橫磁退火工藝對(duì)Finemet合金磁學(xué)與力學(xué)性能的影響

李明瑞，程 皓，李維火

(安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引 言

生活中磁性材料的應(yīng)用十分廣泛，且人們對(duì)其研究也由來已久。按照磁化后退磁的難易程度可將其分為兩類：硬磁材料和軟磁材料。其中軟磁材料具有低的剩磁比和矯頑力，在電子、電力等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來，鐵基非晶合金及非晶納米晶材料由于具備高飽和磁化強(qiáng)度，高磁導(dǎo)率，低矯頑力和低損耗等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[1]，受到極大的重視。特別是1988年Yoshizawa等人[2]將添加Cu、Nb元素的Fe-Si-B非晶合金條帶退火，得到非晶基體上均勻分布著無規(guī)取向的粒徑為10～15nm的α-Fe(Si)晶粒，后被注冊(cè)為Finemet合金。與傳統(tǒng)的Fe-Si-B非晶合金相比，由于Cu、Nb元素的加入，通過熱處理工藝可以有效的控制α-Fe(Si)相的析出量和晶粒大小，使軟磁性能得到優(yōu)化，如提高了飽和磁化強(qiáng)度，降低了矯頑力。

但是通過常規(guī)的退火實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，由于納米晶的析出以及自由體積減少造成Finemet合金脆化，對(duì)后續(xù)加工成型造成極大的困難，這將嚴(yán)重影響其在工業(yè)中的應(yīng)用。本文以國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的Finemet合金為研究對(duì)象，著重研究橫磁場(chǎng)熱處理工藝對(duì)其磁性能以及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文以典型Finemet合金(Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7)為對(duì)象，通過武漢漢口電爐有限責(zé)任公司制造的真空管式橫磁退火爐對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的Finemet合金母材，進(jìn)行在相應(yīng)恒定磁場(chǎng)下的熱處理。其磁場(chǎng)電流和熱處理 溫度如表1所示，升溫速率為100 K/h，保溫時(shí)間為1 h，之后隨爐冷卻至室溫。

表1Finemet合金的磁場(chǎng)熱處理方案

Table1MagneticfieldheattreatmentschemeforFINEMETalloy

電流/A熱處理溫度/℃60520530540100520530540

使用日本Rigaku公司X射線衍射儀，采用Cu靶Kα(λ=0.154178 nm)為輻射源，測(cè)試母材和熱處理后的試樣，得到各自的衍射圖譜。使用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的SQUID-VSM儀測(cè)得試樣的磁滯回線，測(cè)試條件為室溫下，外加磁場(chǎng)為7.96×105A/m。使用美國Agilent Technologies公司生產(chǎn)的Nano Indenter G200測(cè)得試樣的力學(xué)性能，儀器壓頭為Berkovich金剛石三角錐壓頭，壓入深度為600nm，壓入速率3.3 nm/s,熱漂移小于0.1nm/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的晶體結(jié)構(gòu)

圖1是Finemet合金在磁場(chǎng)熱處理(不同加熱溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度)后的各個(gè)試樣的X射線衍射圖譜，由圖可知，未退火母樣(Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7合金)的X射線衍射圖譜在2θ=44.5°附近形成了一個(gè)寬的漫散射峰，這是非晶結(jié)構(gòu)的典型特征，而且沒有明顯的晶化相的衍射峰。熱處理后的試樣在2θ=45、66、83.4°附近有衍射峰的出現(xiàn)，經(jīng)過與PDF卡片對(duì)照分析，這些峰均為α-Fe(Si)相。圖1中要標(biāo)出主要衍射峰晶面指數(shù)。

圖1 不同磁場(chǎng)熱處理后的Finemet合金XRD圖

從XRD圖譜中，可以得到衍射峰的半高寬及衍射角，通過Scherrer公式(1)可以估算出各種磁場(chǎng)熱處理后試樣的平均晶粒尺寸[3]，如圖2所示。

(2)

式中D為平均晶粒尺寸(nm)；β為晶粒細(xì)化而產(chǎn)生的衍射峰半高寬(rad)；k為Scherrer常數(shù)，本文為0.89；λ是X衍射線的波長(zhǎng)，本文為0.154178 nm；θ為衍射角。

此外，我們可以根據(jù)結(jié)晶部分的總衍射積分強(qiáng)度和非晶相對(duì)應(yīng)的衍射峰積分強(qiáng)度估算試樣中的晶化相的體積分?jǐn)?shù)[4]如圖2所示，其公式(2)如下：

(2)

式中Vc為晶化相的體積分?jǐn)?shù)；Ic為結(jié)晶部分的總衍射積分強(qiáng)度；Iα為非晶衍射峰的積分強(qiáng)度；k為常數(shù)(實(shí)驗(yàn)值為1.05)。

圖2 不同磁場(chǎng)熱處理后的Finemet合金的平均晶粒尺寸和晶化相的體積分?jǐn)?shù)圖

由圖2我們可以得出Finemet合金經(jīng)過磁場(chǎng)熱處理后，在相同的磁場(chǎng)電流下，隨著退火溫度的增加，納米晶的平均晶粒尺寸和晶化相的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。在相同退火溫度下，隨電流的增加，納米晶的平均晶粒尺寸變化并不大，但是晶化相的體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加。M.Miglierini[5]和R.Onodera[6]等分別從原位動(dòng)力學(xué)和磁化過程研究了Fe基非晶合金在磁場(chǎng)熱處理?xiàng)l件下晶化行為及納米晶粒形核過程，結(jié)果均表明外加磁場(chǎng)熱處理不影響納米晶的晶化過程，但能增大晶化反應(yīng)速率。H.Fujii[7]等在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上大量研究FeCuNbSiB非晶合金在磁場(chǎng)熱處理中晶化動(dòng)力學(xué)后得出外加磁場(chǎng)能增大晶粒形核速率而不影響晶粒長(zhǎng)大速率。大量研究表明，Cu、Nb元素是FeCuNbSiB納米晶形成的關(guān)鍵元素[8]。由于Cu在Fe中的固溶度非常小，在晶化過程中，隨著溫度的升高，Cu原子首先發(fā)生富集并在非晶基體上形成團(tuán)簇，這些團(tuán)簇即為納米晶粒的形核點(diǎn)。當(dāng)溫度升到高于晶化起始溫度的時(shí)候，α-Fe(Si)納米相以Cu團(tuán)簇為基底在非晶基體相形核并長(zhǎng)大，因此剩余非晶相中成分發(fā)生變化，在納米晶相周圍形成了Nb原子和B原子的富集區(qū)，Nb是大尺寸原子，而且在非晶中的擴(kuò)散躍遷機(jī)制為原子的協(xié)同運(yùn)動(dòng)方式，即運(yùn)動(dòng)過程涉及的原子較多，擴(kuò)散較為緩慢并且含Nb相的晶化溫度高難于晶化，從而阻礙了α-Fe(Si)納米晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大。Cu的加入使得α-Fe(Si)晶化溫度大為降低，這就避免在熱處理中α-Fe(Si)晶體與Fe-B化合物晶體同時(shí)析出。這一晶化過程在FeCuNbSiB系非晶合金中各處進(jìn)行，最終形成軟磁納米晶結(jié)構(gòu)[9]。結(jié)合這些理論，當(dāng)退火溫度越高各元素的熱振動(dòng)越激烈，Cu原子富集形成團(tuán)簇和Fe元素的聚集形核速度會(huì)加快，并且大尺寸Nb元素對(duì)α-Fe(Si)納米晶粒的長(zhǎng)大阻礙越小。

通過磁場(chǎng)熱處理后，試樣的平均晶粒尺寸在13～15nm之間，查閱文獻(xiàn)[10]可知Finemet合金在520℃到540℃區(qū)間退火1 h獲得了平均晶粒尺寸在12 ～15 nm的納米晶，Yoshizawa等人得到非晶基體上均勻分布著無規(guī)取向的粒徑為10～15nm的α-Fe(Si)晶粒。由于Scherrer公式只是估算晶粒大小，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中存在的誤差，故本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性。

2.2 試樣的磁學(xué)性能

圖3是Finemet合金在磁場(chǎng)熱處理(不同加熱溫度和不同磁場(chǎng)強(qiáng)度)后的各個(gè)試樣的磁滯回線圖。

圖3 不同磁場(chǎng)熱處理后的Finemet合金磁滯回線

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)熱處理后的試樣的內(nèi)稟矯頑力Hc并未發(fā)生太大的變化。Herzer以Finemet合金為例，推論出在晶粒尺寸D小于磁交換有效作用長(zhǎng)度Lex時(shí)，得到了矯頑力Hc與D6成正比關(guān)系。由于非晶相的磁交換有效作用長(zhǎng)度Lex≈35 nm[12]，而本次實(shí)驗(yàn)的所有試樣平均晶粒尺寸D在13～15 nm之間，所以試樣的內(nèi)稟矯頑力Hc理應(yīng)隨退火溫度的增大而變大。I.korvánek等人[13]研究了橫向磁場(chǎng)對(duì)FeCo基合金磁疇的變化表明普通熱處理?xiàng)l件下磁疇分布混亂且寬度不均勻，疇壁方向不一，有寬大不平整的主疇和細(xì)小彎曲的非主疇產(chǎn)生；經(jīng)過橫向磁場(chǎng)熱處理后磁疇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，疇壁方向與外加磁場(chǎng)方向一致，單一的條狀磁疇可得到更低的內(nèi)稟矯頑力Hc。故由上訴理論解釋了本文磁場(chǎng)熱處理?xiàng)l件下內(nèi)稟矯頑力Hc并未發(fā)生太大變化的現(xiàn)象。

2.3 試樣的力學(xué)性能

圖4所示為各種磁場(chǎng)熱處理后的Finemet合金薄帶載荷-位移曲線?？梢钥闯?，所有樣品加載與卸載曲線均為非線性特征，兩者并不重合。卸載后彈性變形均恢復(fù)了一部分，這表明試樣放生了塑性變形。各種磁場(chǎng)熱處理后的Finemet合金的彈性模量E和硬度HV如圖5所示。

圖4 不同磁場(chǎng)熱處理后的Finemet合金薄帶載荷-位移曲線

圖5 Finemet合金力學(xué)性能隨退火溫度和磁場(chǎng)電流的變化

由圖5可知，彈性模量E和硬度HV都隨溫度升高而升高。查閱文獻(xiàn)可知彈性模量E越低，變形越容易，硬度越小。這圖5中的彈性模量與硬度的關(guān)系相吻合。孫寶茹等[14]認(rèn)為非晶合金的塑性變形過程其實(shí)是合金在受力狀態(tài)下內(nèi)部剪切區(qū)的形成與擴(kuò)展的過程，當(dāng)外力超過臨界值時(shí)，合金內(nèi)部一定區(qū)域內(nèi)的原子將會(huì)發(fā)生重排，從而形成剪切轉(zhuǎn)變區(qū)，隨后剪切轉(zhuǎn)變區(qū)聚集形成剪切帶，因此非晶合金的塑性變形可局域于剪切帶。

由前文可知，在磁場(chǎng)熱處理過程中，F(xiàn)inemet合金的非晶條帶中生成了尺寸在13～15nm的納米晶。正是由于生成了納米晶，從而起到類似晶體中釘扎的作用[15]。且隨著退火溫度的增加，納米晶的平均晶粒尺寸和晶化相的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，所以這種釘扎作用將越來越強(qiáng)烈，使得剪切帶原本將要貫穿整個(gè)試樣的裂紋受到的阻礙變大，從而誘發(fā)更多新的剪切帶的形成，使Finemet合金的非晶條帶隨退火溫度升高塑性變差，但是硬度卻會(huì)升高。

3 結(jié) 論

(1)在實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的磁場(chǎng)熱處理后，F(xiàn)inemet合金非晶條帶中生成了納米晶，晶粒尺寸在13-15nm，晶化相的體積分?jǐn)?shù)在0.43～0.64。在相同的磁場(chǎng)電流下，隨著退火溫度的增加，納米晶的平均晶粒尺寸和晶化相的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。在相同退火溫度下，隨電流的增加，納米晶的平均晶粒尺寸變化并不大，但是晶化相的體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加。

(2)經(jīng)過橫磁熱處理后試樣的磁滯回線變得平伏，導(dǎo)致剩余磁化強(qiáng)度Mr減??；此外飽和磁化強(qiáng)度Ms增加了5～10 A·m2/kg。試樣的內(nèi)稟矯頑力Hc并未發(fā)生太大的變化。

(3)Finemet合金非晶條帶隨退火溫度升高塑性變差，但是硬度卻會(huì)升高。