Finemet合金元素取代改性研究进展

1988年日本日立公司的Yoshizawa等人首先发现在Fe-Si-B非晶合金的基体中加入少量Cu和Nb, 经适当温度晶化退火以后, 可以获得一种性能优异的具有体心立方结构的超细晶粒 (D=10~15nm) 纳米晶软磁合金, 其典型组成为Fe73.5Cu1.0Nb3.0Si13.5B9.0, 牌号为Finemet。Finemet合金虽然具有优异的磁性能, 但也存在不足:例如饱和磁感应强度Bs较低 (在1.1~1.2T之间) , 高温 (T>300℃) 及高频 (f>105Hz) 条件下合金的磁导率很低。为了拓展Finemet合金的应用领域和降低生产成本, 研究人员对其进行了元素取代改性研究, 并已取得很大进展。目前Finemet合金元素取代改性研究主要集中于同族或相邻元素对Fe、Cu、Nb元素的取代。

1 Finemet型合金Fe被取代的研究

1.1 Finemet型合金Fe被Co取代的研究

Co与Fe都属于铁磁性材料, 元素周期表上处于相邻位置。Co部分取代Finemet中的Fe后, 合金具有较高的居里温度和高频磁性能。丁燕红[1]发现 (Fe50Co50) 73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金平均粒径为20nm, 淬态合金的居里温度达450℃。Co降低了晶化温度, 提高了初始磁导率。Mazaleyrat研究发现 (Fe1-xCox) 73.5Cu1Nb3Si13.5B9 (x=0~0.8) 合金的Fe-CoSi纳米晶相为体心立方结构, 退火后的合金具有优异的高温磁性能, 且矫顽力非常低。Pavlik发现α- (FeCo) Si相具有体心立方结构, 合金退火后的β-Co相为面心立方结构。α- (Fe Co) Si相中Fe/Co的比率和β-Co相会影响合金的磁致伸缩系数。KolanoBurian研究发现Co含量影响了Fe73.5-xCoxCu1Nb3Si13.5B9 (x=0~58.8) 合金的横向磁各向异性及矫顽力、铁损、磁导率等磁性能。当Co含量在58.8at%时, 热处理后的合金产生了横向磁各向异性。Altube研究发现Fe73.5-xCoxCu1Nb3Si13.5B9 (x=0, 4, 10) 合金的热力学稳定性增加, 合金的电化学稳定性增强。当x=4时, 电化学性能最稳定。

1.2 Finemet型合金Fe被Cr取代的研究

Cr、Co部分取代Finemet中的Fe, 具有相似的影响。Hoa[2]研究发现非晶态Fe73.5-xCrxSi9Nb3Au1 (x=1~5) 合金的结晶温度和居里温度比纯Finemet合金高。随着Cr含量的增加, 合金的结晶温度增加, 晶体的体积分数、晶粒大小、饱和磁感应强度、居里温度降低。由于Cr在非晶相中产生大量磁畴壁钉扎, 在提高合金的高温性能的同时, 降低了合金的软磁性能。Cr还能在合金表面形成能阻止腐蚀进一步发生的钝化膜, 使材料具有较好的耐腐蚀性。

1.3 Finemet型合金Fe被Ni取代的研究

Ni与Co的原子量非常接近 (分别为58.69和58.93) , Ni部分取代Fe可以改善合金的磁性能和提高电化学稳定性。Vlasak[3]研究发现Ni降低了合金的稳定性, 合金的饱和磁致伸缩系数随Ni含量增加呈线性下降。Fernandez研究发现Fe68.5Ni5Nb3Si13.5B9Cu1合金的含Ni相具有体心立方结构。纳米晶的体积分数在6%至2 0%之间, 粒径约为11nm, 比Finemet的粒径小 (约为15nm) 。Iturriza发现Ni提高了Fe73.5-xNixSi13.5B9Cu1合金的矫顽力。Vara研究发现Ni还提高了合金的电化学稳定性。随Ni含量的增加, 纳米晶的稳定性降低。当Ni含量在10%内, NixFe73.5-xSi13.5B9Nb3Cu1 (x=0, 4, 10) 的结晶动力学与结构变化幅度不大, 当x=8, 10时, 纳米晶粒较小。

1.4 Finemet型合金Fe被Mn取代的研究

Brzozowski认为Mn的添加主要有两大作用: (1) 使合金的初始结晶温度增加, 使二次结晶温度降低; (2) Mn含量的增加, 合金相的超细晶磁性能迅速减少, 居里温度、饱和磁感应强度和矫顽力降低。合金的DSC、XRD研究表明Mn改变了合金的转变温度、纳米晶和非晶母体的体积分数及非晶体的超精细性特征。

2 元素完全取代Cu

Cu是Finemet纳米晶形成的关键元素, 能降低α-Fe (Si) 固溶体的晶化温度。晶化过程中形成富Cu区环绕在α-Fe (Si) 相周围, 阻碍α-Fe (Si) 固溶体晶粒的进一步长大。Phan[4]研究Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1-xAgx (x=0, 0.5, 1) 合金发现晶体的平均粒径为20nm, 合金的热稳定性增加。当x=0.5时, 材料的软磁性能最好。Chau研究发现Fe73.5Si13.5B9Nb3Au1的DSC曲线的第一主峰为 (547~549) ℃, 稍高于纯Finemet合金的 (542~570) ℃。α-Fe (Si) 相的结晶激活能为2.8eV, 低于纯Finemet合金的3.25eV。退火后合金具有超磁性能。Tho N D研究发现Fe73.5Si13.5B9Nb3Au1合金随退火时间的增加, 软磁性能提高。

3 元素完全取代Nb

Nb也是Finemet纳米晶形成的关键元素。它的主要作用是扩散缓慢, 阻止α-Fe晶粒长大, 从而保证晶粒的纳米尺寸, 同时降低、扩大热处理区、改善脆性和工艺性能。Yoshizawa研究发现Nb、Ta、Mo、W、V和Cr都有利于提高材料的软磁性能和细化晶粒, 但对软磁性能的提高而言以Nb最好。细化晶粒的能力由大到小为:Nb=Ta>Mo=W>V>Cr。因此Ta、Mo、W、V和Cr等元素取代Nb后的Finemet纳米晶直径都大于Fe73.5Cu1.0Nb3.0Si13.5B9.0的纳米晶直径。张湘义[5]对退火后的Fe73.5Cu1W3Si13.5B9合金研究发现, 该合金的α-Fe (Si) 晶粒为DO3 (Fe3Si型) 有序结构, α-Fe (Si) 晶粒为近似球状。在 (490~570) ℃, α-Fe (Si) 晶粒直径为13nm, 晶粒的数量随退火温度增加而增加。在570℃时, α-Fe (Si) 晶粒直径为12.8nm。α-Fe (Si) 的体积分数、硅含量和α-Fe (Si) 相有序化的程度随退火温度增加而增加。Hakim M A研究发现Fe73.5Cu1Ta3Si13.5B9的晶格常数、晶粒大小和Fe (Si) 纳米晶对材料的初始磁导都有影响:初期由于不可逆的结构变化, 出现了居里温度增高;随着退火温度的增加, 在出现纳米晶相后, 母体相的居里温度逐渐降低。在500~575℃, 合金出现了超顺磁性和超铁磁性。陆伟[6]研究发现V的添加量对Fe73.5Cu1Nb3-xVxSi13.5B9合金的微观结构和磁性能影响很大, 且V的最佳添加量是1.5% (原子数的比) 。560℃时, 合金为体心立方结构, 晶粒直径为 (8~15) nm。合金具有很高的初始磁导率 (135000) , 矫顽力很小 (0.79A/m) , 铁损很低 (P0.02/200=31kW/m3) , 适合做变压器铁芯。

此外, 研究人员用Al部分取代Nb, 也取得了成功。改性后合金的部分磁性能得到改善。

4 结语

元素的取代改性有利于改善Finemet的性能、降低生产成本和扩宽应用领域。但取代元素对Finemet的影响是不同的:Co提高了合金的电化学稳定性, Cr提高了合金的腐蚀性。采用Al、Mo等元素对Nb的取代, 可以减少Nb的使用量, 降低合金的生产成本, 减少对稀有金属Nb的依赖。我们有理由相信:随着研究的深入, 元素的取代改性将会有广阔的应用前景。

摘要：综述了Finemet合金Fe、Cu、Nb元素被取代的研究进展状况。元素取代能提高Finemet合金的高温、高频磁性能, 耐腐蚀性和增强电化学稳定性。

关键词：Finemet合金,元素取代,磁性能

参考文献

[1] 丁燕红, 王治, 马叙, 等. (Fe50Co50) 73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金的微观结构及软磁性能[J].功能材料, 2004 (35) :666～668.

[2] Hoa N Q, Chau N, Yu S C, et al.The crystallization and properties of alloys with Fe partly substituted by Cr and Cu fully substituted by Au in Finemet[J].Materials Science and En-gineering A, 2007 (449～451) :364～367.

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