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FeSiBPCu非晶纳米晶软磁合金的制备及磁性能研究

袁亚东  
【摘要】:铁基非晶纳米晶合金具有优异的软磁性能且生产工艺简单、能耗低、污染小,在磁性材料领域具有广泛的应用前景。然而,较低的非晶形成能力和较差的热稳定性严重限制铁基非晶纳米晶合金在实际生产中的应用。因此,开发具有较好的非晶形成能力、宽的退火温度区间及优良磁性能的铁基非晶纳米晶软磁合金成为材料学界研究的热点,具有重要的应用和学术意义。本文主要采用元素替代的方法对合金进行成分设计,通过单辊快淬甩带法和等温退火工艺制备FeSiBPCu系非晶纳米晶合金。利用X射线衍射表征淬态合金条带的组织结构及等温退火过程中α-Fe晶粒的长大过程,通过差示扫描量热法对淬态合金条带的热力学性能进行分析。此外,还采用振动样品磁强计测量淬态合金条带和退火后带材的软磁性能,系统的研究了组成元素和等温退火工艺对合金条带的组织结构和软磁性能的影响,获得具有低矫顽力和高饱和磁化强度的铁基纳米晶软磁材料。实验结果表明,Fe_(83)Si_4B_(10)P_2Cu_1合金具有较低的非晶形成能力,仅在铜辊转速为40 m/s,才得到完全非晶结构的合金条带。而在低转速淬态合金条带中的α-Fe纳米晶存在择优取向,且其织构为(200)晶面平行于薄带表面。Nb元素的添加能够有效的提高合金的非晶形成能力和热稳定性,并且会提高合金的形核和长大激活能。对Fe83-xSi4B10P2Cu1Nbx系非晶合金进行等温退火处理,发现Nb元素的添加能够抑制α-Fe晶粒长大,拓宽有效退火温度区间并延长有效退火时间,提高退火过程的可控性。在Fe83-xSi4B10P2Cu1Nbx合金系中,Fe82.1Si4B10P2Cu1Nb0.9非晶合金退火后的综合软磁性能最好,在753 K退火30 min后得到晶粒尺寸约为19.6 nm的纳米晶软磁合金,其矫顽力为7.6 A/m、饱和磁化强度为177.3 emu/g。为了降低成本,选用P元素替换B元素,提高合金中的P元素含量。研究表明,在Fe_(83)Si_4B_(12-x)P_xCu_1合金系中,P替代B会降低合金的非晶形成能力,同时P元素的添加会使α-Fe相晶化温度降低,并恶化合金淬态时的软磁性能。另一方面,P元素的添加能够有效抑制退火过程中α-Fe晶粒的长大,拓宽该合金系的有效退火温度区间,减弱合金退火过程中矫顽力的温度敏感性。在P含量为8、10 at.%时,P元素添加对α-Fe纳米晶长大的抑制效果显著,获得较大的有效退火温度区间,分别为100 K和80 K。经过相同退火工艺退火后,Fe83Si4B4P8Cu1纳米晶合金的综合软磁性能最好,在753 K退火5 min后得到的纳米晶合金具有最优的软磁性能,其矫顽力为7.6 A/m、饱和磁化强度为179.8 emu/g。


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