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玻璃包覆熔融纺丝法通过一道工序即可直接制备金属芯丝直径为2~30μm的玻璃包覆微丝,是一种短流程高效成形技术。另一方面,铁基磁性材料微丝具有优良的软磁性能和一些特殊的物理效应(如大巴克豪森效应、巨磁阻抗效应等),且原材料成本低于镍基和钴基合金。因此,开展玻璃包覆铁基磁性材料微丝的熔融纺丝制备及相关应用基础研究具有重要意义。
本文主要以玻璃包覆Fe69Col0Si8B13合金微丝(以下简称Fe-Co-Si-B微丝)为研究对象,通过理论计算结合实验研究的方法,系统分析了玻璃包覆熔融纺丝整体感应加热器结构参数、加热电流等对合金微熔池稳定性的影响规律,优化了用以连续稳定制备铁基合金微丝的整体感应加热器的结构及尺寸;在微丝稳定制备的基础上,建立了工艺参数-微丝尺寸-结构-性能之间的关系;揭示了退火工艺对微丝结构、磁性能和力学性能的影响;获得了对Fe-Co-Si-B芯丝具有保护作用的复合缓蚀剂配方及去除工艺参数,实现了玻璃包覆层的可控去除。
研究结果表明,制备铁基合金微丝整体感应加热器的合理结构尺寸为:感应加热器锥角120~130°、感应加热器高度12~14mm、下锥孔高度2~4mm、下锥孔半径3~4mm、微熔池中心到感应加热器下锥孔上端面的距离为4~6mm。
在本文实验条件下,采用水冷方式且拉丝速度大于5m.min-1时所获得的Fe-Co-Si-B合金微丝均为非晶态结构,而采用空冷方式制备非晶态微丝的拉丝速度应大于等于20m·min-1。
随拉丝速度的增大,Fe-Co-Si-B合金微丝及芯丝直径均逐渐减小,而芯丝抗拉强度逐渐增大;当冷却距离小于20mm时,微丝直径、芯丝直径及芯丝抗拉强度均随冷却距离的增大而减小,当冷却距离大于20mm时,微丝直径、芯丝直径及芯丝抗拉强度则基本保持不变。
玻璃包覆Fe-Co-Si-B非晶微丝存在明显的磁各向异性,微丝轴向为易磁化方向;芯丝半径与包覆层厚度比值k约小于0.5时,微丝轴向磁滞回线为近矩形,表现出大巴克豪森效应。微丝的轴向剩磁比随k值的增大而减小,径向剩磁比很小;微丝轴向和径向矫顽力均随k值的增大而减小。
随着退火温度的升高,Fe-Co-Si-B非晶微丝的矫顽力和剩磁比均先缓慢减小然后急剧增大,退火温度为450℃时矫顽力和剩磁比最小。退火温度低于450℃时,芯丝抗拉强度的变化幅度较小(小于6%),最大抗拉强度为2556MPa,当退火温度高于450℃时,芯丝抗拉强度迅速降低。未退火及退火温度低于450℃退火时,合金芯丝断口存在少量的脉状花样;经500℃以上退火后,放射状撕裂区占芯丝断口大部分面积,芯丝表现出更大的脆性。
随填充比和吸波体厚度的增加,Fe-Co-Si-B非晶微丝填充复合吸波体的反射率峰值均先减小后增大,且向低频段移动,反射率<-10dB的频率范围则先增大后减小;微丝填充比为15%、厚度为1.4mm时,其反射率峰值为-28.5dB,反射率<-10dB的频率带宽达2.9GHz;填充比和厚度均相同时,吸波体反射率峰值随微丝退火温度的升高而向高频段移动。
在反应温度为25℃的条件下,HF质量分数从10%增加到40%时,Fe-Co-Si-B合金微丝玻璃包覆层的去除速度从0.005μm·s-1提高至0.076μm.s-1;温度从10℃升高到45℃时,玻璃包覆层在40%HF溶液中的去除速度从0.033μm.s-1提高到0.234μm.s-1;反应温度为20~25℃时,用40%氢氟酸溶液去除厚度范围为7.5~9μm高硼硅玻璃包覆层的最佳时间为150s。0.2%NaSCN+0.8%(CH2)6N4作为缓蚀剂能有效抑制HF对Fe-Co-Si-B合金微丝芯丝的损伤。