本發(fā)明屬于磁性材料領(lǐng)域，具體涉及一種低頻恒磁導(dǎo)率的鐵基納米晶磁芯及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鐵基非晶/納米晶軟磁合金作為新一代的“雙綠色”節(jié)能材料，因其具有優(yōu)良的綜合軟磁性能，如高飽和磁感應(yīng)強度、低矯頑力、高磁導(dǎo)率、低損耗等特點，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏儲能、消費電子、移動通訊等領(lǐng)域。

2、鐵基非晶/納米晶軟磁合金通常由母合金經(jīng)高速銅輥急冷工藝制成非晶帶材，非晶帶材卷繞成非晶磁芯。非晶磁芯一般需經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，用于精細調(diào)控合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，即在非晶基體上析出單一的磁性α-fe相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Ш图{米晶雙相共存結(jié)構(gòu)而形成納米晶磁芯，此類特殊的雙相納米結(jié)構(gòu)也是納米晶磁芯呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合軟磁性能的主要原因，因而，磁芯的熱處理工藝對于獲得高性能的鐵基納米晶磁芯具有決定性作用。但是，現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中的熱處理工藝，如，氣氛爐(真空或n2)的常規(guī)退火、磁場退火等，使獲得的納米晶磁芯往往呈現(xiàn)出高磁導(dǎo)率且隨著頻率的升高大幅降低的特性，不適合中低磁導(dǎo)率且需求較好頻率特性的應(yīng)用場景，限制其應(yīng)用。

3、為了獲得中低且恒定的磁導(dǎo)率，工業(yè)上通常對卷繞成磁芯之前的非晶帶材進行張力退火，旨在通過對帶材外加張力作用下誘導(dǎo)各向異性，從而降低納米晶磁芯的磁導(dǎo)率。對非晶帶材進行張力退火中，一方面，若外加張力過大，非晶帶材在熱處理時容易發(fā)生脆斷，若外加張力過小，則降低磁導(dǎo)率的效果有限；另一方面，受限于熱處理張力設(shè)備夾具、帶材寬度、帶材表面形貌等因素，現(xiàn)有設(shè)備僅能對窄的、表面平整的帶材進行張力退火，且?guī)Р脑綄?，受張力越不均勻；帶材表面缺陷越多，缺陷處易成為張力退火的斷裂集中點；此外，受限于晶化帶材脆性，張力退火后的帶材脆性嚴(yán)重，在卷繞成磁芯的過程中，存在效率低、易斷裂且可塑性低的問題。因此，現(xiàn)有技術(shù)對非晶帶材進行張力退火達到降低納米晶磁芯的磁導(dǎo)率的局限性很大，獲得良好的中低且保持恒定或相對穩(wěn)定的磁導(dǎo)率的納米晶磁芯難度較大，無法在各種高頻、交流和直流疊加場合的電感器中的廣泛應(yīng)用。

4、因此，亟待開發(fā)出一種納米晶磁芯的制備工藝，跳過對帶材的退火處理過程，直接對卷繞成型的磁芯進行處理，以期實現(xiàn)降低磁導(dǎo)率的同時使得納米晶磁芯具有恒定磁導(dǎo)率的特性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)涉及的難獲得中低且恒定磁導(dǎo)率的納米晶磁芯的問題，本發(fā)明將提供一種低頻恒磁導(dǎo)率的鐵基納米晶磁芯及其制備方法和應(yīng)用。

2、為實現(xiàn)上述目的，具體包括以下技術(shù)方案：

3、一種鐵基納米晶磁芯的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)將鐵基非晶磁芯加熱至預(yù)設(shè)溫度以及同時加壓至預(yù)設(shè)壓力，再冷卻至200℃以下后開始釋放壓力，得到預(yù)燒磁芯；所述預(yù)設(shè)壓力大于大氣壓；

5、(2)將所述預(yù)燒磁芯進行磁場熱處理，冷卻后，得到鐵基納米晶磁芯。

6、本發(fā)明的方法中，通過將鐵基非晶磁芯依次經(jīng)過力場熱處理和磁場熱處理，使得鐵基納米晶磁芯具有恒定磁導(dǎo)率的特點。其中，在力場熱處理下，一方面，壓力促使納米晶粒析出但同時抑制納米晶?？焖匍L大，在一定程度上通過控制晶粒尺寸使得磁芯保持在相對低的磁導(dǎo)率以及保持相對穩(wěn)定的磁導(dǎo)率；另一方面，壓力場的存在可以在磁芯內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生磁各向異性，提高了疇壁能，而高的疇壁能阻止磁疇壁移動，在一定程度上通過調(diào)控磁疇壁能使得磁芯磁導(dǎo)率相對較低以及磁導(dǎo)率相對穩(wěn)定。磁場熱處理實際作用是誘導(dǎo)晶粒取向生長，即促使納米晶粒沿磁場施加方向發(fā)生取向作用從而誘導(dǎo)出磁各向異性和調(diào)控磁滯回線形狀。力場熱處理和磁場熱處理兩者是相互配合的，需要在力場熱處理調(diào)控晶粒和磁疇壁能的基礎(chǔ)下，再在磁場熱處理調(diào)控誘導(dǎo)晶粒取向生長。優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)溫度為430-525℃。

7、磁芯磁導(dǎo)率的穩(wěn)定程度與力場熱處理的溫度有關(guān)。當(dāng)預(yù)設(shè)的溫度在430-525℃范圍內(nèi)，溫度逐漸增加，磁芯的有效磁導(dǎo)率逐漸增加，磁導(dǎo)率的變化率沒有明顯的規(guī)律，但是在稍微偏離上述的溫度范圍內(nèi)，磁芯的有效磁導(dǎo)率在1-100khz范圍內(nèi)的變化率大于10％，磁導(dǎo)率的穩(wěn)定性顯著變差?？梢姡谏鲜龅牧鰺崽幚頊囟认?，本發(fā)明的鐵基納米晶磁芯具有更穩(wěn)定的有效磁導(dǎo)率。

8、優(yōu)選地，步驟(1)中，所述預(yù)設(shè)壓力為30-120mpa。

9、磁芯磁導(dǎo)率的穩(wěn)定程度與力場熱處理的壓力有關(guān)。在預(yù)設(shè)的壓力在30-120mpa范圍內(nèi)，壓力逐漸增大，磁芯的磁導(dǎo)率及其變化率隨之下降，在上述的壓力范圍內(nèi)可以使得磁芯在1-100khz范圍內(nèi)具有優(yōu)異的磁導(dǎo)率穩(wěn)定性。但是，因壓力越大，能耗以及對設(shè)備的承壓的要求就越高，成本增加，過高的壓力不利于擴大生產(chǎn)，因此，在能夠滿足實際性能需求的情況下，合理選擇相對較低的壓力，更吻合生產(chǎn)的工況。

10、優(yōu)選地，步驟(1)中，將鐵基非晶磁芯加熱至預(yù)設(shè)溫度時的升溫速率為5-30℃/min。

11、優(yōu)選地，步驟(1)中，所述冷卻的降溫速率為50-1000℃/min；所述加壓的方式包括通過惰性氣體氣壓加壓、模具擠壓加壓中的至少一種。

12、磁芯所應(yīng)用的頻率與磁導(dǎo)率的穩(wěn)定性有關(guān)。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在力場熱處理過程中，升溫速率在5-30℃/min、降溫速率在50-1000℃/min，隨著升溫速率的增加或降溫速率的增加，磁芯的有效磁導(dǎo)率及其變化率是隨之降低，為實現(xiàn)維持磁芯磁導(dǎo)率穩(wěn)定的目的，可以通過在一定程度上提高升溫和降溫的速率，縮短力場熱處理的時間，以降低磁芯的磁導(dǎo)率的同時維持穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。

13、優(yōu)選地，所述惰性氣體包括氬氣、氮氣中的至少一種。

14、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述磁場熱處理的溫度為350-430℃，所述磁場熱處理的磁場強度為800-3000gs，所述磁場熱處理的時間為10-300min，進一步優(yōu)選60-120min。

15、磁場熱處理的磁場強度、溫度和時間，對磁芯的磁導(dǎo)率及其穩(wěn)定性有一定的影響。在完成力場熱處理后，增加磁場可以降低磁芯的磁導(dǎo)率及其變化率，但是隨著磁場強度的增大，磁導(dǎo)率下降的程度不大，但是，如果在磁場熱處理的時間過長或溫度過高，會使得磁芯中的晶粒尺寸顯著增加，反而會在一定程度上增加磁導(dǎo)率及其變化率，且從生產(chǎn)的工況來看，磁場熱處理的溫度越高、時間越長，生產(chǎn)周期和能耗增加。因此，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在磁場熱處理過程中，磁場強度為800-3000gs、磁場熱處理的溫度為350-430℃和磁場熱處理的時間為10-300min時，磁芯可以在1-100khz下保持較高的磁導(dǎo)率穩(wěn)定性。

16、優(yōu)選地，步驟(1)中所述鐵基非晶磁芯由鐵基非晶帶材卷繞而成，步驟(2)中所述磁場熱處理的磁場方向平行于鐵基非晶帶材的寬度方向。

17、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述冷卻為自然冷卻，所述冷卻至100℃到室溫。

18、優(yōu)選地，步驟(1)中，所述鐵基非晶磁芯包括如下原子百分?jǐn)?shù)的元素：fe60-80％、si?10-20％、b?0-10％、cu?0-3％、nb?0-5％、ni?0-15％、co?0-10％。

19、進一步優(yōu)選地，所述鐵基非晶磁芯包括fe73.5si15.5b7cu1nb3、fe73.5si13.5b9cu1nb3、fe63.5ni10si15.5b7cu1nb3、fe63.5co5ni5si15.5b7cu1nb3、fe68.5co5si15.5b7cu1nb3中的至少一種。

20、本發(fā)明的方法實際是一種熱處理方法，對于多種鐵基合金都有效果，適應(yīng)不同種類的非晶磁芯。

21、優(yōu)選地，所述的鐵基納米晶磁芯在頻率為1-100khz下的磁導(dǎo)率恒定。

22、進一步優(yōu)選地，所述鐵基納米晶磁芯在頻率為1-100khz下的磁導(dǎo)率變化率≤10％，更優(yōu)選≤5％。

23、一般情況下，鐵基納米晶磁芯在不同的頻率下，磁導(dǎo)率會發(fā)生較大的變化，但是在高頻、交流和直流疊加場合的電感器中，若鐵基納米晶磁芯的磁導(dǎo)率變化越小，鐵基納米晶磁芯的性能越穩(wěn)定，在應(yīng)用于制備高頻、交流和直流疊加場合的電感器時，具有更長的使用壽命以及更穩(wěn)定的使用效果。本發(fā)明的鐵基納米晶磁芯可以在1-100khz下保持磁導(dǎo)率的高穩(wěn)定性，更符合高頻、交流和直流疊加場合的電感器中應(yīng)用的要求。

24、優(yōu)選地，所述的鐵基納米晶磁芯的磁導(dǎo)率為1300-35000。

25、進一步優(yōu)選地，所述的鐵基納米晶磁芯的磁導(dǎo)率為1500-14999。

26、本發(fā)明還提供一種所述的鐵基納米晶磁芯在制備高頻、交流和直流疊加場合的電感器中的應(yīng)用。

27、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明通過將鐵基非晶磁芯依次經(jīng)過力場熱處理、磁場熱處理，能夠獲得低磁導(dǎo)率的鐵基納米晶磁芯，且該鐵基納米晶磁芯具有在1-100khz低頻下恒定磁導(dǎo)率的特性。