铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制

　*电子科技大学青年科技基金重点项目

铁基非晶及纳米晶合金纤维的研制

*

李　强,梁迪飞,鄢　波,邓龙江

(电子科技大学微电子与固体电子学院,成都610054)

摘要 通过自主开发的熔融快淬炉制备出了铁基非晶合金纤维,研究了制备工艺参数对纤维几何尺寸、微观形貌的影响,结果表明:转轮线速度、线圈功率(熔体温度)及气氛等对其微观形貌和几何尺寸的影响较大,通过调整优化

工艺参数可稳定地制备直径为10～40μm 可调的非晶磁性纤维。通过适当热处理可得到双相纳米晶磁性合金纤维。

关键词 铁基非晶合金　非晶合金纤维　熔融快淬

The Fabrication of Fe -base Amorphous and Nanocrystalline Alloy Microwires

LI Qiang ,LIANG Difei ,YAN Bo ,DENG Long jiang

(Scho ol of M ic roelect ronic and Solid -state Electro nics ,U ES T C ,Chengdu 610054)

A bstract T he microw ires o f Fe -base amo rphous alloy hav e been fabrica ted with the equipment deve loped by

us.T he rela tionships between the fabrica tion pr ocess and micr owire dimensions ,mor pho log y have also been inv estiga -ted.A s a re sult ,the main facto r s im pact the micro wire dimensions ,mor pho log y are the w heel velocity ,pow er of the lo op (temperature o f the melting )and ambience.T he diameter s o f the micro wires could be within 10～40μm.By sub -sequent annealing ,nanocry stralline micr owire s can be obtained.

Key words F e -ba se amo rpho us alloy ,amo rphous a llo y microw ir es ,melt quench

0　前言

自1988年Yoshizawa 等[1,2]首次报道具有优异软磁性能的

Finemet 型F e 基合金以来,对非晶及纳米晶合金材料的研究和应用越来越广,但多为对粉体和薄带的研究,而对于非晶及纳米晶合金纤维的制备和特性的研究,特别是国内在这方面的研究则相对更少。

近几年国内外所研究的非晶合金纤维一般多采用玻璃包覆熔纺法制备[3],它是根据液态玻璃粘度高易于制成纤维的原理,把金属棒插入玻璃管中作原料,在其下端设置一个高频感应线圈,原料通过感应线圈被逐渐加热熔化,熔化了的玻璃包覆着液态金属经急速冷却后制得圆而长的细丝。金属纤维的直径为1～100μm ,表面约有500～2000nm 厚的微细多晶层。由于玻璃的导热性较差,所以不管用何种冷却介质都会影响熔融合金的冷却速度,故此法只适用于临界冷却速率较低的非晶合金纤维的制备。

另外一种方法是熔融快淬法[4,5],其基本原理是:熔融态合金液面接触到高速旋转的尖锐的高导热轮缘,快速固化形成完全非晶的合金纤维,通过剥离装置使之脱离轮缘。由于此法大大提高了冷却速率,所以可快淬具有较高熔点的材料,如铁基材料等,而且所制备的非晶纤维具有很好的表面光洁度和粗细均匀度。本文即采用此方法制备非晶纤维样品。

1　实验

1.1　试验方法及样品制备

使用的试验设备如图1所示。在可密闭的箱体中,利用高频感应线圈将耐热石英玻璃管中成分为F eCuN bSiB 的合金块材熔化。熔化后的合金由于表面张力的原因而呈馒头状凸起,利用进料装置使石英管内熔融合金液体在石英棒塞的挤压下平稳缓慢上升,使其液面与高速旋转的通有冷却水的铜轮的辊面接触,接触后液态金属即被快淬甩出。设置适当的进料速度、高频感应线圈功率(即熔融合金的温度)及铜轮线速度即可制备出粗细均匀、直径可控制在10～40μm 范围内的铁基非晶合金磁性纤维。

图1　试验设备简图

由于冷却的铜轮侧周为呈一定角度的尖锐轮缘(如图2所示),熔融合金因其表面附着力而立即被旋转的铜轮辊面尖角抽出,经铜轮以105～106℃/s 快淬后即呈纤维状,并在离心力和

软刷刮力的共同作用下被甩出,得到铁基非晶合金纤维样品

。

图2　熔融快淬示意图

另外对于试验设备的要求:①金属轮材料的选用须综合考

虑导热率高、成本较低和加工容易等方面,本文采用铜轮;②铜轮须经精密加工、安装,厚薄均匀,轴心对称,棱边抛光且边缘要具有一定的高度和尖锐角度,高速旋转时不能左右摇摆和偏心;③熔融合金容器须采用耐高温材料,此处采用石英玻璃管;④铜轮转速和进料装置速度须可连续调节,以适应不同合金材料纤维制备的需要。

根据考察工艺参数对纤维几何尺寸和微观形貌的影响需要,制备3个系列的非晶纤维样品A ～I ,如表1所示。

表1　非晶纤维样品的制备工艺条件

样品名称

转轮线速度,m /s

感应线圈功率,kW

制备环境A 4030空气B 5030空气C 6030空气D 5022.8空气E 5032空气F 5037.4空气G 5039.4空气H 5030空气I

50

30

0.05M Pa 氩气

根据研究退火热处理工艺需要,选取非晶纤维样品I 作为样品M 0,并将其在气氛炉中分别以450℃和550℃保温2h 热处理,得到样品M 450、M 550,如表2所示。

表2　热处理纤维样品处理条件

样品处理温度

℃处理时间

h 氩气环境气压,M P a M 45045020.14M 550550

2

0.14

M 0

非晶样品(未处理)

1.2　样品的测试

采用英国Bede 公司型号为D1的X 射线衍射仪进行物相

分析。采用日本JEO L 公司型号为JSM -5900L V 的扫描电镜观

察样品的几何尺寸和微观形貌。

2　试验结果及讨论分析

2.1　物相分析

图3为编号M 0、M 450、M 550三个样品的X RD 衍射谱。

由图3可以看出,样品M 0的XRD 衍射谱线为漫散的圆驼峰,

表现出典型的长程无序结构衍射特征,故该样品确定为完全非晶态。而样品M 450和M 550的X RD 衍射谱线,则出现了明显的晶化峰,且随温度的升高峰值增大。根据峰的位置和强度可以确定为少量的α-Fe (Si )晶相从非晶基体中析出。晶粒大小C ′可根据衍射峰的半高宽度W 1/2(单位:弧度),利用谢乐(Schen -er )公式[6]计算得出:

C ′=0.89λ

W 1/2cos θB

图3　不同样品的X RD 谱

本文采用Cu 靶K α1辐射,波长λ=0.154056nm ,取(110)衍射面的数据进行计算:(1)经450℃退火处理的纤维衍射角2θB =45°,衍射峰半高宽度W 1/2约为0.01641弧度,则晶粒尺寸大小为11.8nm 左右;(2)经550℃退火处理的纤维衍射角2θB =44.6°,衍射峰半高宽度W 1/2约为0.01215弧度,则晶粒尺寸大小为15.8nm 左右。

2.2　工艺参数对磁性合金纤维微观形貌及几何尺寸

的影响

对不同工艺参数下制备的纤维样品A ～I 进行SEM 分析,分析结果如下。

(1)转轮线速度的影响

图4为样品A 、B 、C 的S EM 图片,其中左图和右图的放大倍数分别为2000倍和10000倍。由图4放大2000倍图片可以得出纤维样品A 、B 、C 直径分别为23μm 、17μm 、16μm ,由此得到图5。由图5可以看出在实验的转速范围内,随转轮线速度的增加纤维直径逐渐减小,当转轮线速度达到50m /s 左右趋于稳定。这是由于当进料速度一定,单位时间内快淬的熔体体积则确定,熔体表面张力和铜轮尖角表面附着力存在一个平衡,当纤维直径很大时,纤维表面附着力大于液面张力则使纤维连续不断地被快淬甩出,而随纤维几何尺寸的减小,其附着力也减小,当转轮转速达到某一值后,附着力小于张力,纤维几何尺寸不再随转轮线速度的增加而减小,而由纤维长度变短来达到与进料速度的匹配。在图4放大10000倍的图片中也看不见纤维表面有晶粒和晶界,说明制备的纤维确实完全为非晶态,不存在表面有微细多晶层的情况;而表面光洁度和粗细均匀度在实验的转轮转速范围内也是先变好,转速为50m /s 时达到最佳而后又变差,其原因是:纤维未与铜轮接触部分主要靠自身热传递实现快速冷却,当转轮转速为40m /s 时制备的纤维直径较大,纤维热传递速率不够快,且冷却初期纤维表面温度还比较高并与空气接触,故局部表面存在氧化的现象;而随转轮线速度的增大,机械震动随之增强,熔融合金液面不再稳定,导致转轮转速为60m /s 时制备的纤维表面光洁度和粗细均匀度变差;在转轮