控制退火和磁场处理参数提高55NiFe环形磁心磁导率 Controlling annealing and magnetic treatment parameters to achieve high permeabilities in 55Ni-Fe toroid cores 1前言 77~80NiFe合金的磁导率很高，可达到μ0.4=250000~300000和μmax=400000~470000（在60Hz下用0.07mm厚带材测量），Bs=0.74T。Ni含量较低的48~50NiFe合金的饱和磁通密度高，Bs为1.6T，磁导率也好，μ0.4=~17000，μmax=~80000(在60Hz下用0.08mm厚带材测量），材料成本低，应用比较广。55NiFe合金在居里温度以下用单轴磁场处理后，同时具有高饱和磁通密度和高磁导率，Bs为1.5T，μ0.4＞μ100000，μmax＞180000（在60Hz下用0.08mm厚带材测量）。由于它具有综合磁性能，Ni含量低，Bs和μ都高，在满足同样要求下，磁心重量轻，成本也低，已经在传感器、漏电开关和高精度用磁心地方应用。热处理，特别是磁场处理，可以显著提高55NiFe合金磁导率。本文介绍各种磁场热处理参数对55NiFe合金磁导率的影响，并向用户推荐最佳的退火和磁场处理参数，以便充分发挥它的优势。 2试验 55NiFe合金用7七真空感应炉练成，合金锭经过铸造，热轧和冷轧，成为0.08~0.1mm厚带材，再经过退火和磁场处理达到最佳参数。各种试验的处理参数和结果见表1。 试样磁心内径1.25时（~40mm），外径1.5时（~46mm），高0.5时（~126mm）。采用磁阻抗法测量60Hz正弦磁场H下的磁导率，试验方法要采用美国标准。如果试验方法采用欧洲通用的方法，测量60Hz正弦磁通密度B下的磁导率，μmax明显的高一些，μmax＞202000。 磁心首先在干燥H2中，1180℃下经过2至6hr退火，然后以60至600℃/hr冷却。退火后磁心表面发亮，性能提高。磁心再在干燥H2中（或干燥N2中），477℃下经过磁场处理4至110hr。被处理的磁心用高温带包起来，作为绝缘，铜线在玻璃纤维套管保护下绕在绝缘上，绕组通过直流电流，在磁心中产生径向磁场。在整个磁场处理和冷却过程中都要加上磁场。批量生产时，可以用粗铜线通大电流，穿过许多只磁心，产生径向磁场。铜线要穿过磁心中心，不要与内径相接触。否则直流磁场将产生明显的畸变，磁场处理后会使磁导率降低。另一种方法是把铜母线制成单匝线圈加在磁心上。磁心的径向磁场强度，可以根据磁心尺寸和电流大小来确定。 3结果和讨论 3.1退火温度、时间、冷却速度效应 退火温度约为1180℃~1200℃，在干燥H2中可以有效抑制混乱排列，促进晶粒生长，实现二次再结晶。从表1中的例子可以看出：在其他处理参数相同的条件下，退火温度1093℃就比1180℃处理后的磁导率低。 6小时处理比2小时处理得到的磁导率高，在干燥H2中退火温度下处理时间长一些，可以使磁心中的碳含量减小于30ppm，从而促进二次再结晶过程。 退火后，快速冷却（＞600℃/hr），磁导率高，μ0.4=10000 。慢速冷却（80℃/hr），磁导率低，μ0.4=1500。但是在1180℃退火后的最终磁导率不决定于冷却速度，而决定于磁场处理。只要磁场强度足够大（10~12Oe），在磁场处理过程中使磁心始终处于饱和状态。 3.2磁场处理温度时间、磁场强度效应 55NiFe合金的居里温度约为530℃，比48-50NiFe合金的居里温度450℃高，因此磁场处理要在比较高的温度（440℃-450℃）下，经过相当长的时间（24小时），才能达到比较高的磁导率，从表1列出的求最佳磁场热处理的参数的各种试验方案和得到的磁导率，可以得出以下几点结论： 1）最佳磁场热处理温度不能低于430℃，也不能高于467℃，否则得不到最佳磁导率。最佳热处理温度为447℃，经过这个温度下磁场处理后，室温下合金的各向异性和磁致伸缩最小。处理温度高了，接近居里温度，热运动增加，阻碍磁畴形成排列结构。处理温度低了，扩散速度低，从而使磁畴在一定时间内不能完全形成排列结构。 2）要达到最佳磁导率，在磁场处理和冷却过程中，必须加一定大小的磁场。如果加的磁场太低，小于3Oe，处理后的磁导率明显的低于最佳值。试验求得的最小磁场是10-12Oe。图1表示在室温下退火的55NiFe磁心快速冷却后磁场处理前的磁化曲线。从图中清楚看出，要加10-12Oe磁场，磁心才能达到完全饱和。生产中磁心在退火后冷却速度比较低，因此在磁场处理前磁导率低。但是在磁场处理时，磁心始终处于饱和状态，最终也可达到比较高的磁导率。如果由于受电流限制，或者磁心尺寸大，生产时不能产生10-12Oe磁场，可以在1180℃退火后快速冷却，也能达到比较高的磁导率，虽然达不到最佳值。快速冷却，可以在比较低的处理磁场下，达到比较高的磁感应强度。 3）磁场处理时间越长，磁导率越高。处理4小时，只能达到最佳值的40%-50%。处理18小时，达到最佳值的80%。处理24小时，达到最佳值的90%。处理超过24小时，磁导率增加比较平缓。因此推荐处理24小时，从性能与处理成本的比值来看是比较经济的方案。 4）带材越薄，磁导率超高。0.08mm厚带材达到的磁导率比0.1mm厚带材高20%。因为越薄的带材，涡流损耗越小。因此选取0.08mm厚带材来制作标准试样。 5）磁场处理后冷却速度不重要，因为直到冷却到室温为止，都要加磁场。 4结论 55NiFe合金同时具有高磁导率和高饱和磁通密度，而且成本低，是值得推广应用的软磁合金。但是它必须在控制良好的磁场热处理之后，才能达到高质量。最佳的热处理参数是：在1180℃下，干燥H2中退火6小时，在447℃下，H2（或干燥N2）中磁场处理24小时，在磁场处理和冷却过程中，加大于10-12Oe的径向直流磁场。退火或磁场处理之后的冷却速度不重要，可以是50℃-650℃/h，只要在磁场处理和之后的冷却过程中，始终加超过10-12Oe的磁场。 参考文献 IEEE Tr on Magn 2001年37卷第4期2315-2317页