Fe基软磁非晶态合金的研究

JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience)Dec1　2002Vol123　No14

　　文章编号:1671-6833(2002)04-0030-03

Fe基软磁非晶态合金的研究

李福山

(郑州大学材料工程学院,河南郑州450002)

摘　要:从合金的非晶形成能力和磁性能两个方面对多组元铁基非晶Fe2Ni2P2B(TM2M)系和Fe2Co2Ni2

Zr2Nb2B(TM2(Zr,Nb)2M)系的成分设计进行了分析,采用单辊铜轮快速急冷(quenching)的方法制取非晶条带,X射线衍射及透射电镜(TEM)分析均证明:本研究制得试样为均匀的非晶合金.此外,从非晶合金的磁滞回线上可知,所制得的Fe基非晶合金具有良好的磁性能.关键词:非晶合金;Fe基;软磁性能中图分类号:TG141　　　文献标识码:A

　　在以往八千年中,人类所使用的金属都是晶

态材料.历史上第一次报道制备出非晶态合金的是克雷默(Kramer),其制备工艺为蒸发沉积法,其后,不同的工艺方法被采用以制备非晶态合金.具有工程应用意义的是1960年杜韦兹(Duwez)[1]及其同事们发明了直接将熔融金属急冷(quenching)制备出非晶态合金的方法,自那时起,对于非晶合金的研究取得了巨大进展,由于非晶态合金具有优异的机械性能,抗腐蚀性能及磁性能,某些合金系的非晶具有良好的应用前景.其中在铁磁性非晶合金领域,无论是研究还是应用都取得了很大的成就.例如,过渡金属一类金属(TM2M)非晶合金已应用于各种变压器、传感器铁芯.它具有传统的磁性材料无以比拟的优异的磁性能.但由于形成铁基(Fe2based)非晶所需的临界冷却速度Rc很大,一般Rc≥104K/s,增加了铁基非晶合金制备的难度.为了制得某系列铁基非晶,就必须对该系列的铁基非晶的非晶形成能力(GFA)和相应的制备工艺进行研究,还应探讨并测定其磁性能.本文研究的即为多组元铁基非晶Fe2Ni2P2B(TM2M)系和Fe2Co2Ni2Zr2Nb2B(TM2(Zr,Nb)2M)系的成分设计、制备工艺和性能检测等方面的工作.

临界冷却速度Rc、过冷液相区ΔTx和约化温度

Tg/Tl(Tl为液相线温度)等,其中,ΔTx较为常用.A1Inoue[2]提出了通常具有较宽的过冷液相区合

金系应遵循的三条经验准则:①选择含有3种以上组元的多元合金系;②组元之间的原子半径差应在12%以上;③组元间的混合热应为大的负值.另外,接近共晶成分的合金也容易形成非晶[1].

根据以上原则,本文选择的合金系为Fe2Ni2P2B和Fe2Co2Ni2Zr2Nb2B(TM2(Zr,Nb)2M),对于Fe2Ni2P2B系,其原子半径符合[3]:Fe,NiµP>B;对于(Fe,Co,Ni)2(Zr,Nb)2B系,其原子半径符合:ZrµNbµFeµCo>NiµP>B,主组元半径差均在12%以上.通过Miedema[4]模型计算,可得出合金中(Fe,Co)与(Zr,Nb)以及它们与B之间的混和热

均为负值,分别是:Zr2Fe为-3117kJ/mol;Zr2Co为5110kJ/mol;Zr2B为-10617kJ/mol;Fe2B为4211kJ/mol;Co2B为-4318kJ/mol;Nb2B为-7410kJ/mol;Nb2Fe为-1710kJ/mol;Nb2Co为-2614kJ/mol.另外,Nb的加入有两个作用:①Nb为高熔点(2741K),远高于Zr的熔点(2398K),使得该合金从过冷液体向晶化相的转变变得更加困难;②实验证实,由非晶向纳米晶转变时,Nb能起到细化纳米晶晶粒尺寸的作用.但Nb量过高则会导致过冷度ΔTx(=Tx-Tg)降低,合适的值为2左右.

1　成分设计

铁基磁性非晶合金的成分设计应追求两个目标,一是具有高的玻璃形成能(GFA),同时还应具有良好的磁性能.衡量GFA的参数很多,其中有

　　收稿日期:2002-08-20;修订日期:2002-09-30

　　基金项目:郑州大学青年骨干教师基金资助项目;河南省自然科学基金资助项目

　　作者简介:李福山(1963-),男,河南省郑州市人,郑州大学副教授,博士研究生,主要从事非晶合金方面的研究.

第4期　　　　　　　　　　　　　李福山　Fe基软磁非晶态合金的研究　　　　　　　　　　　　　　　　　31

2　实验方法

211　母合金的熔炼

(GFA).

313　磁性检测与分析

金属元素分别以纯Fe,Co,Ni,Zr,Nb加入,类金属B以Fe2B合金的形式加入,P以Fe2P合金的形式加入,使其定量关系分别符合原子百分比Fe40Ni40P14B6和Fe56Ni7Co7Zr715Nb215B20.在真空电弧炉中将配好的合金熔炼均匀,将炉腔内真空度抽至2×10-3Pa的高真空,然后再向其中充入一个大气压的氩气,在氩气保护条件下,用电弧将所配原料熔炼5遍以保证所炼母合金成分均匀.212　试样制备

采用单辊铜轮喷射旋转冷体急冷的方法,由于其冷却速度快,初始急冷速度约达106K/s,所以是制备非晶的有效方法,将部分炼好的母合金置于石英管中,在氩气保护下,用高频感应熔炼的

),然后落方法将其熔化到Tl+25℃(约1400℃

至铜轮上表面,在0106～0108MPa的氩气压力下将熔融金属喷至高速(600～1500r/min)旋转的铜轮表面,根据转速和英管喷嘴尺寸的不同喷制出厚40～100μm,宽约10mm的条带.213　检测仪器

所制试样用PhilipsPW21700型XRD仪检测其结构;用JEM2000FX型TEM来进一步确定其微观结构;用DSC来确定试样的玻璃化转变温度Tg和晶化温度Tx;用VSM即振动样品磁强计来测定试样的磁滞回线和磁化率曲线.

图6是Fe40Ni40P14B6非晶合金的磁滞回线.从图中所标数据可知,该Fe基非晶合金具有较好的软磁性能,其饱和磁感应强度约达018T,矫顽力约为557A/m.

图1　F40Ni40P14B6合金条带的XRD

Fig11　X2raydiffractionpatternsforF40Ni40P14B6ribbon

3　试验结果与讨论

311　结构检测与分析

图2　Fe56Ni7Co7Zr715Nb215B20合金条带的XRD

Fig12　X2raydiffraotionpatternsforFe56Ni7Co7Zr715Nb215B20ribbon

图1、图2分别是Fe40Ni40P14B6合金条带和

Fe56Ni7Co7Zr715Nb215B20合金条带的X射线衍射强度图.从图中所得衍射线曲线可知,除宽峰外无结晶相的衍射峰出现,证明所制试样均为完全非晶结构.

为了进一步从微观结构上确定所制试验为完全非晶,本文还对其在TEM上做了明场像和选区电子衍射检测.图3和图4分别是Fe40Ni40P14B6条带和Fe56Co7Ni7Zr715Nb215B20条带的TEM选区电子衍射花样图形,从图中宽衍射环可确定试样所为非晶结构.312　非晶稳定性

图5是Fe56Co7Ni7Zr715Nb215B20合金的DSC曲线.从图中可知:Tg=545℃,Tx1=585℃,ΔTx=40℃,说明该合金具有较强的非晶形成能力

图3　F40Ni40P14B6合金条带的TEM选区电子衍射

Fig13　TEMselected2areaelectrondiffraction

patternsofF40Ni40P14B6ribbon

　　　　　　　　　　　　　　　　　郑州大学学报(工学版)　　　　　　　　　　　　　　　2002年32

图6　Fe40Ni40P14B6非晶合金的磁滞回线图4　Fe56Ni7Co7Zr715Nb215B20合金条带的TEM选区电子衍射Fig14　TEMselected-areaelectrondiffractionpatternsofFe56Ni7Co7Zr715Nb215B20ribbon

Fig16　HysteresisJ2Hloopsofthemelt2spun

Fe40Ni40P14B6alloy

4　结论

(1)A1Inoue提出的三条经验准则可提高非晶

形成能力(GFA),在进行合金成分设计时应遵循.

(2)本文所研究的Fe40Ni40P14B6和Fe56Ni7Co7Zr715Nb2152B20合金在合适的制备工艺下

形成了非晶结构,并具有较好的软磁特性.

参考文献:

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York:JohnWileys,19831

[2]　INOUEA1Stabilizationofmetallicsupercooledliquidand

bulkamorphousalloys[J]1Acta1mater,2000,48:279-3061

[3]　陈文智1大块非晶材料的进展[J]1金属功能材料,

1997,4(1):1-61

[4]　荣传兵,徐　民,赵玉华,等1具有宽过冷液相区的

Fe62Co8-x(Cr)xNb4Zr6B20非晶态合金的热稳定性与

图5　Fe56Ni7Co7Zr715Nb215B20合金快淬

非晶条带的DSC曲线

Fig15　Differentialscanningcalorimetric(DSC)curves

ofthemelt2spunFe56Ni7Co7Zr715Nb215B20alloy

磁性[J]1物理学报,2001,50(11):2235-22391

StudyonFe2basedGlassyAlloyswithSoftMagneticProperties

LIFu-shan

(CollegeofMaterialsEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China)

Abstract:Inthispaper,compositiondesigning,preparingtechniqueandpropertiesdeterminationforFe2basedamor2

phousFe40Ni40P14B6andFe56Co7Ni7Zr715Nb215B20withsoftmagneticpropertiesareanalyzed1Frombothsidesoftheglassformation(GFA)andsoftmagneticpropertyoptimization,thecompositiondesignforFe-basedamorphousFe40Ni40P14B6andFe56Co7Ni7Zr715Nb215B20withsoftmagneticpropertiesisanalyzed1Fe2basedamorphousFe40Ni40P14B6ribbonandFe56Co7Ni7Zr715Nb215B20ribbonwithsoftmagneticpropertieshasbeenpreparedbymeltspinning1TheamorphousstructureisconfirmedbyX2raydiffractionandTEMbright2fieldelectronmicrographandselected-areaelectrondiffractionpatternsofthesamples1Furthermore,thealloyshavegoodsoftmagneticproperties1Keywords:amorphousalloys;Fe2based;softmagneticproperties