高饱和磁感应强度铁基非晶合金带材性能研究

武兰民，吴 雪，张燕秉，杨富尧，高 洁，马 光，陈 新

(1. 国家电网有限公司，北京 100031)(2. 全球能源互联网研究院有限公司，北京 102211)

1 前 言

但非晶合金铁心材料与传统的变压器铁心用取向硅钢相比，存在两个明显的不足：一是其空载损耗虽低，但饱和磁感应强度Bs也低，工作磁通密度仅为1.35 T，而取向硅钢的为1.7 T；二是其饱和磁致伸缩系数λs高达2.7×10-5～2.8×10-5，因此非晶合金铁心配电变压器比取向硅钢铁心变压器体积和噪音都大[4]。因此，开发新型高饱和磁感应强度、低磁致伸缩系数、热稳定性强的非晶合金成为近年来的研究热点。

在低频电磁元件中，铁心的输出功率主要由工作磁感应强度决定，提高材料的饱和磁感应强度是实现电子装置小型化、轻量化的关键所在[1]。大量研究发现，要增大饱和磁感应强度，必须提高Fe基非晶合金中的Fe含量，但Fe含量过高会使非晶形成能力降低，热稳定性下降，快淬薄带中难以得到单一均匀的非晶相。适当调整合金成分比例，有利于改善合金的磁性能，同时提高熔体的流动性，获得表面质量好、脆性小、应力松弛率高、热稳定性好、饱和磁感应强度高、铁损低的优质高饱和磁感应强度铁基非晶合金带材。

非晶合金在液态急冷制备过程中，来不及正常形核长大而形成原子排列长程无序、短程有序的特殊结构，不存在宏观磁各向异性，因此磁致伸缩就成为影响磁特性的主要因素之一[5]。此外，磁致伸缩效应是非晶配电变压器噪音产生的重要因素，研究非晶合金带材的磁致伸缩特性具有重要意义[6]。本文在传统非晶合金的基础上，通过调整合金成分中C和Si的含量比，制得高饱和磁感应强度铁基非晶合金带材(以下简称P型带材)，并对其磁致伸缩特性进行研究。

2 实 验

2.1 带材制备与表征

将纯度大于99.9%的Fe粉、Si块和FeB合金原料按照一定的比例混合配置，放置于中频感应炉的烧结坩埚内，抽真空至3.2×10-3Pa，充入高纯氮气进行气氛保护，调节压强至0.03 MPa，通电得到200 A左右的电流强度，使合金原料熔化后反复熔炼3～5次，不断搅拌熔炼以防止成分偏析，最后熔炼成Fe-Si-B系母合金锭。将熔炼好的母合金铸锭破碎成直径小于8 mm的碎小颗粒，用丙酮和无水乙醇溶液超声清洗后进行干燥。将处理后的母合金颗粒放入石英管中，石英管处于加热感应线圈的中部，以适当的加热速度加热至1200～1300 ℃，在氩气保护气氛中对母合金锭进行重熔。待母合金完全熔融后，利用高压气流形成的内外压差，使熔体喷到辊面转动线速度为35～42 m/s的铜辊上，快速急冷形成非晶薄带。

根据标准GB/T223.73—2008、GB/T 20123—2006、NACIS/CH 009:2013和NACIS/CH 121:2013，分别采用滴定法、红外吸收法和光谱法(ICP-AES)对合金带材的Fe，C，Si和B元素成分进行定量分析。采用Q-600 DSC-TGA 同步热分析仪进行差热分析，确定非晶带材的退火热处理温度范围。由于退火温度影响材料最终的应用性能，需要针对不同成分确定合适的退火热处理工艺。采用真空热处理管式炉，在惰性保护气氛中对非晶薄带进行退火热处理，对热处理后的非晶带材样品用X射线衍射仪(BrukerD-8 X-ray,Cu Kα,λ=0.154 nm)进行物相分析，衍射角2θ为10°～90°，步长为0.02°。

2.2 磁性能测试

采用任意波形磁性能测量系统(MPG 200D, Brockhaus)测试退火后样品的磁特性，得到室温下退火后非晶合金样品的正弦磁滞回线、磁化曲线与磁致伸缩测量的蝴蝶曲线。磁致伸缩测量样品选用尺寸为100 mm×600 mm的单片试样，图1给出了配有激光多普勒振动仪的磁致伸缩测试系统，测量模块示意图如图2所示[7]。模块利用垂直单磁轭形成闭合磁路，放置在由空气压缩气体支撑的防震台上。测量时将待测单片试样的一端用绕组外侧的夹具固定，将反光镜(光学靶点)粘贴在可自由伸缩的试样的另一端，配合激光发射装置和光学传感头，测出试样在特定工况下的微小伸缩量，从而实现磁致伸缩的测量[8]。图3为非晶合金带材磁致伸缩测量系统基本电路原理示意图[7]。其中，N1为初级绕组，N2为次级绕组，S为测量试样，T为光学靶点，C为夹具。

图1 磁致伸缩测试系统Fig.1 Magnetostriction test system

图2 磁致伸缩测量模块示意图[7]Fig.2 Schematic diagram of magnetostriction measurement module[7]

图3 磁致伸缩测量系统原理示意图[7]Fig.3 Schematic diagram of magnetostrictive measurement system[7]

3 结果与讨论

3.1 组织成分

表1给出了两种非晶合金的化学成分，可以看出，具有高饱和磁感应强度的P型非晶合金，Fe含量较普通型合金(以下简称S型)略高，要保证Bs>1.6 T，Fe含量(原子数分数，下同)必须大于80%。但Fe含量过高会降低非晶形成能力，因此Fe含量要控制在82%以下。C比Si具有更强的非晶形成能力，且C的加入可以提高熔体的流动性及其与冷却辊的可湿性。适当调整非晶形成元素C和Si的比例，不仅能够保证较高的饱和磁感应强度，也可降低非晶合金的比总损耗。

表1 两种非晶合金的成分Table 1 Composition of two kinds of amorphous alloys

P型非晶合金带材的差示扫描量热(DSC)曲线如图4所示。曲线呈两级晶化过程，对应的一级起始晶化温度Tx1为521 ℃，放热峰对应温度Tp1为532 ℃；二级起始晶化温度Tx2为541 ℃，放热峰对应温度Tp2为549 ℃。第2个晶化放热峰比第1个晶化放热峰尖锐，且峰的面积更大，两级起始晶化温度之间的差值ΔTx为20 ℃。在约420 ℃左右，曲线出现小的“抖动”，说明材料在此温度发生比热变化，变化发生在晶化转变之前，对应材料的居里转变过程，可确定此温度为非晶带材的居里温度。随着温度的升高，非晶材料在居里温度由铁磁性转变为顺磁性，结合材料特点，选取热处理温度范围为355～380 ℃。

3：7灰土拌合→分层铺摊→碾压夯实→水泥稳定碎石基层混合料运输→混合料摊铺与整形→混合料碾压→接缝处理及养生→沥青混凝土混合料运输→混合料摊铺整形→混合料初压复压终压→聚氨酯胶水涂底→黑色橡胶颗粒搅拌→摊铺黑色橡胶颗粒→碾压成型→测量放线划分区域→搅拌EPDM彩色颗粒→EPDM颗粒摊铺→碾压成型。

图4 P型非晶合金带材的DSC曲线Fig.4 DSC curve of P-type amorphous alloy strip

图5为退火后P型非晶合金带材的XRD图谱。图中显示出非晶结构典型的漫散射峰特征，退火后仍未出现任何尖锐的晶体相衍射峰，只是在2θ=45°附近有一个宽化的漫散射峰，说明此合金带材试样为完全的非晶态合金。

图5 退火后P型非晶合金带材的XRD图谱Fig.5 XRD pattern of P-type amorphous alloy strip after annealing

3.2 磁致伸缩性能

按照式(1)计算磁致伸缩瞬时值λ(t):

(1)

式中，λ(t)为磁致伸缩在时间为t的瞬时值；Δl0(t)为从退磁状态长度到时间为t时基线长度的变化值，单位为m；l0为试样的基线长度，单位为m。

图6为采用激光多普勒振动仪实测出的蝴蝶(butterfly)曲线，表示在基波频率f=50 Hz工况条件下非晶合金带材磁致伸缩λ值与磁感应强度B的关系(Bmax=1.35 T)。由蝴蝶曲线能够获知样品在整个磁化过程中磁致伸缩曲线的振幅λp-p(峰-峰值)。蝴蝶曲线是铁心等设备元件振动噪声仿真计算的重要参考，从图中可以看出两种类型带材沿磁场方向的应变量随磁感应强度的变化均呈现完美的蝴蝶形状的曲线，且以B=0为轴保持对称，P型合金的λp-p为836 nm/m，远小于S型合金的λp-p(4079 nm/m)。

图6 不同类型非晶带材的蝴蝶曲线Fig.6 Butterfly curves of different types of amorphous strips

参照IEC/TR62581[8]，根据试样均匀磁化区域内随试样长度方向变化的瞬时值λ(t)，进行傅里叶变换分解出不同频率fi下的振幅λi，计算出加权磁致伸缩振动速度的声压水平LvA(dB,简称加权噪声值)，如式(2)所示。在磁通密度为1.35 T的条件下，P型合金带材加权噪声值约为59 dB，而S型合金带材加权噪声值约为82 dB。

(2)

式中，ρ为空气密度，单位为kg/m3；c为声速，单位为m/s；fi为i次谐波频率，单位为Hz；λi为i次谐波振幅；A(fi)为i次谐波频率下的A计权系数；Pe0为最低可闻声压，为2×10-5Pa。

由图7中合金的磁化曲线可以看出，随着磁场强度H的增加，B急剧增大；当H增大到一定程度时，B逐渐趋于饱和。P型合金H增大到20 A/m时，B即接近饱和状态；而S型非晶合金带材需要H增加到100 A/m左右时，B才趋于饱和，且其Bs低于P型产品。研究发现，P型非晶合金产品的噪声要小于普通S型产品，原因在于P型产品的磁化曲线具有较高的矩形比。

图7 不同类型非晶合金带材的磁化曲线Fig.7 Magnetic curves of different types of amorphous alloys strips

图7中区域1为磁畴壁移动区域，在此区域范围内噪音小，区域2为磁化回转开始区域，该区域范围内噪声较大。普通型非晶合金(S型)向高磁感型(P型)转化的过程，不仅是Bs提高的过程，同时也是合金磁化曲线的矩形比提高的过程，使达到Bs所需的H下降，从而减小磁性器件的励磁电流和功率，使得噪音降低。

进一步研究λp-p与非晶合金矫顽力Hc的关系。测量得到非晶合金带材在不同磁通密度条件下的磁滞回线，如图8所示。磁滞回线表现出典型的铁磁学特征，即在低H区，B随H的增加而急速增加；在高H区，B随H的增加而逐渐饱和。从图8的插图可以明显看出，P型合金的Hc小于3 A/m，明显低于S型合金的Hc，而其剩磁Br则高达1.35 T，远高于S型合金的(0.8 T)，磁滞回线的矩形度更好，具有更佳的软磁特性。

图8 不同类型非晶合金带材的磁滞回线Fig.8 Hysteresis loops of different types of amorphous alloy strips

研究表明，非晶合金带材的Hc和λp-p成正相关关系，也就是说磁致伸缩系数越小，则Hc越小，软磁性能越好，此实验结论与式(3)和式(4)给出的Hc、磁各向异性常数K、磁致伸缩系数λs三者之间的物理关系相符。

(3)

(4)

其中，Pc为损耗，Js为磁极化强度，σ为压力。

4 结 论

(1)适当提高Fe元素的含量，合理控制C和Si的比例，可得到高饱和磁感应强度铁基非晶合金带材，其饱和磁感应强度大于1.65 T。

(2)非晶合金带材的磁致伸缩效应变化曲线呈现以B=0为轴对称的蝴蝶曲线，P型合金的磁致伸缩振幅为836 nm/m，加权噪声值为59 dB，远小于S型合金的磁致伸缩振幅(4079 nm/m)和加权噪声值(82 dB)。

(3)P型非晶合金产品的噪声要小于普通S型产品，原因在于P型产品的磁化曲线具有较高的矩形比，磁畴壁移动区域更大，噪声更低。

(4)P型非晶合金的磁滞回线矩形度更好，矫顽力小于3 A/m，且矫顽力与磁致伸缩振幅成正相关，说明磁致伸缩系数越小则非晶合金带材矫顽力越小，软磁性能越好。