Cr元素及表面晶化对铁基非晶/纳米晶软磁合金的影响

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铁基非晶及纳米晶合金由于其特有的微观结构和优秀的综合磁性能,从软磁材料中脱颖而出。然而目前开发出的铁基非晶/纳米晶合金体系仍存在一些不足,铁基非晶合金(如常用的Metglas 2605合金)的饱和磁感应强度和磁导率均较低,且非晶态是亚稳定态,在较高温度可能会析出大尺寸晶粒,恶化软磁性能。高饱和磁感应强度的铁基纳米晶合金(如Nanomet合金)的铁含量往往较高,非晶形成能力弱,在淬态就会发生表面晶化现象,而且对退火热处理工艺条件要求苛刻。此外,铁基非晶/纳米晶合金在实际应用中都要求具有一定的耐蚀性能,合金发生腐蚀可能会加剧失效。所以开发具有良好磁性能、耐蚀性和宽松热处理工艺的铁基非晶/纳米晶合金是十分必要的。为此,本文分别研究了Cr元素添加对铁基非晶合金和铁基纳米晶合金结构和性能的影响,此外还研究了在高铁含量纳米晶合金中,表面晶化现象对合金性能的影响,以及在热处理过程中合金微观结构和磁结构的演变。本文主要研究内容和所取得的结果如下:(1)系统研究了Cr元素添对Fe80-xSi8B11Cu1Crx非晶合金的热稳定性、结构、磁性能和耐蚀性的影响。结果表明:适量的Cr元素能够提高Fe Si BCu非晶合金的热稳定性;虽然非晶合金的Bs少量下降,但是软磁性能发生改善,矫顽力明显降低、磁导率明显提高;内部磁畴在Cr元素添加后变得宽而均匀。此外含Cr元素合金条带的耐蚀性增强,在腐蚀后表面氧化膜不易脱落,更好地保护了合金基体。(2)系统研究了Cr元素添加对(Fe83.3Si4B8P4Cu0.7)99-xCrx纳米晶合金的热稳定性、结构、磁性能和耐蚀性的影响。结果表明:Cr元素适量添加有助于提高Fe Si BPCu合金的非晶形成能力和热稳定性,扩大退火温度区间;在不显著降低Bs的范围内添加Cr元素,由于Cr原子在晶化退火时分散在非晶基体中,阻碍晶粒的进一步长大,形成大量均匀细小的α-Fe纳米晶粒,所以Cr元素能够有效提高Fe Si BPCu纳米晶合金的软磁性能。其中Cr含量为1 at.%时,纳米晶合金具有1.66 T的高Bs、2.7 A/m的低Hc和在1 k Hz时为14172的高μe。添加Cr元素还会明显地改善合金条带的耐蚀性能。(3)研究了Fe81.5+xSi3B10-xP3.5C0.2Cu0.8Nb1纳米晶合金中的表面晶化现象。结果表明:Fe含量增加伴随着表面晶化现象,提高了纳米晶合金的Bs并扩大了退火温度窗口;淬态合金条带发生的表面晶化造成其磁各向异性增加,从而使软磁性能恶化;晶化退火后的合金表面和内部的纳米晶分布均匀,磁畴结构变宽。Fe83.5Si3B8P3.5C0.2Cu0.8Nb1合金表现出了优异的综合软磁性能,包括1.68 T的高Bs、6.43 A/m的低Hc和在1 k Hz时为18600的高μe。该研究有助于拓宽高铁含量纳米晶合金成分设计的范围。
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