheating temperatures of 180, 200 and 230℃, respectively. The annealing treatment for the amorphous ribbon was performed in the longitudinal magnetic field environment at five different temperatures from 350 to 370℃, and the magnetic properties of the annealed amorphous ribbon were tested with the silicon steel measuring instrument. The results show that with increasing the melt superheating, the exciting power and core loss of amorphous ribbon tend to decrease. With decreasing the superheating and annealing temperature, the distribution region for the magnetic properties of amorphous ribbon becomes narrow while the magnetic stability of amorphous ribbon increases. It is helpful in obtaining the amorphous ribbon with the optimal magnetic properties to increase appropriately the superheating and heat treatment temperature.

Keyword: Fe78Si9B13 amorphous ribbon; alloy melt; melt-spun method; superheating; magnetic property; annealing temperature; exciting power; core loss

由于具有较高的饱和磁感应强度、较低的工频铁芯损耗和励磁功率与简单的制备工艺[1, 2, 3], Fe78Si9B13非晶条带已经成为重要的软磁材料.近年来, 虽然通过调整成分、改变热处理工艺和带材厚度, 在降低损耗和激磁功率等方面取得了重要进展[4], 但液态金属过热度对非晶带材产品性能稳定性的研究还鲜有报道.

Nová k等[5]发现过热度能够显著影响非晶带材的磁性能.相关研究[6, 7]表明, 通过对熔体进行过热处理可以提高熔体结构均匀性, 减少甚至消除液态结构中的外来杂质及高熔点物质, 从而有效改善非晶合金的玻璃形成能力.

非晶合金具有与液态金属相似的无序结构[8], 合金过热度通过影响组元原子的跃迁与扩散来影响液态金属结构, 较高的过热度可分散结晶核心, 抑制形核, 提高玻璃形成能力[9].液态金属结构通过影响非晶带材的微观结构而对其磁性能产生影响.商业化Fe78Si9B13非晶条带是目前Fe基非晶软磁材料的主导产品, 但由于生产过程中非晶合金熔体过热度控制的差别以及过热度和磁场退火关系的不明确, 致使企业生产的非晶条带性能并不稳定.本文通过研究合金熔体过热度及其与磁场退火工艺的关系, 确定了最佳磁性能所对应的工艺条件, 从而为实际生产提供借鉴.

1 材料与方法

采用质量分数同为99.7%的工业硅和工业纯铁以及铁硼中间合金(B质量分数为17.3%, 其余为Fe), 按照Fe78Si9B13非晶条带的名义成分进行配料, 并利用中频感应炉进行熔炼.当炉温达到指定温度后, 将合金熔融液经过导流槽倒入中间包中, 且中间包钢水的过热度分别控制为180、200和230℃.采用单辊急冷法制备Fe78Si9B13非晶条带, 条带宽度为142mm、厚度为23μ m.

利用Shimadzu 7000S/L型X射线衍射仪对非晶条带进行结构分析.利用Netzsch STA449C型差示扫描量热计测定非晶条带的热力学参数, 且实验中升温速度为10K/min.利用Hitachi S-3400型扫描电子显微镜观察非晶条带的微观组织.

利用卷绕装置将非晶条带卷绕成内径为50.5mm、厚度为1.6mm的环形磁芯, 其质量约为200g.利用点焊机将磁芯末端焊接起来, 每种过热度下的平行试样各准备30个.然后将磁芯放入磁场作用下的退火炉中进行处理, 退火保温温度分别为350、355、360、365和370℃, 保温时间为1h, 每个退火炉中每个过热度下的试样各放6个.为排除炉况的影响, 平行试样按照180、200和230℃的过热度顺序依次排放.采用硅钢测试仪分别测量不同过热度下非晶条带在各个退火温度下的激磁功率P和损耗Q, 测试频率为50Hz, 外加磁感应强度为1.35T.通过激磁功率和损耗的变化分析过热度和退火温度对材料磁性能及其稳定性的影响.

2 结果与分析
2.1 非晶条带的XRD和DSC分析

图1为在不同熔体过热度下制备的Fe78Si9B13非晶条带的XRD图谱.由图1可见, Fe78Si9B13非晶条带的每个XRD图谱中均不存在表征晶体结构的尖锐衍射峰, 只有45° 衍射角附近出现一个很宽的衍射峰, 表明在X射线衍射仪的精度范围内所有试样组织均为单一非晶相.

图1 Fe78Si9B13非晶条带的XRD图谱Fig.1 XRD spectra of Fe78Si9B13 amorphous ribbon

图2为在不同熔体过热度下的Fe78Si9B13非晶条带的DSC曲线.由图2可见, 随着过热度的增大, 玻璃转变温度tg呈现下降趋势, 而晶化温度tx呈现上升趋势, 因此, 非晶条带的过冷液相区宽度Δ txtx=tx-tg)不断增大, 非晶条带的热稳定性不断提高.

图2 Fe78Si9B13非晶条带的DSC曲线Fig.2 DSC curves of Fe78Si9B13 amorphous ribbon

2.2 熔体过热度对磁性能的影响

不同退火温度和熔体过热度下测得的单位质量铁芯的激磁功率与损耗变化曲线如图3所示.由图3可见, 当热处理温度为350和355℃时, 非晶条带的激磁功率和损耗均随着过热度的增加先减小后增加.当热处理温度为360~370℃时, 非晶条带的激磁功率和损耗均呈现单调下降趋势.

图3 过热度对激磁功率和损耗的影响Fig.3 Effect of superheating on exciting power and core loss

随着过热度的增大, 原子跃迁及扩散能力增强, 导致形成的原子团簇短程范围更小, 分布更为均匀, 因而在退火过程中结构弛豫进行得更为彻底.非晶带材的损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗两方面.随着弛豫的进行, 带材的矫顽力降低, 磁滞损耗减小; 同时弛豫后的非晶结构缺陷增多, 电阻率增大, 导致涡流损耗降低[10].另外, 较高的磁导率可以降低铁芯材料的激磁电流[11].根据磁化理论, 在铁磁材料的磁化过程中内应力和磁导率之间的关系可以表示为

μ Ms2/(λ sσ +K) (1)

式中:μ 为磁导率; K为磁性各向异性常数; λ s

饱和磁滞伸缩系数; σ 为内应力; Ms为饱和磁化强度.

随着退火过程中弛豫的进行, 材料的内应力降低, 材料的磁导率随之升高, 导致材料的激磁电流下降, 激磁功率降低.热处理温度为350和355℃时出现的异常情况均发生在熔体过热度为230℃的条件下.这可能是由于当熔体过热度较高时, 非晶合金熔融液和冷却辊之间的温度梯度增大, 导致淬态条带的内应力增大, 而在较低温度下进行退火时, 由于不能完全消除内应力, 从而导致非晶条带的损耗和激磁功率升高.因此, 当熔体过热度提高时, 相应退火温度也需要提高.

2.3 熔体过热度与退火温度对磁性能稳定性的影响

表1为不同退火温度和过热度Δ t对应的非晶条带的激磁功率极差RP和损耗极差RQ, 且RPRQ可以分别表示为

RP=Pmax-Pmin (2)

RQ=Qmax-Qmix (3)

式中, 下脚标max和min分别表示相应变量的最大值和最小值.

表1可见, RP的变化范围为0.0129~0.0619VA/kg, RQ的变化范围为0.0095~0.0451W/kg.当过热度为180℃、退火温度为355℃时, 非晶条带的激磁功率极差达到最小值0.0129VA/kg.当过热度为180℃、退火温度为350℃时, 非晶条带的损耗极差达到最小值0.0095W/kg.当过热度为230℃、退火温度为370℃时, 非晶条带的激磁功率和损耗极差均取得最大值.由此可见, 当过热度较小、热处理温度较低时, 非晶条带的磁性能较为稳定.反之, 当过热度较大、热处理温度较高时, 非晶条带的磁性能稳定性较差.

表1 过热度与退火温度对激磁功率和损耗极差的影响 Tab.1 Effect of superheating and annealing temperature on ranges of exciting power and core loss

选取表1中具有代表性的3组数据作图, 得到过热度对激磁功率和损耗极差的影响曲线, 结果如图4所示.由图4可见, 当退火温度为355℃时, 随着过热度的增大, 激磁功率和损耗的极差单调增大.当退火温度为360℃时, 激磁功率和损耗的极差先增大后减小.这是由于随着过热度的增大, 喷嘴和冷却辊之间的温度梯度增大, 非晶弛豫阶段产生的结构缺陷增多, 导致条带的性能不稳定性增大.当退火温度为365℃时, 激磁功率极差呈现先增大后减少的趋势, 而损耗极差呈现增大趋势.可见, 当过热度和退火温度较低时, 非晶条带的磁性能分布区间变窄, 因而磁性能较为稳定.

图4 过热度对激磁功率和损耗极差的影响Fig.4 Effect of superheating on ranges of exciting power and core loss

为了更为直观地表明过热度与退火温度对磁性能的影响, 给出了不同过热度和不同退火温度下激磁功率和损耗的实测值分布, 结果如图5所示.在综合考虑激磁功率和损耗分布区间和磁性能的情况下, 当过热度分别为180和200℃时, 最佳热处理温度为355℃; 当过热度为230℃, 最佳热处理温度为360℃.随着过热度的增加, 若要得到稳定的激磁功率和损耗, 需要适当提高退火温度来消除由过热度和冷却辊温度之间的温度梯度产生的内应力.

图5 过热度与退火温度对激磁功率和损耗的影响Fig.5 Effect of superheating and annealing temperature on exciting power and core loss

3 结 论

通过以上实验分析可以得到如下结论:

1) 当过热度与退火温度同时增大时, 有利于降低非晶条带的激磁功率和磁损耗.

2) 在较低的过热度和退火温度下非晶条带的磁性能相对稳定; 随着过热度的增大, 获得具有稳定磁性能非晶条带所需要的退火温度应相应提高.

3) 当过热度为180和200℃时, 最佳热处理温度为355℃; 当过热度为230℃时, 最佳热处理温度为360℃.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Xu M, Wang Q J. Fe-based bulk metallic glass with good soft magnetic properties[J]. Materials Science Forum, 2014, 789: 59-63. [本文引用:1]
[2] 邱克强, 王廷沣, 岳春雨, . Mg75Zn20Ca5非晶条带对氧乐果农药废水的降解作用[J]. 沈阳工业大学学报, 2016, 38(3): 268-273.
(QIU Ke-qiang, WANG Ting-feng, YUE Chun-yu, et al. Degradation effect of Mg75Zn20Ca5 amorphous ribbon on omethoate pesticide wastewater[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2016, 38(3): 268-273. ) [本文引用:1]
[3] 蒋敏强. 非晶合金塑性理论研究进展[J]. 中国材料进展, 2014, 33(5): 257-264.
(JIANG Min-qiang. Advances in plasticity theory for amorphous alloys[J]. Materials China, 2014, 33(5): 257-264. ) [本文引用:1]
[4] 蒋达国, 敖辉, 叶媛秀, . 退火温度对Fe78Si9B13非晶带材软磁性能的影响[J]. 热加工工艺, 2015, 44(4): 230-232.
(JIANG Da-guo, AO Hui, YE Yuan-xiu, et al. Influence of annealing temperature on soft magnetic pro-perties of Fe78Si9B13 amorphous strips[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(4): 230-232. ) [本文引用:1]
[5] Novák L, Potocký L, Lovas A, et al. Influence of the melt overheating and the cooling rate on the magnetic properties of Fe83. 4B16. 6 amorphous alloys[J]. Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 1980, 19(1/2/3): 149-151. [本文引用:1]
[6] 杨梦琳, 潘晶, 刘新才, . 熔体过热处理对Nd9Fe70Ti4C2B15纳米复合永磁合金过冷度、非晶形成能力和晶化行为的影响[J]. 中国稀土学报, 2016, 34(3): 273-281.
(YANG Meng-lin, PAN Jing, LIU Xin-cai, et al. Effects of melt overheating on undercooling degree, glass forming ability and crystallization behavior of Nd9Fe70Ti4C2B15 permanent magnetic alloy[J]. Journal of the Chinese Society of Rare Earths, 2016, 34(3): 273-281. ) [本文引用:1]
[7] 冯雪磊, 袁子洲, 张香云, . 过热处理时间对Zr-Cu基大块非晶合金力学性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2015, 44(12): 3109-3112.
(FENG Xue-lei, YUAN Zi-zhou, ZHANG Xiang-yun, et al. Effect of overheating treatment time on me-chanical properties of Zr-Cu-based bulk metallic glasses[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2015, 44(12): 3109-3112. ) [本文引用:1]
[8] 吴臣. Zr基和Fe基非晶合金液/固态微观结构理论研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.
(WU Chen. Theoretical investigation on the microscopic structure of Zr-based and Fe-based metallic glasses in liquid/solid state [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014. ) [本文引用:1]
[9] 尹拂晓, 傅明喜, 祝娟娟, . 铁基非晶纳米复合材料的结构及磁性能研究[J]. 有色金属, 2013(12): 43-47.
(YIN Fu-xiao, FU Ming-xi, ZHU Juan-juan, et al. Study on microstructure and magnetic properties of Fe-based amorphous nano-composite[J]. Nonferrous Metals, 2013(12): 43-47. ) [本文引用:1]
[10] 王知鸷, 祖方遒, 张先峰, . 不同熔体温度制备的Zr55Al10Ni5Cu30大块非晶结构弛豫[J]. 材料热处理学报, 2013, 34(5): 20-24.
(WANG Zhi-zhi, ZU Fang-qiu, ZHANG Xian-feng, et al. Structural relaxation of Zr55Al10Ni5Cu30 metallic glass prepared with different quenching temperatures[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2013, 34(5): 20-24. ) [本文引用:1]
[11] 周龙. 磁场退火对非晶及纳米晶合金软磁性能的影响 [D]. 天津: 天津大学, 2010.
(ZHOU Long. Effect of magnetic field annealing on soft magnetic properties of amorphous and nano-crystalline alloys [D]. Tianjin: Tianjin University, 2010. ) [本文引用:1]