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(qiáng)度，低的矯頑力以及高的初始磁導(dǎo)率，可以普遍應(yīng)用于磁傳感器、變壓器、電子、電信設(shè)施以及航天、衛(wèi)星通信等領(lǐng)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(dāng)大的關(guān)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(guān)。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(yīng)用和學(xué)術(shù)意義。
　　本文采用Inoue經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則、相似元素替代法和微量元素添加法進(jìn)行成分設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和軟磁性能進(jìn)行了測試和表征;通過微合金化技術(shù)，研究了(Fe，Co)-Hf-Zr-B非晶合金在不同含量Cu摻雜后的相結(jié)構(gòu)和軟磁性能的變化規(guī)律。同時(shí)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(xué)、晶化析出相以及退火前后的軟磁性能進(jìn)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(jìn)行了對比。主要開展了以下實(shí)驗(yàn):
　　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(jié)果表明:Hf元素的逐步增加，合金形成了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，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(dāng)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(jié)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(dāng)Si含量為3 at.％時(shí)才能形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。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，F(xiàn)e87Zr10Si3非晶合金在淬態(tài)下飽和磁化強(qiáng)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(jié)果表明:合金的GFA與M元素的種類關(guān)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(dá)到最大值約298℃，表現(xiàn)出最優(yōu)異的熱穩(wěn)定性?？傮w上，F(xiàn)e84M3B8Si5合金表現(xiàn)出較好的軟磁性能，其中具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的Fe84Mo3B8Si5合金表現(xiàn)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(shí)，F(xiàn)e84M3B8Si5(M=Zr，Mo，Hf)合金的Ms可達(dá)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(jié)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(shí)達(dá)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(jié)果表明:淬態(tài)下Fe64.5Co20Hf8Zr1B6Cu0.5非晶合金表現(xiàn)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，F(xiàn)e63Co20Hf8Zr1B6Cu2非晶合金表現(xiàn)出最佳的軟磁性能，Ms達(dá)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(chǔ)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(dāng)x=0.25、y=0.25時(shí)形成了完全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其Hc為5.0 A/m。采用Kissinger模型和Ozawa模型計(jì)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(jì)算的激活能值非常接近。并且，該非晶合金的晶化體

11、積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系曲線呈規(guī)則的“S”型，隨著加熱速率的增加，關(guān)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(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(jié)構(gòu)。兩種非晶合金的DSC曲線上均呈現(xiàn)出兩個(gè)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(zhuǎn)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(xué)和軟磁性能進(jìn)行了分析和對比，結(jié)果表明:采用Kissinger方程和Ozawa方程計(jì)算出來的Fe89Hf7Zr1B3和Fe89Hf7Zr1Al3非晶合金的晶化激活能都呈現(xiàn)出Ep2＞Ex2＞Ep1

13、＞Ex1的變化規(guī)律。在淬態(tài)下，F(xiàn)e89Hf7Zr1Al3非晶合金表現(xiàn)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(shí)具有最優(yōu)異的軟磁性能，Ms=165.3 emu/g，Hc=3.5 A/m;而Fe89Hf7Zr1