【摘 要】
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近年来,随着电力电子行业的发展,对小型化轻量化电磁器件的需求逐渐凸显,这就要求软磁材料的综合磁性能进一步提高,如提高材料的饱和磁感应强度Bs、降低矫顽力Hc和提高最大磁导率μm等。Fe基非晶纳米晶软磁合金的优异软磁性能使其备受关注,由于价格低廉使其在电力电子行业有很大的潜在应用价值。然而,由于无法兼顾高Bs和低Hc使其应用受到限制。本研究从提高Fe基非晶纳米晶软磁合金的综合软磁性能出发进行了一系列
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近年来,随着电力电子行业的发展,对小型化轻量化电磁器件的需求逐渐凸显,这就要求软磁材料的综合磁性能进一步提高,如提高材料的饱和磁感应强度Bs、降低矫顽力Hc和提高最大磁导率μm等。Fe基非晶纳米晶软磁合金的优异软磁性能使其备受关注,由于价格低廉使其在电力电子行业有很大的潜在应用价值。然而,由于无法兼顾高Bs和低Hc使其应用受到限制。本研究从提高Fe基非晶纳米晶软磁合金的综合软磁性能出发进行了一系列研究。提高Fe基非晶纳米晶软磁合金的方法有多种,本研究从改变合金初晶相着手,即通过添加元素调控合金的初晶相成分和结构,以此来寻找替代α-Fe、α-Fe（Si）的高磁矩初晶相,从而提高合金的饱和磁感应强度Bs;随后在高磁矩初晶相的基础上通过提高Fe的相对含量进一步提高合金的Bs。另外,低Hc和高μm也是重点讨论的两个重要参数。本研究的主要内容如下:1、首先,在FeBNbCu合金的基础上微调元素含量,研究元素含量对合金析出相的影响。结果表明:过多的B含量（>20 at.%）将导致合金在晶化过程中容易析出（Fe,Nb）23B6相,该相为顺磁相,使矫顽力升高,极大地恶化合金软磁性能。因此,在设计合金成分时,需合理控制B含量,使合金带材在退火过程中析出软磁α-Fe相。随着退火温度的增加,Fe77B20Nb2Cu1合金的矫顽力先减小后增加,在530℃退火3 min后的样品矫顽力最小,为7.0 A/m。2、在FeBNbCu合金的基础上添加Ga元素,探索Ga元素对合金析出相的影响。首次提出“双形核点”机制,即淬态非晶基体中的Fe-Ga团簇与退火过程初期析出的Cu团簇共同为纳米晶的析出提供形核点。此外,Ga添加可以抑制原子扩散,从而达到降低晶粒尺寸的目的。对于Ga含量为6 at.%的Fe75Ga6B15Nb3Cu1合金带材,当以100 K/min的升温速率在490℃退火3 min后,合金带材的软磁性能最优,其饱和磁化强度达到167emu/g（1.5 T）,矫顽力为6.8 A/m,此时的晶粒尺寸为8 nm。3、在Finemet合金基础上用Ga部分替代Si元素,运用上述理论体系设计合金成分。验证Ga添加理论体系对Finemet合金的适用性,并研究Ga添加对合金析出相、热力学性能和软磁性能的影响。利用“双形核点”机制制备出晶粒尺寸为11 nm的Fe73.5Si7.5Nb3B9Cu1Ga6纳米晶软磁合金带材,饱和磁感应强度为1.37 T,矫顽力为0.24A/m,与Finemet合金相比,该合金的饱和磁感应强度提高了11.4%,且矫顽力保持同等值。4、在新型类Finemet合金基础上,鉴于Ga添加的多种优势,尝试通过用Ga置换合金中Cu和Nb以提高Fe的相对含量,并研究了退火工艺对Fe77.5Si7.5Ga6B9合金组织结构和软磁性能的影响。结果发现,由于非晶形成能力的降低,导致在铜辊转速为25 m/s时,淬态和晶化态的合金中出现较为严重的相分离。在铜辊转速为30 m/s制备的合金中,晶化体积分数较低时得到Bs为1.5 T,Hc为2.3 A/m。5、探索了将Fe75Ga6B15Nb3Cu1和Fe73.5Si7.5Nb3B9Cu1Ga6合金带材进行球磨破碎,利用冷压技术将破碎后的粉末压制成环状,对磁粉芯进行退火后,与雾化法制备的Fe Si B粉末压制成型的磁粉芯进行对比,从Q值、磁导率、损耗等方面分析了三种磁粉芯的优劣。结果发现退火后Fe Ga BNb Cu磁粉芯的有效磁导率最高,约为28,其粉末内部析出的α-Fe（Ga）相起到了一定的作用。可见,Ga添加的粉末在提高磁粉芯有效磁导率方面有一定的研究潜力。
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