铁基纳米晶软磁合金的研究

第22卷 第3期Vol 122 No 13

材 料 科 学 与 工 程 学 报

Journal of Materials Science &Engineering

总第89期Jun.2004

文章编号:1004-793X (2004)03-0461-05

收稿日期:2003-09-05;修订日期:2003-11-19

基金项目:上海市科委纳米专项基金资助项目(0252n m054)

作者简介:陆伟(1981-),男,工学硕士。E -mail :lu wi s1981@yahoo.c

铁基纳米晶软磁合金的研究

陆 伟,严 彪

(同济大学材料学院,上海市金属功能材料开发应用重点实验室,上海 200092)

=摘 要> 本文主要评述了铁基纳米晶软磁合金的晶化过程、组织结构及其与磁性能之间的关系,分析了优异磁性能的起源,并详细论述了解释其优异磁性能的各向异性模型,提出了目前在该模型上存在的问题。此外,还介绍了纳米晶软磁材料的制备方法,并在最后对纳米晶软磁材料的应用及发展趋势作了展望。

=关键词> 纳米晶软磁材料;铁基合金;磁性能;各向异性模型

中图分类号:TM271+12 文献标识码:A

Research of Fe -based Nanocrystalline Soft magnetic Materials

LU Wei,YAN Biao

(School of Marterial Scie.and Engi.,Tongji Univ.,Shanghai Key Lab.of A &D of

Functional Metallic Mater.,Shanghai 200092,C hina)

=Abstract > The crystal process,structure and the relationship between structure and magnetic properties of Fe -based nanocrystalline soft magnetic alloy are discussed in this paper.We also analyse the resource of its excellent soft magnetic properties.And we give a detailed discussion on the anisotropy models which explain the excellent soft magnetic properties.Some problems about these models are brought out.In addition,the preparation,application and developing trends are prospected.

=Key w ords > nanocrystalline soft magnetic materials;Fe -based alloys;magnetic properties;anisotropy model

1 前 言

1988年日本的Yoshizawa 等人首先发现,在Fe -S-i B 非晶合金的基体中加入少量Cu 和M (M =Nb,Ta,Mo,W 等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc 结构的超细晶粒(D 约10nm)软磁合金[1]。这时材料磁性能不仅不恶化,反而非常优良,这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为Fe 7315Cu 1Nb 3Si 1315B 9,牌号为Finemet 。其后,Suzuki 等人又开发出了Fe -M -B(M =Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm 系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe 基、Co 基、Ni 基[2]。由于Co 基和Ni 基不易于形成K 、K s 同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。故本文主要评述铁基纳米晶软磁合金,包括其制备方法、结构与性能的关系,尤其对晶化过程和优异磁性能的起因做了较为详细的评述,并对其应用及发展趋势做了展望。

2 铁基纳米晶软磁合金的制备方法

纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金[3~5]。

3 纳米晶软磁合金的结构与性能

311 合金的成份

纳米晶软磁合金的典型成份为Fe 7315Cu 1Nb 3Si 1315B 9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类:(1)铁磁性元素:Fe 、Co 、Ni 。由于Fe 基合金具有高Bs 的优势,且纳米晶合金可以实现K 和K s 同时为零,因而使L 值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课

题。

(2)非晶形成元素:主要有Si 、B 、P 、C 等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B 对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si 也是重要的非晶化元素,通常含量在6at%以上。含Si 量过高将使Bs 降低,含Si 量过低则不易形成非晶因而形成纳米晶较难;Si 还往往是纳米晶主相Fe -Si(A -Fe)的基本构成元素。(3)纳米晶形成元素,主要包括两类:一类是Cu 、Ag 、Au 及其替代元素,如Ib 族元素和Pt 系贵金属元素。这些金属在Fe 中的固溶度小或基本不固溶于Fe,晶化时首先与Fe 分离,造成该金属元素的富相区,起A -Fe 的形核作用。第二类是Nb 、Mo 、W 及其替代元素,如IVb 、Vb 、VIb 族元素等。这类元素的主要作用是扩散缓慢,阻止A -Fe 晶粒长大,从而保证晶粒的纳米尺寸,同时对降低K s 、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能有益,Cr 对耐腐蚀性也有明显作用。

图1显示了在823K 下退火112ks 的Fe 7315Cu 1M 3Si 1315B 9纳米晶合金的不同纳米晶形成元素与晶粒尺寸的关系,从中可以看出横坐标从Cu 到Mn 元素主要促进纳米晶的长大,而Zr 到W

元素起到抑制晶粒长大的作用。

图1 Fe 7315Cu 1M 3Si 1315B 9合金的平均晶粒尺寸D 与元素M 的关系

(4)调整元素,是根据特种需要而添加的少量元素,如

Ru 等,常用于磁头材料。

312 相结构与纳米晶晶化

31211 FINEME T 合金 纳米晶FeCuNbSiB 软磁合金主要是由A -Fe(Si)相和剩余非晶相组成。其中A -Fe(Si)晶粒尺寸约10~20nm,均匀分布在非晶合金的基体上。Fe -M -B(M=Zr,Hf,Nb 等)系纳米晶软磁合金也具有类似的结构特征[6~8]。

不少材料物理学者用高倍电镜、X -R 衍射仪、原子探针等现代分析仪器对Finemet 合金进行了研究,并有不少报道[9,10]。其显微结构如图2所示:(1)非晶态FeCuNbSiB 合金经晶化处理后,析出10~15nm 的体心立方(bcc)结构的A -Fe(Si)固溶体纳米晶,弥散分布在剩余相中,A -Fe(Si)相约占70%的体积分数,A -Fe(Si)相中含Si 约20at%,少量B,微量Cu 、Nb,且纳米晶取向无规;(2)剩余相是非晶相,含富

Nb 、B,少量Fe 、Si(Fe 3Si 、Fe 2B 4、Fe 2B);(3)剩余相还有几个

纳米粒径的Cu 原子团,还含少量Fe<30at%。

图2 FeCuNbSiB 非晶合金晶化处理后的结构

大量研究表明,Cu 、Nb 元素是Fi nemet 纳米晶形成的关键元素[11,12]

。在非晶晶化过程中,由于Cu 在Fe 中的固溶度很小,故在退火过程中,较低温度时Cu 与Fe 趋于分离形成富Cu 区、富Nb 区和富Fe 区。由于富Fe 区的A -Fe(Si)相晶化温度低,因而优先形核,而环绕A -Fe(Si)固溶体晶粒周围的富Cu 区和富Nb 区由于他们的晶化温度高难于晶化,从而阻碍了A -Fe(Si)固溶体晶粒的长大,使其具有均匀细小纳米晶结构而有较好的热稳定性。Cu 的加入使得A -Fe (Si)固溶体晶化温度大为降低,避免在退火中A -Fe(Si)晶体与Fe -B 化合物晶体同时析出。这一A -Fe(Si)晶化过程反复在FeCu NbSiB 系非晶的各处进行,最终形成纳米晶软磁结构。

Hono 等人[13]利用APFIM 和HRTEM 对550e 退火处理Fe 7315Si 1315Cu 1Nb 3B 9的研究表明,在550e 退火初期,通过非晶相中Spinodal 分解或形核,形成了含Cu 约20at%的细小纳米原子团,引起了Fe 的浓度起伏,增加了晶体形核密度。一旦A -FeSi 相形核,Nb 、B 就被排出到非晶相中。随着退火的进行,A -FeSi 长大,Si 增加,Cu 原子团中Cu 的浓度也在增大。由于Nb 、B 在非晶相中起到稳定作用,阻止了A -FeSi 晶粒的继续长大。在最佳晶化状态下,体系中共存在三个不同的相:第一相是bcc 结构的A -Fe (Si),其中包含有约20at%Si,少量的B,不含Cu 和Nb;第二相是剩余母体非晶相,其中含10~15at%的Nb 和B,5at%左右的Si,不含Cu;第三相是富Cu 颗粒,含Cu 约60at%,分别都少于5at%的Si 、Nb 和B,其余为Fe,尺寸约5nm 。富Cu 颗粒在室温下显顺磁性,但是由于其尺寸与畴壁厚相比太小,并不对体系的软磁性能产生不利影响。

Koster 研究了FeCuNbSiB 系非晶晶化动力学,认为A -Fe (Si)固溶体晶粒长大为Nb 扩散控制过程[14]。在FeCu NbSiB 系非晶中,Nb 的原子尺寸最大,而且在非晶中的扩散跃迁机制为原子的协同运动方式,即运动过程涉及的原子较多,扩散较为缓慢,因而使A -Fe(Si)固溶体晶粒长大速度较低,保持细小晶粒尺寸。由于A -Fe(Si)晶体自非晶中析出,则在非晶中发生Nb 、B 富集[14]。如果把富集的Nb 、B 原子团

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材料科学与工程学报

2004年6月