退火处理对fe-ni-b-si非晶合金软磁性能的影响

非晶合金软磁性能的影响王江月，孙志刚，熊新，俞涛*作者简介：王江月（1984年1月），男，硕士，软磁性非晶合金.E-mail:[e-mail]（武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉430070）摘要：根据DSC结果，对通过铜辊甩带法制备出的名义成分为Fe40Ni40B20-xSix合金条带样品进行不同温度下的退火处理。用X射线衍射仪（XRD）和振动样品磁量计（VSM）分别测试退火条带样品的相组成和磁性能。退火处理使得样品的饱和磁化强度呈现先增大后减小的趋势，而矫顽力恰恰相反。退火处理引起的微观结构变化是造成这种结果的根本原因。关键词：Fe-Ni-B-Si非晶合金，退火处理，软磁性中图分类号：请查阅《中国图书馆分类法》AffectofannealingonFe-Ni-B-SiamorphousalloysoftmagneticpropertiesWangJiangyue,SunZhigang,XiongXin,YuTao(StateKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyonMaterialSynthesisandprocessing,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)Abstract:AccordingtoDSCresults,thenominalFe40Ni40B20-xSixalloyribbonswhichwerepreparedbymelt-spinningwereannealedunderdifferenttemperatures.AnnealedribbonsweremeasuredbyX-raydiffraction(XRD)andvibratingsamplemagnetometer(VSM)forphasecompositionandmagneticcharacteristics.Annealingprocessmakesthesamplesshowedthesaturationmagnetizationincreasesfirstandthendecreasedasthecoerciveforceonthecontrary.Annealinginducedchangesinthemicrostructureoftherootcausesofthisresult.Keywords:Fe-Ni-B-Simetallicglasses;annealingprocess;soft-magnetization0引言金属软磁材料是由磁性元素与非磁性元素（结构调节元素和类金属元素）组合而成，以获得材料最佳磁性和优异综合特性为目的[1-5]。金属软磁材料的研究，始于1890年Guillaurme发明不变钢（Invar）合金，36Ni-Fe合金。20世纪50年代开始研究非晶合金，以后逐渐开发出非晶软磁材料。20世纪60年代，材料研究人员将液态金属以106℃/s冷却速度直接冷却，形成厚度为0.02mm-0.04mm的固体薄带[6]，得到原子排列组合上具有短程有序、长程无序特点的非晶合金组织，不具备传统金属材料的晶体结构。它具有与传统材料不同的性能特点，如优异的软磁性能、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。目前，非晶软磁材料主要分为4大类：Fe基非晶、Fe-Ni基非晶、Co基非晶和Fe基非晶-纳米晶材料[7]。Fe-Ni基非晶合金因其较低的饱和磁化强度，应用范围有限。本文着重研究Fe-Ni-B-Si这一新体系软磁性非晶合金在不同温度下退火处理后的微观结构变化对磁性能的影响。的Fe，Ni块体纯金属、块体硼铁（质量百分数wt(B)=21.1%）和单晶硅片为原料，按名义成分为Fe40Ni40B20-xSix（x=2、4、5、6、8）制备非晶态合金条带，条带厚度为30-40μm，宽度为4-5mm。条带样品的非晶结构用RigakuUltimaⅢX射线衍射仪进行测定，采用单色CuKα辐射源。用美国TA公司的Q20型DSC测量样品的玻璃转变、晶化行为和过冷液相区。样品粉碎后放入Al坩埚中，在高纯氩气中升温，升温范围为393-1373K，升温速率为10K/min。用Model4HF型VSM对条带样品进行室温磁性能测量，条带方向平行于磁场方向。将样品做石英管封管处理以进行退火处理。2实验结果与讨论图1为制备成条带的Fe40Ni40B20-xSix(x=2，4，5，6，8)XRD图谱，从图中可以看出，所有样品均没有出线明显的晶态衍射峰，由此可以推断所有样品都为非晶结构。1020304050607080x=8x=6x=5x=4Intensity(a.u)2Theta(Degrees)Fe40Ni40B20-xSixx=2图1Fe40Ni40B20-xSix(x=2，4，5，6，8)合金急冷态样品X射线衍射图谱Fig.1XRDpatternsofFe40Ni40B20-xSix(x=2，4，5，6，8)melt-quenchedribbons由图2可知，Fe40Ni40B20-xSix(x=2，4，5，6，8)非晶条带的玻璃转变温度Tg、晶化温度Tx分别为718K，711K，699K，727K和729K，730K，736K，776K（x=8时未出现Tg和Tx）。300400500600700800TxExo.HeatFlowTemperature(K)Tgax=8x=6x=5x=40.17K/sx=2110011501200125013001350TmExo.HeatFlowTemperature(K)bx=2x=6x=8x=5x=40.17K/s 图2Fe40Ni40B20-xSix（x=2、4、5、6、8）的(a)玻璃转变温度Tg和晶化温度Tx；(b)熔化起始温度TmFigure.2(a)glasstransitionandcrystallizationtemperature；(b)meltingpointofFe40Ni40B20-xSix（x=2、4、5、6、8）由图3(a)可知，5个样品均为室温软磁性材料，饱和磁化强度分别为94.14，102.89，，106.48和96.83Am2/Kg；如图3(b)所示，Hc分别为0.057，0.056，0.043，0.039和0.044A/m。-200-150-100-50050100150200-100-50050100Appliedfield(A/m)x=8x=6x=5x=4x=2Magnetization(Am2/kg)a-0.15-0.10-0.050.000.050.100.15-1.0-0.50.00.51.0x=8x=6x=5x=4x=2Appliedfield(A/m)bMagnetizition(Am2/Kg)图3Fe40Ni40B20-xSix（x=2、4、5、6、8）的(a)M-H曲线；(b)局部放大图Figure.3(a)Hysteresisloop；(b)LocalenlargementofFe40Ni40B20-xSix（x=2、4、5、6、8）图4Fe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)非晶条带在400℃下退火1h的XRD图谱Fig.4XRDpatternsofFe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)ribbonsannealedat400℃for1h从图4中可以看出，经过低于Tg的温度下退火处理后，所有条带仍为非晶结构，没有出现任何晶态衍射峰，说明在低于Tg的温度时，该体系有着良好的热稳定性。由图5(a)可知，5个样品在450℃下退火处理1h后为室温软磁性材料，饱和磁化强度分别为100.8，109.1，111.7，112.9和103.7Am2/Kg；如图5(b)所示，Hc分别为0.044，0.043，0.033，0.030和0.034A/m。-200-150-100-50050100150200-120-80-4004080120Magnetization(Am2/Kg)AppliedField(A/m)x=2x=4x=5x=6x=8Fe40Ni40B20-xSixa400℃1h-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.20-0.8-0.40.00.40.8Magnetization(Am2/Kg)AppliedField(A/m)x=2x=4x=5x=6x=8Fe40Ni40B20-xSixb400℃1h图5Fe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)在400℃下退火处理1h后的(a)M-H曲线；(b)局部放大图Figure.5(a)Hysteresisloop；(b)LocalenlargementofannealedFe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)at400℃for1h对比退火前的M-H曲线，我们不难发现，Fe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)非晶合金条带样品在低于Tg的温度下退火处理后，饱和磁化强度均有明显增大，而矫顽力均有减小。结合XRD图谱，推断在热处理过程中，非晶相中有纳米晶形成与长大，这也与DSC曲线中出现对应玻璃转变过程的吸热台阶相吻合，而且从之后的XRD图谱我们可以得知，这些纳米晶相的结构大都为b.c.c.结构的(Fe，Ni)相。纳米晶相的形成，增大了样品中磁性成分的体积分数，纳米磁性相与非晶基体中残余磁性相之间的磁耦合作用，进而增大饱和磁化强度。纳米晶相与非晶相间的元素进行再分配达到低的磁致伸缩，从而降低矫顽力。★★★x=8x=6x=5x=4Intensity(a.u)2Theta(Degrees)450℃,1hx=2◆◆◆◆●●◆◆★★★★★◆●●●B6-xSiB(Fe,Ni)3★(Fe,Ni)图6Fe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)非晶条带在450℃下退火1h的XRD图谱Fig.6XRDpatternsofFe40Ni40B20-xSix(x=2、4、5、6、8)ribbonsannealedat450℃for1h从图6中可以看出，在高于Tg的温度下退火处理后，x=2时，退火样品中有许多B(Fe，Ni)3的晶态衍射峰和B6-xSi的晶态衍射峰，通过高于玻璃转变温度Tg的退火处理后，样品成分中出现了B(Fe，Ni)3的晶体结构，和极少量的B6-xSi晶体结构。x=4、5、6、8时，退火样品均出现Fe、Ni固溶体(Fe，Ni)的晶态衍射峰，其中x=4样品也出现部分B6-xSi晶态衍射峰。x=2和4时，B原子含量较高，可能是在加热过程中形成B(Fe，Ni)3和B6-xSi相的主要原因。x=4出现较多B6-xSi衍射峰，说明B6-xSi含量较高，继续加热容易形成B6-xSi相，这与DSC曲线出现两个晶化放热峰相吻合，同时，x=5、6、8没有B6-xSi衍射峰说明热稳定较x=2、4要好，这也与DSC结果吻合。个人认为Fe、Ni、B、Si四种原子共同形成原子团簇，即非晶相，在这个热处理过程中，Fe、Ni原子以(Fe，Ni)的形式开始从非晶相中析出，逐渐晶化，非晶基体中剩余的B、Si形成B6-xSi，过多的B原子又和析出的(Fe，Ni)形成B(Fe，Ni)3。由图7(a)可知，5个样品在450℃下退火处理1h后为室温软磁性材料，饱和磁化强度分别为96.96，104.9，107.4，108.6和99.73Am2/Kg；如图7(b)所示，Hc分别为0.653，0.479，0.302，0.247和0.483A/m。-200-1