防雷保护用的磁芯材料

摘 要：本文主要描述了利用1J50材料初次再结晶机制，通过精确调节退火温度达到控制织构取向，使立方织构［001］易磁化方向尽量与轧向平行，降低其偏出度。同时选择最优冲压取向使器件得到较高的矩形度和最大磁导率，以满足用户实际要求。
关键词：防雷保护器 再结晶 织构 矩形度 罗兰模型

1、引言
雷电脉冲起因于雷云底部密集的负电荷，而所覆盖地面的各种突出的导体（如避雷导体和输电导体）感应出正电荷。在大气对流作用下，电荷运动产生电场。当电场达到空气的击穿电压时发生放电，产生雷击。电荷以光速向导体传播，其电压估计V≈30Ih/S。I为闪电流（kA），h为输电线对地的高度（m），S为雷击点与导体最近距离（m）。如I=40kA时，电压脉冲可达48kV。其闪电波形如图1所示。

这样高的电压波侵入电器的通道，产生脉冲电压和浪涌电压，对电讯设备、网络和信息系统有极大危害。轻者毁坏线路，重则损坏设备，使系统瘫痪，造成难以估计的损失。联通广东移动通讯基站曾遭受到雷击就是一个典型的例子。从国外对电子设备和系统损坏事件统计表明暂态过电压导致电子设备和系统损坏的事故约占25％。而75％左右是通过电源线路侵入的。因此探讨雷电脉冲的危害，采取有效的防御措施逐渐为人们所重视。目前欧洲处于世界防雷技术领域的前列，美国、澳大利亚等国技术也比较先进，我国防雷事业发展迅速。虽然防雷市场品种繁多，但真正防雷产品还有待于进一步开发。

2、工作原理与材料的选择

防雷保护器的作用就是在极短的时间内（纳秒ns）将电路上因感应雷击而产生高能的脉冲短路释放到大地，降低设备接口间的电位差，从而保护电路设备安全。防雷是一系统工程，不能简单的用一、二件避雷设施就解决问题。一般良好的防雷系统需要三级保护。第一级为高能避雷器，允许最大峰值电流Is=100kA，持续时间10~350μs。第二级为过压保护器峰值电流Is=40kA，持续时间8~20μs，一般采用氧化锌元件。第三级为吸收保护器，其峰值电流Is=5kA，时间为8~20μs。而我们这里研究的防雷电保护器是安装在第三级上，主要用在重要设备的电源系统上，作为电子设备的精细过压保护，一般安装在重要设备电源插座上。它们的工作原理相当于零序电流互感器。设备正常工作时磁芯内的磁通为零，次级感应线圈中感应电压为零。当某一相线电流发生突变时电流互感器中的磁通就不再为零。次级线圈感生一个电动势，产生电流切开电源，使脉冲电流分流入地，起着保护设备作用。然而它与通常的漏电开关不同，它主要承受雷电脉冲波影响。从V∝BSN与Hm∝NI式可知，对大电压、大电流雷电脉冲就要求磁芯Bs高，同时启动的磁场Hm大，并不要求极低的矫顽力。当磁场接近Hc时立刻被磁化到饱和而且时间达到ns的数量级，反应时间快，这就要求材料有高矩形度。而漏电开关是要求在弱电流下有高灵敏度，要求初始磁导率高，矫顽力低。同时考虑到可靠性和温度稳定性以及经大电流之冲击恢复性好等特点，一般都不采用非晶和超微晶材料，如表一各种材料的比较。

从表一可以看出1J50材料最适合做雷电保护器磁芯，它不但有高的Bs和较高的Hc，而且价格低廉。因为雷电脉冲可以看成低频作用（见图一），所以可以用0.35mm的厚带做保护器磁芯就可以了。又考虑到雷电保护器用量很大，几乎所有的重要供电系统都要安装，且环形磁芯绕线速度慢，不能满足大批量生产需要，同时线圈要求能耐高压，而环形磁芯高压绝缘困难，所以一般用E型磁芯，因为线圈绕制和磁芯可分别加工，有利于大批量生产。但E型磁芯漏磁比环形大，这就要求材料有高矩形度和高的最大磁导率。然而1J50材料无需磁场处理便能达到高矩形度，只要通过适当的退火制度来调节织构取向即可。其他材料则要通过磁场处理才能达到高矩形度，不但价格贵，而且稳定性差。因此，要大批量生产器件必须考虑两个要素：其一是原材料能稳定生产，能大批量供应；其二在这个前提下只要通过简单工艺改革（不是复杂工艺处理）就能达到器件所需的性能才能得到最佳性价比，1J50材料恰恰满足这一要求。

3、E型磁芯用的1J50性能研究

实际上20世纪60年代中期，国内外十分重视中等Ni含量高磁感应合金的磁性改善，并取得很大的进展。同一材料而言，不同器件对磁参数的要求都有所不同。为了进一步研究1J50材料特征，首先从图2中可以看出该材料Bs高，同时晶体各向异性常数K1是比较大的正值，磁致伸缩系数λ111，λ100都是大于0的正值。众所周知，。虽然Is高但Keff比较大，所以不可能得到像K1≈0的80NiFeMo的高初始磁导率和极低的矫顽力。因此人们常利用1J50材料磁晶体各向异性K1>0特征，通过改善工艺参数得到最佳磁性的方法来充分利用它来发展新的器件。针对着防雷保护器用的磁芯特征我们对材料进行仔细研究。认为，对于1J50其易磁化方向为［100］。如何使磁化方向沿着［100］方向才能得到防雷保护器用的高矩形度和最大磁导率材料。众所周知，1J50是面心立方结构，经过冷轧后具有（110）［112］，（112）［111］和（135）［533］，（135）［211］取向成分的筒式织构，这是不利于磁性的。冷加工后，在某温度以上退火发生初次再结晶。一般变形量愈大其初次再结晶的温度愈低。95％形变度的1J50初次再结晶的温度<1000oC，随着形变量降低初次再结晶温度就有所提高。含有孪晶区域有利于初次再结晶成核，使原来轧制织构利用罗兰（Rowland）反转模型，由｛112｝面上位错的连续运动产生立方的再结晶取向，在成核的孕育期看不出晶粒变化。随着温度升高，保持时间增加，新晶粒以大的恒定的速率成长直到稳定完成初次再次再结晶过程。例如，对于压下量为98％的1J50材料，600oC退火1小时，除保留（110）［112］，（112）［111］，（123）［412］形变织构外还产生（100）［001］再结晶立方织构。随着温度升高1100oC退火数小时后，则形变织构完全消失，立方织构趋于完善。单单靠完善立方织构并不能得到高矩形度，还要见［100］方向是否与轧向平行。因此要仔细调节立方织构［001］方向与轧制方向的偏离度φ。图3可以看出轧制方向与［001］易磁化方向稍有偏离其矩形度迅速下降，二者似乎成线性关系。而我们目的是如何仔细调整使［001］方向与轧向的夹角φ愈小愈好。因为同样完善的立方织构当［001］方向与轧向夹角愈大其矩形度愈低。从表二的实验结果可见，矩形度对退火温度非常敏感，如图4。

该合金是直接取自工业生产的材料。轧到0.35mm厚其形变量为70％。因压下量比较低，所以初次再结晶的温度有所增高。我们选1100oC进行退火。可以看出1100oC退火已达到厂标水平，但用户试验结果不合格。试验中发现随退火温度升高，矩形度和最大磁导率提高。

当温度超过1130oC以后矩形度迅速下降。这说明材料在1150oC虽然有完善的立方织构，但晶粒尺寸大，此时立方织构［001］方向轧向的偏离度增加，导致矩形度和μm下降。而1180oC已达到材料的二次再结晶温度了，这时主要织构为（120）［001］和（112）<321>。所以材料μ降低，Hc增加，矩形度只有65％。从以上的数据分析可以知道，材料在1120oC~1130oC时最佳状态。也就是说［001］易磁化方向分布与轧向的平均夹角估计在≤20o。为了充分发挥再结晶织构的优越性，在冲压E型磁芯时使易磁化方向与轧向平行（如图5），这样得到的磁芯才能使材料的性能得到充分利用。我们向用户提供了近20万套磁芯，从使用结果来看性能良好，得到了用户的好评。

4、结论：
我们经常遇到，即使材料达到厂标，但具体器件仍不合格。这主要是材料工作者认为，只要材料达标，其他的事情都是用户问题。其实不然，这种想法常常会使我们失去很多商机。实际上许多情况只要根据用户对器件某些特殊要求，材料工作者只需适当的调节工艺参数就能达到器件要求指标。本文就是通过改变工艺调节1J50织构的完善程度使器件得到最佳应用性能。