磁性金属玻璃研究进展

磁性金属玻璃研究进展

龙　毅　叶荣昌　万发荣　李春和

(北京科技大学材料学院　北京　100083)

摘　要　磁性金属玻璃是一种新型的磁性材料,它具有大的玻璃形成能力和良好的热稳定性,只需很低的临界冷却速率即可获得很大尺寸的金属玻璃。与传统的磁性材料相比,磁性金属玻璃的有关性能更加优异,它具有高的饱和磁化强度、低的矫顽力、高的磁导率以及大的磁致伸缩系数,而且,在其液态过冷区内具有超塑性,利用这一特点,可以将其加工成为各种高精密度形状复杂的磁性器件。关键词　磁性金属玻璃　玻璃形成能力　液态过冷区

中图分类号　TG 139+.8 文献标识码　A 文章编号　1005-8192(2002)04-0001-06

Progress in R esearch of Magnetic G lassy Alloys

Long Y i ,Ye Rongchang ,Li Chunhe ,Wan Farong

(School of Material Science and Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083)ABSTRACT Magnetic glassy alloy is a new kind of magnetic material which has large glassy forming ability and good thermal stability.And glassy alloy with large thickness has been made with rather low critical cooling pared with traditional magnetic materials ,magnetic glassy alloys have high saturation magnetization ,low coercivity ,extremely high permeability and large magnetostriction ,as well as superplasticity in the supercooled liquid region which is of great signifi 2cance to make different kind of complicated and high precise magnetic devices.KE Y WOR DS magnetic glassy alloy ,glassy forming ability ,supercooled liquid region

作者简介:龙　毅,女,1982年2月在华中工学院固体电子系磁性材料专业获磁性材料专业学士学位。1989年3月在北海道

大学获工学博士学位。目前为北京科技大学教授,博导,任材料系副主任。负责承担国家自然科学基金,“863”高技术等基金资助项目。近年主要从事磁热效应机理和应用,金属软磁材料,块状非晶磁性材料,新型稀土永磁材料的研究。

1　前　言

金属非晶材料的研究是从1960年用急冷的方法得到Au 2Si 系非晶合金开始的,到了70年代,就开发出可以实用化的单辊急冷制备非晶薄带的技术,同时,发现非晶材料具有优于晶体材料的三大特性,即高的强度、良好的耐蚀性能和高的磁导率。到了80年代,各种金属非晶已经得到了广泛的应用。但是,在从60年代初到80年代末的近30年中,制备非晶合金都需要105K/s 以上的冷却速度,所制备

非晶材料的厚度也仅限于100

μm 左右,而且,到了80年代后期,用急冷的方法来开发新的金属非晶材料已经比较困难,非晶材料的研究主要集中在商品

化和开发一些新的方法来制备除薄带以外的其它形式的非晶合金。

到80年代即将结束时,日本东北大学金属研究所的井上研究室在进行富Al 的ZrAlNi 非晶研究时,偶然发现在增加某种成分(Cu )后,用电弧炉制备出的非晶母合金不再是结晶态,而是变成了完全的非晶态,这就是现在称为金属玻璃的非晶合金。该发现使得非晶合金的研究再次活跃起来,到目前为止,已经研制出了约100多种金属玻璃,其临界冷却速度R c 远远小于制备传统非晶所需要的冷却速度,只有011～数百K/s ,由图1可知,由于冷却速度降低了,因而能够得到很大尺寸的金属玻璃,也就是所谓的大块非晶。

第9卷　第4期2002年8月 金属功能材料Metallic Functional Materials

Vol.9,　No.4

August ,　2002

图1　典型金属玻璃的临界冷却速度(R c ),最大厚度(t m ax )

及玻璃转变折算温度(T g /T m )之间关系

Fig 11　R elation among the critical cooling rate for glass form ation (R c ),the m aximum sample thickness(t m ax )and the reduced glass transition temperature(T g /T m )

for typical glassy alloys

2　金属玻璃的特征

日本学者井上明久率先提出,将有明显玻璃转变和大的过冷温度区间ΔT x =T x -T g ,并且能够形成足够大的临界厚度的非晶合金称为金属玻璃,以便与传统的非晶合金相区别,其中,T x 是晶化温度,T g 是玻璃转变温度。与传统的非晶合金相比,图2　金属玻璃与传统非晶材料晶化过程示意图

Fig 12　Schem atic diagram of the crystallizing process of

glassy alloys and traditional amorphous alloys

金属玻璃有如下特征:

1)在结晶温度以前存在明显的玻璃转变温度,

这也是其称之为金属玻璃的直接原因。图2为在加

热过程中金属玻璃与传统非晶材料转变过程对比示意图,由图可知,在保持一般热分析的升温速度0133K/s 时,可以明显观察到金属玻璃与传统非晶材料的晶化过程存在显著差别,金属玻璃从非晶态→过冷却液体→结晶态,而传统非晶材料则直接从非晶态→结晶态。过冷温度区间的大小ΔT x 表示准平衡态的过冷液体的热稳定性,说明了金属玻璃对晶化的抵抗能力。显然,过冷温度区间越大,金属玻璃的热稳定性越好。

2)在过冷温度区间中,金属玻璃表现出超塑性。选择最佳的应变速度,就可以在过冷温度区间中进行高速超塑性加工。图3为Zr 55Al 10Ni 5Cu 30金属玻璃在过冷温度区间中形变应力与应变速度的关系,由图可知,m =1,这表明在过冷温度区间内的某一温度下,材料形变是完全的牛顿粘性流动,这一特性使得材料可以在次微米数量级上进行精加工。图4(a )为La 55Al 25Ni 20金属玻璃在过冷温度区间中加工得到的丝材,其延伸率达到15000%。该延伸率远远大于超塑性晶体最大延伸率的5000%～6000%;图4(b )为用金属玻璃加工成的只能用放大镜观察的超微齿轮。由于金属玻璃在过冷温度区间内具有良好的超塑性流变特性,因此,可以不用进行中间加工过程(如研磨),直接做出高精度的形状复杂的微小部件

。

图3　Z r 55Al 10Ni 5Cu 30金属玻璃在过冷温度

区间中形变应力与应变速度的关系

Fig 13　R elation betw een the stress and the strain rate

of the Z r 55Al 10Ni 5Cu 30glassy alloy

in supercooled liquid region

3)在微观结构上,与传统的非晶材料相比,金属

玻璃的原子堆积更加密实。表1列出了几种金属玻璃及其对应晶态的密度,从表中可以看出,金属玻璃在晶化后密度增加了013%～0154%,而传统的非晶材料在晶化后密度则增加了2%,因此,金属玻璃

2金属功能材料 2002年