Fe81Zr5Nb4B10非晶合金的晶化过程及其磁性能研究.pdf

3 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 ％7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．帽．0 1 0 F e 8 。Z r 5N b 4B 。o 非晶合金的晶化过程 及其磁性能研究 刘立，闰国民，杨玉蓉，邱敏，皮艳梅，刘平 黑河学院物理系，黑河1 6 4 3 0 0 摘要采用单辊快淬法制备F e 。，Z r ，N b ．B ．。非晶合金带，并在不同温度下对其进行退火处理，利用X R D 和 振动样品磁强计 V S M 测试了合金自由面和贴辊面的结构及磁性能。结果表明随着退火温度的增加， 淬态合金由完全的非晶态结构转变为非晶与纳米晶的混合结构，晶粒尺寸、晶化体积分数增大，晶粒间 的非晶层厚度减小。和自由面相比，贴辊面的晶粒尺寸较大，晶化体积分数较小，晶粒间的非晶层厚度 较大。合金的矫顽力和比饱和磁化强度盯．随着退火温度的升高逐渐增大。 关键词快淬法；自由面；贴辊面；F e 8 l Z r ，N b 。B i o 非晶合金；结晶 中图分类号T G l 3 2 ．2 7文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 0 8 - 0 0 3 6 - 0 4 C r y s t a l l i z a t i o na n dM a g n e t i cP r o p e r t i e so fA m o r p h o u sF e 8 l Z r 5 N b 4 B l oA l l o y L I UL i ，Y A NG u o m i n ，Y A N GY u r o n g ，Q I UM i n ，P IY a n m e i ，L I UP i n g D e p a r t m e n to fP h y s i c s ，H e i h eU n i v e r s i t y 。H e i h e1 6 4 3 0 0 ．C h i n a A b s t r a c t F e 8 lZ r 5N b 4B l oa m o r p h o u sr i b b o n sw e r ep r e p a r e db yt h es i n g l er o l l e rm e l t - s p i n n i n gp r o c e s sa n da n n e a l e d a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ．T h eF e 8 lZ r 5N b 4 B l oa l l o y ss t r u c t u r eo f f r e es i d ea n dc o n t a c ts i d ew e r es t u d i e db yX R D ， a n dt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fe l e v a t e dt e m p e r a t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e db yv i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r V S M ． T h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，F e 8 IZ r sN b 4B 稻一q u e n c h e da m o r p h o u sa l l o y t r a n s i t e df r o mac o m p l e t e l ya m o r p h o u ss t r u c t u r ei n t oam i x e ds t r u c t u r eo fa m o r p h o u sa n dn a n o e r y s t a l l i n e ．G r a i ns i z e sa n dc r y s t a l l i z a t i o nv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e d ，w h i l et h ea m o r p h o u sl a y e rb e t w e e ng r a i n sd e c r e a s e d ．C o m p a r e d w i t hf r e es i d e ，t h eg r a i ns i z e sa n dt h ea m o r p h o u sl a y e rb e t w e e ng r a i n so fc o n t a c ts i d ew e r eb i g g e r ，c r y s t a l l i z a t i o n v o l u m ef r a c t i o nw a ss m a l l e r ．C o e r c i v i t ya n ds p e c i a ls a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o ni n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo f a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ． K e yw o r d s M e l t s p i n n i n gp r o c e s s ；F r e es i d e ；C o n t a c ts i d e ；F e 8 1Z r 5N b 4B l oa m o r p h o u sa l l o y ；C r y s t a l l i z a t i o n 1 9 9 0 年以来，S u z u k i 等。2 1 报道了F e ．M ．B M Z r ，N b ，H f 系纳米晶合金，这是继F e - C u - M S i - B M N b ，M o ，W ，T a ，V 等 系之后发现的另一类新 型纳米晶软磁合金。其中，F e Z r B 非晶和纳米晶合 金具有优异的软磁性能和很高的饱和磁化强度，并 具有高的C u r i e 温度和晶化温度，是目前综合性能 优异的新一代软磁合金1 。研究表明，在F e z 卜B 合金中加入少量的N b 、T a 、C o 、N i 等过渡金属可极 大地提高该合金的玻璃形成能力 G F A ，从而在较 低的冷却速率下制备出性能优异的F e ．z r ．B 基非晶 合金H 1 。由于低B 含量的F e Z r N b B 纳米合金体系 具有非常优异的软磁性能，且其非晶合金具有非常 奇异的交换相互作用，因而被广泛研究”1 。但是， 目前对这种材料自由面和贴辊面的淬态组织和晶化 基金项目黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助 1 t 5 5 t 3 0 9 作者简介刘立 1 9 6 3 ． 。男，黑龙江省北安市人，教授． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 3 7 规律还缺乏系统的研究。本文采用单辊快淬方法制 备F e 。．z r ，N b 。B ，。金属非晶薄带，并对其淬态组织和 晶化规律进行了系统的研究。 1试验方法 在A r 气氛下，以9 9 ．9 ％的F e 、z r 、N b 、B 为原 料，用电弧熔炼制备名义成分F e 。。Z r ，N b 。B 。。的母合 金，并采用单辊急冷法制备金属条带，线速度为3 0 m ／s 。在氩气保护下对样品在4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 和 8 0 0 ℃下进行4 0r a i n 等温退火处理。 利用D ／m a x2 5 0 0 ／P Cx 射线衍射测试分析样 品的结构。磁性能 V S M 测试在L a k es h o r eM ．7 4 0 7 型振动样品磁强计上进行，测试条件为室温。 2 试验结果与讨论 图1 为F e 8 。z r 5 N b 。B 。。合金条带自由面和贴辊面 4 04 5 5 0 5 56 06 57 07 5 8 0 8 5 2 0 ／ 。 的淬态及不同温度等温退火后的X R D 图谱。从图 1 可看出，二者存在相同的规律，合金的淬态X R D 谱均表现为漫散的宽峰，表明该合金在淬态已经完 全形成非晶。经4 0 0 ℃退火后，合金自由面和贴辊 面的X R D 衍射谱图仍显示非晶特征。5 0 0 ℃退火 后，均有晶体从非晶背底上析出，根据衍射峰位置判 断该析出相为a F e 相。随退火温度瓦进一步升 高，衍射峰的强度均逐渐增强，说明晶化相的体积分 数随L 升高而增大，剩余非晶相进一步晶化，仅- F e 相继续析出长大。经8 0 0 ℃退火后，自由面有F e ∞ B 。相化合物析出。 图1F e 8 ，Z r 5 N b 。B l o 非晶合金不同温度退火后的X R D 图谱 F i g ．1X R Dp a t t e r n so fF e B lZ r 5N b 4B l oa h o ya s q u e n c h e da n d a n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 合金的晶粒尺寸D 由S c h e m e r 公式旧1 计算。 取q ．F e 1 1 0 衍射晶面，图2 为晶粒尺寸 D 随退 火温度L 的变化曲线。从图2 可看出，随着退火温 度的升高，贴辊面和自由面的晶粒尺寸均迅速增大， 但仍保持在纳米级。和自由面晶粒尺寸相比，贴辊 面颗粒尺寸较大。这是由于在F e 钔Z r ，N b 。B 。。合金 中，N b 原子的质量和直径比其他合金元素大，其热 运动惯性也就比其他合金元素大。在单辊快淬制备 薄带过程中，贴辊面的冷却速度大于自由面，导致凝 固速度有差异，这会使热运动惯性大的N b 向凝固 速度相对低的自由面区偏聚，结果使得N b 在薄带 中的分布密度存在差异自由面区的N b 分布密 度大于贴辊面区的N b 分布密度，导致自由面区的 N b B 网格空间小于贴辊面区的N b ．B 网格空间，因 而致使自由面区观察到的晶粒尺寸小于贴辊面区的 晶粒尺寸‘9 。。 晶化体积分数由公式o 估算K 。 A 。／A ，其中 A 。为晶化相体积，A 为非晶态总体积。 图3 为晶化体积分数匕。随退火温度t 的变化 曲线。从图3 可看出，自由面和贴辊面的晶化体积 分数均随退火温度的升高不断增大。和自由面相 比，贴辊面的晶化体积分数较小。这是由于贴辊面 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 图2F e 。l Z r 5 N b ．B 。o 非晶合金不同 温度退火后的晶粒尺寸 F i g ．2 G r a i ns i z e sI D I 甜F e o fF e s l Z r s N b 4 B “ a l l o y sa f t e ra n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 与冷却辊直接接触，所以贴辊面的冷却速度比自由 面的大，冷却较快，结晶度较小‘9 1 。 畔 图3F e 。。Z r 5 N b 4 B l o 非晶合金不同 温度退火后的晶化体积分数 №3T h ec r y s t a U i z e dv o h a n e 宙l T i C [ i o na t “ 赡氇№B - a l l o y sa f t e ra n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 根据晶化体积分数屹。和晶粒尺寸D ，相邻晶 粒的表面间距，即晶粒间的非晶层厚度A 可由 I 式估算‘8 1 A 吡亡i ／3 - - 1 ] 图4 为晶粒间的非晶层厚度随退火温度的变化 曲线。从图4 可看出，随着退火温度的升高，自由面 和贴辊面的晶粒间的非晶层厚度不断减小。和自由 面相比，贴辊面晶粒间的非晶层厚度较大。 图5 为F e s l ．Z r 5 N b 。B 。。合金的矫顽力随退火温 图4F e 。l Z r s N b ．B l o 非晶合金不同温度 退火后的晶粒间的非晶层厚度 F i g ．4 T h et h i c k n e s so fa m o r p h o u sl a y e r b e t w e e ng r a i n so fF e 。l Z r s N b 4 8 1 la l l o y sa f t e r a n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 度的变化曲线。由图5 可看出，4 0 0o C 退火后合金 的矫顽力以很小，5 0 0 ℃时，巩依旧很小，此后，随 退火温度的提高，日。逐渐增大。这是由于合金在 4 0 0 ℃等温退火后仍为非晶态，5 0 0 ℃退火引起结构 驰豫，使内应力释放和结构均匀化，同时非晶样品中 有部分纳米级的a F e 相析出，纳米晶弥散分布于非 晶相中，晶向是无规则取向，近邻晶粒的易磁化方向 的夹角大，故晶粒间的交换耦合作用明显地减小样 品的有效各向异性，从而使其矫顽力依旧很小。此 后，随着退火温度的增加。晶化相与非晶相的体积分 数改变，晶化相的体积分数也。与晶粒尺寸D 增大， 晶粒的长大导致表面积减小，交换耦合作用减弱，各 向异性增大，从而矫顽力增大。 图6 为F e 。。z r ，N b ．B 。。合金的比饱和磁化强度随 退火温度的变化曲线。由图6 可看出，随退火温度 的提高，叮。逐渐增大。这是由于退火后的非晶薄带 为非晶纳米晶双相结构，样品的比饱和磁化强度由 两相共同决定⋯ 盯， V l 盯，I 1 ，j 盯1 2 2 其中盯．。与矿．分别表示晶相与非晶相的比饱和磁化 强度，K 与K 分别表示晶相与非晶相的体积分数。 对于同种材料而言，晶态合金的比饱和磁化强度大 于非晶态合金的比饱和磁化强度。同时，随着退火 温度的增加，晶化相体积分数■逐渐增大，非晶相 体积分数屹逐渐减小，合金的比饱和磁化强度盯。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年8 期 3 9 增大。 吖℃ 图5F e 。1 Z r 5 N b 4 B l o 合金矫顽力 与退火温度的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o e r c i v i t yo f F e 。lZ r 5 N b 4 8 1 ．a l l o ya n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ， k ； 蠹 ≮ F 吖℃ 图6F e 。l Z r s N b 4 B l o 合金比饱和 磁化强度与退火温度的关系 F i g ．6 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e c i f i cs a t u r a t i o n m a g n e t i s mo fF e s l Z r s N b 4 B l o 柚o ya n da n n e a l i n g t e m p e r a t u r e 3结论 随着退火温度的增加，淬态F e 。。Z r ，N b ．B 。。合金 由完全的非晶态结构转变为非晶与纳米晶的混合结 构。晶粒尺寸、晶化体积分数逐渐增大，晶粒间的非 晶层厚度逐渐减小。和自由面相比，贴辊面的晶粒 尺寸较大，晶化体积分数较小，晶粒间的非晶层厚度 较大。合金的矫顽力和比饱和磁化强度o s 随着退 火温度的升高逐渐增大。 参考文献 [ 1 ] S u z u k iK ，K a t a o k aN ，I n o u eA ，e ta 1 ．H i g hs a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o na n ds o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e so fb c cF e - 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h a v i o ra n dp e r m e a b i l i t ys p e c t r ai na m o r p h o u sa n dn a n o c r y s - t a l l i n eF e ⋯N b 7 8 1 25a l l o y s [ J ] ．JM a g nM a g nM a t e r ， 2 0 0 0 ，2 1 5 2 1 6 4 4 0 一“2 ． [ 7 ] 韩叶梅．含C o 的F I N E M E T 型纳米晶合金的结构与高 温磁性[ D ] ．天津天津大学，2 0 0 8 ． [ 8 ] H e r n a n d oA ，V a z q u e zM ，K u l i kT ，e ta 1 ．A n a l y s i so ft h e d e p e n d e n c eo fs p i n s p i nc o r r e l a t i o n so nt h et h e r m a lt r e a t - - m e n to fn a n o e r y e t a l l i n em a t e r i a l s [ J ] ．P h y s ．B e y ．B ， 1 9 9 5 ，5 1 3 5 8 1 ． [ 9 ] 杨晓红，吴文慧，方允樟，等．退火温度对F e 基纳米晶 薄带结构特性影响研究[ J ] ．复旦大学学报，2 0 0 9 ，4 8 1 3 9 4 5 ． [ 1 0 ] 梁追飞，余毒海，王昕，等．退火温度对F e 5 c o 。N b 。B 。， c u 。合金纳米晶软磁特性及微波磁谱的影响[ J ] ．金 属热处理，2 0 1 0 ，3 5 2 1 6 1 8 ． _．目．邑≥ 万方数据