非晶与纳米晶铁基软磁合金材料的研究现状

第17卷 第6期

2010年12月

金属功能材料

M etallic Functional M aterials

Vol 17, No 6December, 2010

非晶与纳米晶铁基软磁合金材料的研究现状

张 敏,宣天鹏

(合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥230009)

摘 要:非晶与纳米晶铁基软磁合金具有优异的软磁性能,制造工艺简单且成本低廉,目前广泛应用于电力及电子通讯行业。本文简述了铁基软磁合金的分类与制备方法,重点阐述了其研究现状及发展趋势。关键词:铁基合金;软磁材料;非晶;纳米晶

中图分类号:T M 271 2 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2010)06-0069-04

Current Research of Amorphous and

Nanocrystalline Fe Based Soft Magnetic Alloys

ZH A N G M in,XU A N T ian peng

(Co llege of M aterial Science and Engineer ing,Hefei U niv ersit y of T echnolog y,H efei 230009,Anhui,China)Abstract:A mor phous and nano cr ystalline F e based soft magnetic a lloys w hich have ex cellent so ft mag netic pr oper ties,simple manufactur ing pro cess and low cost,hav e been widely used in elect rical and electr onic communicat ions industries now T his article summarizes the classif ication and preparat ion methods o f F e based soft magnetism al loy s,lay s emphasis on describing the cur rent research and prospect of them Key words:F e based alloy;soft mag net ism mat erial;amo rphous;nanocr ystalline

作者简介:张 敏(1985-),男,河南延津县人 合肥工业大学材料学院硕士研究生。

通讯联系人:宣天鹏(1955-),男,合肥工业大学材料学院教授。联系电话:0551-******* E mail:x tpx m@mail hf ah

cn 。

自从20世纪60年代末开发出来的铁基非晶合金和80年代后期又在铁基非晶合金基础上开发了铁基纳米晶合金以来,现已成为电力及电子通讯行业磁性元器件中所用软磁材料的研究热点,目前不但在材料和工艺方面,而且在应用方面都取得了巨大进展,已广泛应用于各种电力设备和电子器件中。其带来的电力、电子设备的小型化、轻量化、节能、高灵敏度使得人们生活更加便利,对环境的不利影响也越来越小。本文对两类合金材料的分类、性能、制备工艺、加入元素的影响以及当前的研究状况作了概述。

1 铁基非晶合金

非晶软磁合金均由各自的基体金属和非金属组成。前者是铁磁性元素(铁、钴、镍或者它们的组

合),它们用来产生磁性;后者是玻璃化元素(硅、磷、硼、碳等),其主要作用是降低合金形成非晶态的临界冷却速度,易于得到非晶态。一般采用多种元素复合加入,效果更佳。过渡族金属(锆、铪、铌等)及稀土金属也容易与铁、钴、镍形成非晶态合金,能够替代非金属元素。1 1 铁基非晶薄膜

铁基非晶薄膜的制备方法有真空蒸镀法、溅射镀膜法、CVD 法、LPE 法与电沉积法等。铁基非晶态软磁薄膜

[1~3]

除了具有优异的软磁性能,还具有

良好的光洁度、耐磨性、耐蚀性等特点。例如:Fe P 软磁薄膜具有良好的耐蚀性、硬度、可焊性和耐热性能,并且具有高的磁饱和强度以及低的磁损;Fe Sn B 软磁薄膜具有很好的电磁屏蔽效果,其耐腐蚀性更是优于不锈钢;Fe Ni P B 软磁薄膜具有很高的

硬度以及很强的耐蚀性。目前铁基非晶薄膜已广泛应用于计算机、电子、石油化工、航空航天和医学等行业。

1 2 铁基非晶丝材

铁基非晶丝材[4~6]常用的制备方法有内圆水纺喷丝法、玻璃包覆非晶合金丝法、熔体淬取非晶合金丝等方法,一般可直接制备直径小于30 m的非晶丝。

20世纪80年代中期,日本的U nitika公司率先开发出适合工业化生产的非晶合金丝连续化制备技术,其中商品SEN CY具有优异的软磁特性,广泛用于磁场、速度、位移、应力、位置等传感器,以及磁屏蔽和防伪标签制品中。目前应用集中于防伪、防盗、鉴识标签以及磁屏蔽和高频滤波器等方面。

1 3 铁基非晶带材

目前铁基非晶态合金研究和应用最广的就是非晶带材。非晶带材的制备方法目前已经比较成熟,根据冷却基体的形式不同,可简略分为单辊法和双辊法。前者是金属熔体在重力或气体压力作用下,通过喷嘴喷射到高速旋转的金属辊轮表面(如铜、钼或钢辊等),或由旋转的轮或盘掠过金属熔体进行抽取,连续形成薄带。后者是将熔融合金喷射到两个相对高速旋转的冷却辊接触面上快速固化,得到非晶条带的工艺。理论上讲,双辊法的冷却速度高于单辊法,并且带材两面质量均匀,但由于工程技术方面的问题,难以发挥其优势。目前工业生产上很少采用双辊制带法。

铁基非晶合金带材具有很宽的晶化前的过冷液相区(即晶化温度远高于玻璃转变温度),意味着它具有很高的抗晶化性能,具有非常大的玻璃形成能力,是工业上很有使用价值的先进材料。

近年对于铁基非晶带材受到机械力作用产生压磁效应[7]关注的较多,利用压磁效应可以制备出结构简单、输出功率大、抗干扰能力强、信号强且成本低的压磁式传感器。万珍珍[8]等人研究了表面处理和温度对铁基非晶带材压磁性能的影响,实验用材料为Fe73 5Cu1Nb3Si13 5B9非晶薄带。发现了室温下非晶带材的压磁性能随着测试频率的增加而提高,在1M H z时压磁性能最好;同时随测试温度的升高,压磁性能提高,在30~40 时,压磁性能最好。

1 4 铁基非晶块体

铁基非晶块体[9]是通过现代冶金的方法,抑制合金熔体的形核和长大,保持液态的长程无序结构,从而获得具有与玻璃类似结构的合金材料。常用的制备方法包括铜模铸造法、熔体水淬法、粉末冶金法、放电等离子烧结法[10](SPS法)等。

铁基非晶软磁块体合金具有材料廉价、软磁性能优异以及强度高等优点,是具有潜在商业价值的结构功能材料。傅明喜[11]等制备了成分Fe73 6-x Ni1Al5Ga2P9 65B x Si3C5 75(x=6 6,7 6,8 6,9 6, 10 6)的铁基块体非晶合金。发现当x=6 6,7 6时,样品为纳米晶合金,当x=8 6,9 6时,样品为典型的非晶合金,而且该多组元Fe基非晶合金具有较大的玻璃形成能力。赵文君[12]等采用铜模吸铸法制备出了长50mm,宽10mm,厚0 8mm的片状Fe68N d5Zr2Y4B21大块非晶合金,发现在铸态下合金表现为软磁性,当合金晶化后,转变为硬磁性。张志纯[13]等研究Fe73-x Nb4H f3Y x B20(x=0,1,2,3)块体非晶合金的性能,该合金系能形成最大直径为4 m m的块体非晶;玻璃转变温度随着x的增加而增高,当x=2时达到852K,而约化玻璃转变温度是随着x的增加先升后降,x=2时达到最大值0 603;其饱和磁感应强度均高于1 1T,矫顽力均低于6 A/m。

目前对铁基非晶块体[14]合金的研究主要集中在:开发制备新工艺和技术,研究合金元素的加入对铁基非晶态合金的非晶形成能力的影响,扩展过冷液态温度区间,尤其是稀土元素的加入对它的影响。此外是否具有大的玻璃形成能力,是否能制备出大块非晶合金的关键,近年来国内学者对这方面研究较多。

2 铁基纳米晶软磁合金材料

铁基纳米晶软磁合金的制备方法有惰性气体冷凝法(IGC)、机械合金化法、非晶晶化法、物理气相沉积法、低能团簇束沉积法(LEBCD)、压淬法、脉冲电流非晶晶化法等。

铁基纳米晶[15~17]软磁合金,主要分为3类,分别是:Finem et合金,成分为Fe M Si Cu B(M= Nb、Cr、V、W、M o等);!Nanoperm合金,成分为Fe M B(M=Zr、H f、Nb、T a等);?H itperm合金,成分为(Fe,Co) M B(M=Zr、H f、Nb等)。三者均表现出高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率以及低的高频损耗等优异的软磁性能。

2 1 Finemet合金

Finemet型纳米晶软磁合金典型成分为:Fe73 5 Cu1Nb3Si13 5B9,B s=1 24T,H c=0 53A/m, e

70金属功能材料 2010年

(1kH z)=1 0#105。由于Finemet开发时间早,制作工艺简便,具有优良的软磁性能,引起国内外科研工作者的极大兴趣。赵冠楠[18]等人研究了Finem et 合金在较低退火温度条件下的H c、B r、P s,得出在完全纳米晶化后矫顽力随退火温度升高而有所提高,剩磁基本维持不变,而退火后其在高频时的磁损显著下降。杨沙[19]等人研究了热处理工艺对Finem et软磁合金高频磁性能的影响,发现其晶化主要发生在500 之后,560 时纳米晶粒晶化充分且分布均匀。当退火温度为540~560 时,其综合交流磁性能最好。钟海坚[20]等人研究了电场对纳米晶Fe基合金软磁性能的影响,总结出在外加电场的作用下,纳米晶合金的形核速率增大,晶粒尺寸减小,体积分数增大,最终使纳米晶Fe基的磁滞伸缩系数降低,改善了其软磁性能。董鹏[21]等人研究了喷射成形Finem et合金的软磁性能,发现由喷带制得的Finemet合金在淬火后,纳米晶状态下表现出优异的软磁性能,B s、H c值分别为1 0~1 2T 和0 8~1 3A/m,而完全晶化的喷射成形坯体软磁性能很差,特别是H c值高达100A/m。原因在于顺磁性金属间化物(Nb4FeSi和FeB)的形成、 Fe相过大,以及存在大量孔隙,恶化了磁性各向异性的 Fe相磁畴晶粒的磁性能。唐人剑[22]等人在Yoshizaw a研究的基础上以较廉价的V和Mn部分替代价格昂贵的Nb,在降低合金成本的同时,使合金仍保持优异的软磁性能。他们研究发现,用V和Mn来取代部分Nb研制的Fe72 8Cu1Nb1 7V1 5Mn0 5 Si13 5B9合金具有可与典型的Finem et合金相比的直流和交流磁性,并显示出明显的磁退火效应。

目前对于Finemet合金的研究多集中于对其成分的优化。Saad A[23]等研究了成分为Fe71 5 B9Nb3Cu1Si7 5+y A l x Ge8-x-y(其中0

2 2 Nanoperm合金

Nanoperm型纳米晶软磁合金的典型成分是Fe90Zr7B3,其B s=1 63T、H c=5 8A/m、 e (1kH z)=2 2#104、s=-1 1#10-6。可以看出,该合金的最大优势在于B s值较高,这是因为其晶化所得 Fe相中所含的溶质元素含量远低于Finem et。在低频下应用其损耗P1 4/50比取向硅钢和FeSiB系非晶合金小,而在高频下应用,其损耗小于Fe Ni系坡莫合金,可与Co基非晶态合金媲美。Inoue等人在Nano perm合金中加入适量的Si,使得其磁滞伸缩常数接近于0,改善了非晶态成形能力。黄剑[25]等人添加了适量的元素Nb、Si、Cu,研究成分为(Fe90Zr3 5Nb3 5B3)95Cu1Si4合金,发现合金的饱和磁感应强度随着退火温度的升高而增高,在570 时达到最大值1 56T,而合金的磁滞伸缩系数s?0,H c基本保持在1 7~2 0A/m,热稳定性好。由于该合金中含有较多的易氧化元素Zr、Nb、H f,熔化和急冷制带温度较高,而且需要在真空或气体保护下进行,这是其应用受阻,产业化难的主要原因[26]。

2 3 Hitperm合金

H itperm型纳米晶软磁合金的典型成分是Fe44 Co44Zr7B4Cu1,性能为:B s=2 0T, e(1kH z)=1 0 #104。H itperm合金最初是在Nanoperm合金的基础上用Co替代部分Fe而得到的,Co的添加导致矫顽力升高,成本也提高了,但是工作温度可高达600 ,可应用于550 左右,而Finemet和Nan oper m合金由于其非晶相和纳米晶相的居里温度的限制,只能应用于200 以下。

董哲[27]等人研究高温用软磁材料时得出结论, Fe和Co的含量相当时,H itperm具有最佳磁性能,此时Co元素主要分布在非晶基体上。K Pekala[28]研究了成分为Fe44 6Co43 4X7 3B3 7Cu1(X=Nb、Zr、H f)的合金,发现初晶约在490~510 ,二次晶化约在650~730 ,晶化的温度取决于合金成分。

目前对于H itperm合金的研究主要集中在合金中Co成分的含量以及不同合金元素的加入对合金性能的影响。如:X B Liang等研究了成分为(Fe1-x Co x)86H f7B6Cu1合金,其中x=0,0 2,0 4, 0 5,0 6,0 8,发现随着Co含量的增大,具有bcc结构的FeCo纳米晶减少,但是纳米晶相的含量增加,而当x=0 8时,剩余非晶相中就不含Fe了。并且长时间退火后,合金中硼化物沉淀,软磁性能下降。

3 结 语

非晶与纳米晶铁基软磁合金材料[29,30]不仅软磁性能优异,而且生产工艺简单、成本低廉,是硅钢、铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料的替代产品,未来对我国传统产业改造和高新技术快速发展将发挥越来越重要的作用。在今后的几年中,其研究趋势为:加强非晶及纳米晶铁基软磁材料的基础和应用

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第6期 张 敏等:非晶与纳米晶铁基软磁合金材料的研究现状

研究;完善旧工艺,探索新工艺,通过新工艺获取更优异的性能,并进一步提高其软磁性能,降低成本,提高工业化生产的效率。

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收稿日期:2009-09-20

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