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解析非晶-纳米晶软磁合金的成分

         非晶态软磁合金具有高饱和磁感应强度、高电阻率、低矫顽力、而铁芯损耗仅为硅钢的1/5~1/3,因而自出现以来得到了迅速发展,被广泛应用于各种电力电子器件中。但是由于非晶态处于热力学上的不稳定状态,使用时容易发生晶化并析出粗大的晶体相,使其矫顽力急剧增大,因而限制了它的应用。
        上世纪末研究发现,通过加入某些合金元素并结合适当的晶化退火工艺得到一种在非晶基体上均匀分布着细小的纳米颗粒的特殊结构,即非晶纳米晶合金,这种合金不仅具有高磁感、高磁导率和低损耗的优异磁性能,而且稳定性提高,制备工艺简单、成本低廉,大大拓宽了这类新型软磁材料的应用前景。
        Fe基纳米晶软磁合金的微观结构和磁性能与其成分密切相关,因此,其成分设计和控制非常重要。纳米晶软磁合金一般包含以下四类元素:
1.    与磁性相关的金属,如Fe、Co、Ni,他们是磁性合金基本组成元素,而且为了使合金饱和磁化强度达到一个较大值,它们的含量要尽可能大;值得注意的是,Co部分取代合金中的Fe后,会形成具有体心立方结构的α-(FeCoSi相,这种结构的纳米晶具有高的磁矩和居里温度,使合金具有优异的高温磁性能。
2.     提高非晶形成能力和热稳定性的类金属,如Si、B、P,其中最重要的是B。B作为非晶形成元素,能够扩大Fe基非晶合金的非晶形成范围,稳定非晶相,降低晶化体积分数和纳米晶平均颗粒尺寸,而且B的加入还能提高合金的居里温度。P也是提高非晶形成能力的一种元素。近几年研究表明,因为P价格比B低,用P部分替代B可以降低合金成本,而且在制备过程中,由于P的熔点低,可以降低合金熔炼过程中能量损耗。
3.     为纳米晶形核提供位置的贵金属,如Cu、Ag和Au等。Cu是纳米晶形成的关键元素。在晶化过程中,Cu首先析出,为纳米晶α-Fe(Si形核提供位置,随后α-Fe(Si相周围的富Cu区阻碍α-Fe(Si晶粒进一步长大。
4.     提高非晶形成能力并阻碍纳米晶长大的过渡金属,如Nb、Zr、V、Ta等。Nb也是纳米晶合金形成的关键元素,Nb的加入不但提高了合金非晶形成能力,而且由于Nb原子半径较大,扩散缓慢,在纳米晶形成过程中能够抑制晶粒的长大,减小晶粒尺寸。用V部分替代Nb,虽然磁导率略有降低、但可以有效改善其淬态的韧性和延展性,合金可对折而不至脆断。
研究表明,在Fe-Nb-B合金中同时加入P和Cu时对组织结构和磁性能有明显的影响。试验显示,只加入其中一种元素时对软磁性能的提高并不明显,但是同时加入1at%P和0.1at%Cu能显著提高晶化后合金的软磁性能,这是因为P和Cu的同时加入使α-Fe的晶粒尺寸从40~50nm降低到2nm以下。从目前研究成果看,Fe-Si-B-P-Cu合金体系不仅具有优异的磁性能,而且成本低,在工业生产中具有很大的经济优势。
来源:      时间:2013-6-10 10:09:43
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