The effects of annealing with and without magnetic field on the magnetic properties and core losses of Fe-B-Si wound cores have been investigated as a function of annealing temperature, magnetic field angle and its intensity and wound core diameter. Crystallization temperature and activation energy for crystallization of the amorphous ribbon were determined by differential thermal analysis (DTA). For the purpose of analysing the behavior of crystallization and crystalline phases, x-ray diffractometer and transmission electron microscopy were used.
As-quenched and wound cores have square B-H loops with high coereive force and low remanent magnetization due to the presence of magnetically hard regions such as stress inhomogeneity in the ribbons. The remanent magnetization increases and the coercive force and the loss of wound cores become minimum when annealed without field at 410℃ due to the removal of stresses and the occurrence of micro-crystalline at high annealing temperature. Near 180℃ domains exist in the thermally annealed toroid cores, but the domain walls are not parallel to the longitudinal direction of the ribbon. In the specimen annealed with 10 Oe in the longitudinal ribbon length axis at 390℃, the domains are nearly parallel to the longitudinal direction due to the field induced uniaxial anisotropy resulting in further increase in the remanent magnetization and decrease in the coercive force and loss.
Annealing amorphous ribbons in a field in the plane at an angle to the long axis, induces an easy axis differnt from that of the ribbons field annealed in the long axis. Core losses are minimum at the tilting angle of 20℃~30℃ due to the reduction of misoriention of 180℃ domain wall.
Core losses and magnetic properties of the amorphous ribbon annealed with longitudinal field of 10 Oe at 380℃ for 2 hrs have been investigated as a function of wound core diameter or toroidal stress. It appears that the larger the diameter of the bobbin the smaller the stress caused by winding resulting in easier formation of 180℃ domain walls parallel to the annealing magnetic field.
High temperature annealing above Curie temperature(415℃) degrade the B-H characteristics and increase core losses due to the formation of microcrystalline precipitates in the amorphous ribbon in spite of the crystallization temperature of the amorphous ribbon is 519℃. So, for the purpose of analysing the structure of crystalline phase formed during annealing of the ribbon, the specimens were partially or fully crystallized by annealing above crystallization temperature and the phases have been analysized by X-ray diffractometer and TEM. From the results, it can be concluded that the amorphous ribbon crystallize through 2 stages. The crystalline particles that appear at first stage was determined to be α - (Fe, Si) with dendrite morphology, and those at the second stage to be $Fe_2B$ with cylindrical morphology.
Activation energy for crystallization was calculated from DTA data with heating rates, 2℃/min, 5℃/min, 10℃/min, 20℃/min by Augis-Bennet plot. The activation energies for crystallization of α - (Fe, Si) and $Fe_2B$ were 94.11kcal/mole and 79.44kcal/mole respectively.
1. Metglas 2605-S2의 열적, 자기적 특성
$Fe_{78}B_{13}Si_9$ 비정질 합금의 열적, 자기적 특성을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) DTA 분석 결과 결정화는 2단계로 이루어짐을 알았는데, X-ray diffraction pattern 분석에 의해 첫째 peak는 α-(Fe, Si), 둘째 peak는 $Fe_2B$의 결정화에 기인하는 것으로 밝혀 졌으며 Augis-Benett plot에 의해 구한 결정의 활성화 에너지는 각각 94.11 kcal/mole (α-(Fe,Si)), 79.44 kcal/mole($Fe_2B$) 이었다.
2) As-quenched 시편은 square B-H loop을 나타냈는데 이는 시료내부에 불균일한 응력이 크게 걸려서 domain wall의 고착이 일어나기 때문으로 생각된다.
3) Wound core를 무자장에서 등온 열처리 했을 때 Curie temp.(415℃) 바로 밑에서 열처리 한 경우가 가장 좋은 자기적 특성을 나타내었다.
4) 420℃ 이하에서 annealing한 시료의 전기저항이 annealing 시간에 따라서 완만하게 감소하는 것은 구조완화에 기인하는 것이며 450 ~ 540℃에서 annealing한 시료의 annealing 시간에 따른 급격한 전기 저항의 감소는 결정상의 생성 및 성장에 의한 것으로 사료된다.
5) 결정화 과정에서 생성된 α-(Fe, Si)은 수지상의 BCC 구조를 $Fe_2B$는 실린더 형태의 BCT 구조를 가지고 있다.
2. Wound core의 자기특성에 미치는 자장중 열처리 효과
$Fe_{78}B_{13}Si_9$ 비정질 wound core의 자장중 열처리 효과에 대한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 일정 응력하에서의 longitudinal field annealing 효과
a) 자장중 열처리에 의하여 무자장 열처리한 경우보다 coercive force는 50%, core loss(1.2 T/60 Hz)는 60%의 감소효과가 있었다.
b) 10 Oe의 자장중에서 열처리 했을 때 380℃ ~ 390℃의 열처리 온도에서 가장 우수한 특성을 얻을 수 있었는데 이는 이 조건에서 uniaxial induced magnetic anisotropy가 가장 크게 유도돼 180℃ domain wall의 형성이 용이했기 때문인 것으로 사료된다.
c) 자장중 열처리한 시편이 무자장 열처리한 시편에 비해 core loss가 최소가 되는 annealing 온도가 20 ~ 30℃ 낮아졌는데 이는 field 효과에 의한 원자확산의 촉진에 기인하는 것으로 생각된다.
d) 상용주파수 영역에서는 total core loss에서 hysteres loss가 차지하는 비중이 eddy current loss에 비하여 훨씬 커서 70 ~ 80%이다. 따라서 coercive force의 크기가 total core loss에 크게 영향을 미친다.
2) Field annealing angle에 따른 특성 변화
Field annealing angle(φ)을 0˚ ~ 80˚ 까지 변화 시키면서 일정자장 (10 Oe), 적정 열처리 온도 (380℃, 2 h) 에서 annealing한 결과 φ = 20˚ ~ 30˚에서 가장 낮은 core loss를 가져서 φ = 0˚ 일때 보다 12%정도 감소하였다. 이러한 특성향상은 180˚ domain wall의 misorientation 감소에 기인하는 것으로 생각된다.
3) Strain 효과
Longitudinal field(10 Oe)로 380℃에서 2시간 동안 bobbin dia.로 응력을 변화 시키면서 annealing하여 응력변화에 따른 특성 변화를 관찰하였다. bobbin dia.가 커질 수록 core loss 및 coercive force가 감소하는데 이는 비정질 ribbon이 받는 toroidal 응력이 작아질 수록 자장중 열처리에 의한 일축유도 이방성의 형성이 용이해져 180˚ domain wall의 형성이 쉬워졌기 때문인 것으로 사료된다.
