含類金屬及全金屬組元高鐵非晶合金的形成與磁性能研究.pdf

1、鐵基非晶/納米晶合金，由于具備優(yōu)良的軟磁性能，如高的飽和磁化強度，低的矯頑力以及高的初始磁導率，可以普遍應用于磁傳感器、變壓器、電子、電信設施以及航天、衛(wèi)星通信等領域。而且，在電力系統(tǒng)中，是代替硅鋼片最理想的綠色材料，從而引起了相當大的關注度。然而，相比于Zr基、Pt基、Ni基等合金，鐵基非晶合金的形成能力受到較大局限性，在成分上極其依賴于類金屬元素（B，Si，P等）的加入。有研究表明，鐵基非晶合金的軟磁性能和室溫脆性與類金屬元素的種類

2、、含量及分布密切相關。因而，減少類金屬元素的含量和提高鐵磁性元素的含量，開發(fā)出新型的、具備優(yōu)良軟磁性能的全金屬組元鐵基非晶合金具有很重要的應用和學術意義。
　　本文采用Inoue經驗準則、相似元素替代法和微量元素添加法進行成分設計與優(yōu)化，通過單輥甩帶工藝制備了一系列含少量類金屬元素Fe-(Zr，Hf)-(B，Si)系、Fe-M-Si-B系以及全金屬組元(Fe，Co，Ni)-TM-X系高鐵含量鐵基非晶合金薄帶。利用XRD、DSC、V

3、SM以及軟磁直流測試儀等檢測手段對帶材的相結構和軟磁性能進行了測試和表征;通過微合金化技術，研究了(Fe，Co)-Hf-Zr-B非晶合金在不同含量Cu摻雜后的相結構和軟磁性能的變化規(guī)律。同時對制備的兩種全金屬組元高鐵含量Fe基非晶合金的形成能力(GFA)、晶化動力學、晶化析出相以及退火前后的軟磁性能進行了研究，并與同類型的含少量類金屬元素的鐵基非晶合金進行了對比。主要開展了以下實驗:
　　1)在高鐵含量Fe90Zr7-xHfxB3

4、(x=0，1，2，3，4，5，6，7)合金中，研討了Hf元素逐步代替Zr元素對合金的GFA、熱穩(wěn)定性以及軟磁性能的影響。結果表明:Hf元素的逐步增加，合金形成了非晶態(tài)結構，兩級起始晶化溫度的差值ΔT具有增大的趨勢，合金的熱穩(wěn)定性逐漸增加。Fe90Zr7-xHfxB3合金ΔT值的變化范圍在230～260℃之間，高于其他鐵基非晶合金系，具有更為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及更寬泛的熱處理溫度區(qū)間。然而，此合金系在淬態(tài)下的軟磁性能比較差，可以通過適當退火

5、優(yōu)化其軟磁性能。
　　2)在高鐵含量Fe90-xZr10Six(x=1，2，3，4，5，10)合金中，研討了Si元素的變化對合金的GFA以及軟磁性能的影響。結果表明:不同含量Si元素的參與，合金的GFA具有明顯的差異?？傮w上合金的GFA較弱，依賴于Si元素的含量，當Si含量為3 at.％時才能形成非晶態(tài)結構。其ΔT=169.1℃，略低于Fe-(Zr，Hf)-B合金系，其熱穩(wěn)定性較Fe-(Zr，Hf)-B合金系要差，而軟磁性能比Fe

6、-(Zr，Hf)-B合金系要好，Fe87Zr10Si3非晶合金在淬態(tài)下飽和磁化強度Ms=111.4 emu/g，矯頑力Hc=39.1 A/m。
　　3)在高鐵含量Fe84M3B8Si5(M=Ti，Zr，Mo，Hf, Nb)合金中，研究了不同前過渡金屬元素M對GFA與軟磁性能的影響。結果表明:合金的GFA與M元素的種類關系密切，Mo和Hf元素的加入更有利于Fe84M3B8Si5非晶合金的形成。在Fe84Mo3B8Si5和Fe84Hf

7、3B8Si5合金中，ΔT達到最大值約298℃，表現出最優(yōu)異的熱穩(wěn)定性?？傮w上，Fe84M3B8Si5合金表現出較好的軟磁性能，其中具有非晶態(tài)結構的Fe84Mo3B8Si5合金表現最優(yōu)異的軟磁性能，其Ms=152.8 emu/g，Hc=11.3 A/m。在550～650℃之間退火時，Fe84M3B8Si5(M=Zr，Mo，Hf)合金的Ms可達177.0～195.7 emu/g。
　　4)研究了Co替代部分Fe對Fe85-xCoxHf

8、8Zr1B6(x=0，10，20，30，40)合金GFA、熱穩(wěn)定性與軟磁性能的影響。結果表明:10～30 at.％的Co添加提高了該合金系的GFA和熱穩(wěn)定性。淬態(tài)Fe85Hf8Zr1B6合金帶材的Ms僅為59.2 emu/g，Hc為2.9 A/m。添加Co后，淬態(tài)合金的Ms大幅度提高，在Co含量為20 at.％時達到最大值124.0 emu/g。
　　5)研究了微量Cu摻雜對最優(yōu)成分Fe65Co20Hf8Zr1B6非晶合金的晶化析

9、出相及退火前后軟磁性能的影響。結果表明:淬態(tài)下Fe64.5Co20Hf8Zr1B6Cu0.5非晶合金表現出最佳的軟磁性能，Ms=116.4 emu/g，Hc=6.9 A/m。然而，在550℃退火后，Fe63Co20Hf8Zr1B6Cu2非晶合金表現出最佳的軟磁性能，Ms達到最大值139.2 emu/g，而Hc依然保持低值，約為7.8 A/m。
　　6)在先前探索的基礎上制備了全金屬組元(Fe1-x-yCoxNiy)72Cr15Zr

10、10W3(x=0,0.25，y=0，0.25)非晶合金。研究表明:當x=0.25、y=0.25時形成了完全非晶態(tài)結構，其Hc為5.0 A/m。采用Kissinger模型和Ozawa模型計算出的初始晶化激活能和晶化峰值激活能分別為Ex(K)=331.8 kJ/mol和Ep(K)=255.5 kJ/mol;Ex(O)=329.7 kJ/mol和Ep(O)=246.9 kJ/mol，通過兩模型所計算的激活能值非常接近。并且，該非晶合金的晶化體

11、積分數與溫度的關系曲線呈規(guī)則的“S”型，隨著加熱速率的增加，關系曲線明顯向高溫處移動。
　　7)成功制備了全金屬組元高鐵含量Fe89Hf7Zr1Al3非晶合金，并與含少量類金屬元素的Fe89Hf7Zr1B3合金進行對比實驗。結果表明:全金屬組元Fe89Hf7Zr1Al3合金與含3 at.％類金屬元素B的Fe89Hf7Zr1B3合金能夠形成完全非晶態(tài)結構。兩種非晶合金的DSC曲線上均呈現出兩個明顯的放熱峰，而Fe89Hf7Zr1Al

12、3非晶合金的ΔT值為50.7℃，明顯低于Fe89Hf7Zr1B3非晶合金的ΔT值200.8℃。表明X從非金屬元素向金屬元素轉變，非晶合金熱穩(wěn)定性有降低的趨向。
　　8)對Fe89Hf7Zr1Al3和Fe89Hf7Zr1B3非晶合金的晶化動力學和軟磁性能進行了分析和對比，結果表明:采用Kissinger方程和Ozawa方程計算出來的Fe89Hf7Zr1B3和Fe89Hf7Zr1Al3非晶合金的晶化激活能都呈現出Ep2＞Ex2＞Ep1

13、＞Ex1的變化規(guī)律。在淬態(tài)下，Fe89Hf7Zr1Al3非晶合金表現出十分優(yōu)異的軟磁性能，其Ms=165.1 emu/g，Hc=4.3A/m，Tc=336.6℃;而Fe89Hf7Zr1B3非晶合金的軟磁性能相對較差，其Ms=65.8 emu/g，Hc=17.4 A/m，Tc=326.8℃。Fe89Hf7Zr1Al3非晶合金在375℃低溫退火時具有最優(yōu)異的軟磁性能，Ms=165.3 emu/g，Hc=3.5 A/m;而Fe89Hf7Zr1