成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和 软磁性能的影响综述--研究生课程论文

研究生课程论文

（2016 -2017 学年第一学期）

论文标题：成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和软磁性能的影响综述

提交日期：2016 年12 月19日研究生签名：

成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和软磁性能

的影响综述

1.引言

铁基非晶态合金是一种具有特殊结构和优越性能的新型材料,通过快速凝固在原子层次控制了液态金属的排列,使原子排列保持液态金属的长程无序状态.由于原子排列不规则、长程无序、没有晶粒晶界的存在,因而使得该类材料具有极佳的机械性能、磁性能和耐腐蚀性等优点,通过非晶合金演变纳米晶的可控性,可以进一步得到性能更加优异的纳米晶和非晶/纳米晶复合结构材料,兼具有高饱和磁感应强度、高磁导率和低高频损耗等性能特点[1]，是硅钢、铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料的替代产品。

要形成非晶合金GFA (玻璃形成能力) 非常重要，井上明久在大量实验结果的基础上总结了非晶合金获得较高GFA需要的３个条件:(1)合金成分含有３种及３种以上元素;(2)不同元素原子半径有较大差异;(3)各元素之间的混合热为负值[2]. Fe基非晶纳米晶合金优异的磁特性由它们的磁致伸缩系数（<20ppm）和磁各向同性都很低。根据随机各向异性模型（RAM）[3]，如果晶粒尺寸减小到低于最小交换长度（D <

图1.不同软磁合金的晶粒尺寸和矫顽力的关系

图中有两个不同的区域，其中矫顽力的值是最小的，其中包括微观尺度区域

和纳米尺度区域。在微观尺度区域，粒度和H c之间的反比关系（Hc-D-1）表示传统的原则，即大晶粒尺寸利于软磁性能的提高，但是大的晶粒和磁畴尺寸会增加铁损。在纳米尺度区域，新的非晶微晶合金落在常规的硅钢和铁基非晶合金之间。矫顽力和晶粒尺寸（Hc-D 6）关系显示，在纳米级别，晶粒尺寸的变化，即使是少量仍可能对最终的软磁特性产生显著影响[3,20]。

目前研究的Fe 基纳米晶软磁合金带材主要有Fe-Si-B 系、Fe-Zr-B 系和Fe-B 系。具体讲主要有三种牌号，分别是牌号为Finemet 的Fe-M-Si-Cu-B(M=Nb、Cr、V、W、Mo 等)合金，牌号为Nanoperm的Fe-M-B(M=Zr、Hf、Nb、Ta等)合金[5-6]和牌号为Hitperm的(Fe,Co)-M-B(M=Zr、Hf、Nb 等)合金[4-5]。三种牌号的合金都是采用对非晶合金前驱体进行晶化处理得到纳米晶合金的方法制备而成[1]。通过晶化退火处理不但可以有效地消除合金的内应力，还可以获得纳米晶结构的合金材料，因其具有超细化的显微组织从而表现出极佳的软磁性能[6]。

不同成分对铁基非晶纳米晶软磁性能有很大影响，本文目的是阐明对微观结构和软磁性能有充分研究的元素，如硅，硼，铜，铌，锆，氮掺杂，磷，镍，钴，氢化和锗对铁基非晶纳米晶合金特性的影响。表1总结了各成分的影响结果。

表1.Fe非晶/纳米晶合金添加元素的影响

2.合金元素的影响

2.1 Si和B

Fe基合金的GFA比非铁合金系如Mg，Zr，Pd基合金低得多。事实上，通过铜模铸造在Zr和Pd基合金中可获得厚度大于1mm的块状金属玻璃，而在Fe基合金中形成的带材厚度只有几微米。添加B和Si可促进合金凝固过程中非晶态结构的形成，并且B对GFA的提高效应是Si的5倍[8]。此外，应当注意，尽管B可以增强GFA，但它也可以减少一次和二次结晶峰之间的安全间隙，如图2所示。这种物

质增加Fe-B化合物形成的可能性[13，14]，由于Fe-B化合物颗粒尺寸大（50-100nm）以及特别大的的磁晶各向异性[8,10]，因此Fe-B化合物的析出（即使当它们的体积百分比<10％）会产生磁硬化，有效地钉扎畴壁运动并限制磁畴转动。因此，建议将B的量保持在10原子％以下。

图2.B对FeZrBNb非晶合金晶化过程的影响

The effect of B on the onset crystallizationof FeZrBNbamorphous alloy showingtwo separate peaks become one peak when B N 20 at.%.

图3表明，一方面，添加B细化晶粒，但另一方面减小了α-Fe的体积分数。为了得到优异的软磁性能，需要α-Fe体积分数高，颗粒细小并均匀分布。如图3所示，10％B的使α-Fe颗粒的体积分数从85％降至65％，除了减少α-Fe颗粒的量外，B含量大于10％也提高了Fe-B化合物形成的概率，这可能对软磁性能具有不利影响。

在含B的Fe基非晶合金的退火过程中，B从α-Fe颗粒中排出并积聚在剩余的非晶基体中，而Si从非晶基体中排出并固溶在α-Fe颗粒中[11,15,16]。在退火过程中，剩余的非晶基体富含B会逐渐变得稳定，残余非晶相与B的富集阻碍α-Fe颗粒的进一步生长。B与其他元素特别是Nb的共存能够更有效地改善晶粒尺寸并且还抑制Fe-B化合物在残余非晶基体中的形成[10,13]。

磁致伸缩系数（λs）对α-Fe纳米晶中的Si含量非常敏感，而它与非晶相中的Si含量关系不大[10]。例如，在具有13.5和16.5at.％Si的FeCuNbSiB合金中，在退火前后观察到磁致伸缩的两种不同行为。退火前和非晶态，两种合金几乎显示出

相似的磁致伸缩系数。但在退火α-Fe颗粒析出后，磁致伸缩系数显著降低，并且具有较高Si含量的合金显示出较低的λs。合金中总λs是结晶相和非晶相中各自λs 的组合，为了抵消非晶相的正λs，就需要大体积分数的具有负λs的纳米晶体。在退火过程中Si含量高的纳米晶的形成有利于磁导率的增加和磁致伸缩系数的下降。

图3.Fe–Cu–Nb–Si–B合金中B对结晶体积分数和晶粒尺寸的影响Crystalline fraction and grain size as a function of B content in Fe–Cu–Nb–Si–B

alloys.

比较了一般硅钢和新纳米晶材料的软磁性能，并在表2中列出。当化学成分接近Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9（FINEMENT合金）时观察到优异的软磁性能[10,17-22]。可以看出，新纳米晶体材料的Hc和μi显着改善;然而，纳米晶材料的Bs值仍然小于一般硅钢。

表2.传统硅钢和纳米晶软磁材料的磁性能比较

添加Si除了提高GFA之外，还可以通过将初次结晶峰移向更高的温度来增强纳米晶材料的热稳定性。图4显示了Si含量17.5％的富Si合金在非晶和退火状态下的磁导率[25]。