采用铁基玻璃合金制备新的非晶磁粉芯
Preparation of New Amorphous Powder Cores Using Fe-Based Glassy Alloy

摘要：我们采用在晶化温度（Tx）以下具有宽过冷液区（ATx）的玻璃合金粉末（成分为），尝试制备非晶合金磁粉芯，以便在高频金属范围获得具有恒定磁导率和低磁芯损耗的新金属磁粉芯。在频率达到10MHz时，铁基玻璃合金磁粉芯（FG APC）有一个恒定的磁导率（约为110），比得上工业用磁芯。在所有金属磁粉芯中，当Bm=0.1T、f=100KHz时，FG APC还有一个最低的磁芯损耗（610KW/）。在较高的频率范围，FG APC 这些优良的磁性能大概归因于在△Tx附近通过退火充分去除内应力而产生非常低的矫顽力（Hc），以及玻璃合金较高的电阻率（P）（约为1.60μΩm）。鉴于FG APC具有的这些优良磁性能，可使我们期望这种磁芯能适用于高频激励磁性器件，例如扼流圈、电抗器，等等。
关健词：固化，玻璃合金，低磁芯损耗，磁粉芯，应力驰豫

1 前言
大家知道，由铁基和钴基非晶合金构成的磁芯，由于其良好的软磁性能而适用于电感应用。但是，因为非晶合金的玻璃形成能力低，所以它们的形状常被限定为片、线、粉、膜，因此磁芯的形状受到限制。此外，由于这些合金的电阻率比其它氧化物磁性材料的电阻率低得多，所以在较高频范围内，这些磁芯会遭受到由大涡流产生的大磁芯损耗。为了获得在较高频率范围使用，有任意所需形状的非晶合金磁芯，在采用粉末冶金工艺制备这类材料方面，做了大量的尝试[1-3]。但是要得到这样的磁芯非常困难，因为它们必须在没有晶化的较低温度下，采用极高压力的固化工艺才能制得[4-6]。另外，在无晶化的低温时退火也难以充分消除内应力。因此，为了获得用于高频激励磁性器件的磁芯，希望有热稳定性好，可加工性强的新非晶合金。
1980年后半期，在多成分Mg-[7-8]、Ln-（镧系金属）[9-10]、Zr-[11-12]合和Zr-Ti基[13]合金系中形成了很多块状非晶合金。这些块状非晶合金在晶化温度以下具有宽的过冷液区（△Tx＞60K）。出现宽的△Tx意味着耐晶化性强，并导致高的玻璃形成能力。另外，进一步报道：由于块状非晶合金的低粘度和理想的牛顿流体，所以在△Tx时形变和加工比较容易。为了达到大的玻璃形成能力，这些块状非晶合金总是满足下面的经验定则：具有差异很大的原子尺寸比（大约高于12%）的多成分，以及负的混合热[15-18]。根据这些定则，我们设法找到一种新的块状铁基玻璃合金[19-22]，已报道：Fe-Al-Ga-P-C-B-(Si)非晶合金在晶化温度（Tx）下具有一个宽的△Tx（约60K）和较高的电阻率P（约为1.60μΩm ）[23]。采用软磁性能良好的单个非晶相组成的铜模铸造法，已制备出它的环形块状样品，样品外径为10mm，内径6mm，厚1mm[24]。我们还试图研究玻璃形成能力和软磁性能之间的关系，目的是为了制备出在较高频率范围有良好磁性能的新非晶合金粉芯。
本文打算提供新的非晶合金磁粉芯的数据，这种磁粉芯是由采用粉末冶金工艺制备的Fe-Al-GA-P-C-B-Si玻璃合金组成的，拟用于较高频率范围。

2 实验程序
之所以使用多成分的是因为它的Fe-Al-GA-P-C-B-Si系中具有最大的△Tx（60K）。在氩气分下采用单辊深液旋甩法制备快淬薄带，带宽15mm，厚25μm。薄带的热性能和磁性能列于表1。用转子加速碾磨机把薄带碾成粉末。使用筛选的粉末尺寸为45~150μm。使用脉冲电流烧结设备、添加2Wt/%的水玻璃作介质，在373~573K和600~1500Mpa下将粉末固化480S，形成外径为12mm，内径6mm，厚2mm的圆环。把磁粉芯放在使用红外线加热炉的真空装置中，按指定温度退火3.6KS。

用矢量阻抗分析仪测相对磁导率（μ′）；矫顽力（Hc）在外加最大磁场值2.4KA/m下用直流磁滞回线跟踪仪测得；用磁滞回线分析仪在室温下测量磁芯损耗（W）。
3 结果和讨论
图1 示出在900MPa下，573K时固化铁基玻璃合金制得磁粉芯（FGAPC）的外貌图。在玻璃合金粉末和（或）硅酸钠无偏析的情况下，磁芯具有均匀的相。根据铁基玻璃合金粉末的饱和磁化强度和密度值计算出它的体积百分比为92%。在本研究中的其它固化条件下，这个值没有变化。

图1 在573K和900Mpa固化的磁粉芯的外观形貌
3．1矫顽力和固化条件之间的关系
大家知道，在较低的频率范围，W是基于它的Hc上的。于是，我们研究了Hc与固化条件之间的关系。图2示出在1500Mpa下固化的FGAPC Hc与固化温度（Tcs）之关系曲线。磁芯在固化状态和在703K退火3.65Ks时，其Hc值均随Tcs 的上升而减小。曾经报道，增大相对密度可以改善固化块状磁芯的软磁性能[25]。因此认为，Hc随Tcs升高而减小，这可归因于由硅酸钠软化引起的磁芯密度的增大。在退火状态以573K固化的FGAPC，能获得最小的Hc值（15A/m）。图3示出在573K固化状态，FGA PC的Hc与固化压力（Pcs）之关系。在固化状态，FGA PC的Hc随Pcs增大而减小。在固化状磁态中，FGA PC的Hc不随Pcs的增大而减小，因为尽管磁芯的密度增大了，而内应力仍在增大。因此，如果退火能完全消除内应力，那么在高Pcs固化FGA PC就可能得到较低的Hc。

图2在1500Mpa固化铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的矫顽力（Hc）与固化温度（Tcs）之间的关系

图3在573K固化铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的矫顽力（Hc）与固化压力（Pcs）之间的关系
图4示出在900Mpa下、573K时固化的FGA PC Hc随退火温度（Ta）的变化曲线。为作比较，图中也给出了溶液一旋甩薄带的相关数据。在573K退火后，Hc略为减小。另一方面，在623~638K退火后，Hc随Ta升高而急剧减小。

图4在573K和900Mpa时固化铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的矫顽力（Hc）随退火温度（Ta）变化的曲线
但是，FGA PC的矫顽力最小值比溶液一旋甩薄带的大些。原因似乎是：FGA PC由铁基玻璃合金粉末和硅酸钠双相成，FGA PC的畴结构有可能不同于溶液一旋甩薄带的畴结构。对畴结构和矫顽力间的关系进一步研究，也许能弄清矫顽力产生差异的原因。这是今后要研究的课题。
为了阐明Hc减小和内应力释放之间的关系，检验了采用溶液一旋甩法制备的的应力释放比（rs/ra）随Ta的变化。其数据示于图5。应力释放测定如下[26]。把薄带绕在半径（rs）为10mm的石英管上，使其遭受到应力的作用。在退火3.6ks后，把薄带从石英管上移开并让它松驰。测量它的曲率半径（ra）。应力释放定义为rs/ra。如图4和5所示，得到Hc最小值时的退火温度与rs/ra=1时的温度相当吻合。因此可以说，通过适当退火消除内应力，能获得小的Hc。

图5玻璃合金薄带的应力释放比（rs/ra）随退火温度（Ta）变化的曲线
此外，还采用等温DSC测量法来研究△Tx热稳定性。在Tg时测量了晶化开始时间。图6示出溶液一旋甩薄带的Tg，即Tx-60K与晶化开始时间之间的关系。还给出了传统非晶合金的数据[27]，以作比较。传统非晶合金没有Tg，因此示出的是Tx-60K与晶化开始时间的关系。铁基玻璃合金的晶化开始时间的关系。铁基玻璃合金的晶化开始时间的关系。铁基玻璃合金的晶化开始时间的关系。铁基玻璃合金的晶化开始时间比一般的非晶合金长3倍。这个事实表明，铁基玻璃合金与一般的非晶合金相比，耐热性特别高，因为它存在着△Tx。已经报道，出现大的△Tx意味着耐晶化性强[16]，并且在△Tx，在很短的时间内就会出现不可逆结构驰豫[28]。由此断定，通过在△Tx附近退火能充分消除FGA PC的内应力。认为，FGA PC在高Pcs 和Tcs下没有晶化就可以制得。

图6溶液一旋甩薄带的Tg，即Tx-60K与晶化开始时间之间的关系。还示出一般的和非晶合金的数据，以作比较[26]
3．2相对磁导率与频率的关系
图7示出在1500Mpa下以不同温度固化FGA PC的相对磁导率（μ′）与频率之间的关系。在整个频率范围，通过退火FGA PC的μ′变大。在373K和473K固化的FGAPC，在固化和退火两种状态下，频率到10MHz时都具有恒定的μ′。另一方面，随着频率从1MHz上升到10MHz，在573K固化FGAPC的μ′在两种状态下都减小。在不同压力下以573K固化FGAPC的μ′与频率之关系示于图8。在两种状态下，加600Mpa和900Mpa压力都能得到固化FGAPC平滑的μ′-f特性曲线。另外，在1200Mpa和1500Mpa固化的FGAPC，随着频率从1上升到10MHz，其μ′减小。认为，在较高的温度或压力下固化FGAPC的μ′在高频范围减小，是因为磁芯密度增大造成铁基玻璃合金粉末粒子间隔离度变差的结果。由此可以得出结论，低温或低压下固化的FGAPC适用于在较高的频率范围得到一个恒定的μ′。但是，这些条件与获得Hc的条件下又相矛盾（如图2和3所示）。本文中，我们在573K和900Mpa固化的FGAPC就获得了低Hc，且具有平滑的μ′-f特性曲线。

图7 在1500Mpa和不同温度下固化铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的相对磁导率（μ）与频率（f）之间的关系

图8 在573K和不同压力下固化铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的相对磁导率（μ）与频率（f）之间的关系
3．3与工业磁芯磁性能的比较
图9示出在573K和900Mpa下固化的FGA PC及工业磁芯的μ与频率之间的关系[29]。从中看出，FGAPC直至较高的频率范围都显示出恒定的μ′，堪与其它工业用磁芯相比。在f=1KHz和3MHz时，μ′分别为113和103。

图9 铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的相对磁导率（μ）与频率（f）之间的关系。同时给出工业用磁芯的数据（参考[29]），以作比较
图10示出在573K和900Mpa下固化的FGAPC及工业用磁芯的W与频率间的关系曲线。尤其在低频下，FGAPC与其它工业用磁芯相比显示出更低的W。图11示出FGAPC的直流磁滞回线。看来，可以得到小的HC（15A/m）。因此可以推断，在低频范围FGAPC在较高的频率范围仍显示出较低的W。薄带形状的玻璃合金具有高的电阻率（1.6μΩm）。看来，在高频范围FGAPC低的W可归因于粒子内部涡流损耗的降低。

图10 铁基玻璃合金磁粉芯（FGAPC）的磁芯损耗（W）对频率（f）的依赖关系。工业用磁芯的数据[29]在此也示用作比较

图11 在573K和900Mpa时固化铁基玻璃合金粉末（FGAPC）的直流磁滞回线图
因此，使用铁基玻璃合金粉末成型的新式非晶磁粉芯具有小的Hc和低的W，它适用于制作高频激励磁性器件，如扼流圈，电抗器等等。

4 结论
为了在较高的频率范围获得具有良好磁性能的新的非晶合金磁芯，我们尝试在不同的条件下采用粉末冶金工艺制备了Fe-Al-Ga-P-C-B-Si玻璃合金磁粉芯（FGAPC）。获得的结果概括如下：
1） 在较高的温度和压力条件下制得的FGAPC，基于它的高磁芯密度，能获得小的矫顽力。
2） 通过退火也能得到小的矫顽力，因为铁基玻璃合金的耐热性如此高，以致可通过适当的退火充分消除内应力。
3） 因为铁基玻璃合金粉末粒子间的高隔离度，所以在较低的温度和（或）压力条件下制得的FGAPC，频率到10MHz时能够获得恒定的相对磁导率。
4） 在573K、900Mpa下固化的FGAPC，具有平滑的μ′-f特性，这点可和其它任何一种工业用磁芯媲美。
5） 在所有工业磁芯中，FGAPC的磁芯损耗最低。尤其在低频范围可以看出，FGA
PC和其它工业磁芯之间的磁芯损耗差别很大。
译自：IEEE Trans.Magn.，2000，36 (5):3424