（材料学专业论文）铁基纳米晶合金应力退火的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 铁基纳米晶合金应力退火的研究 摘 要 本文采用一种新的应力退火方法对铁基纳米晶合金应力退火。刘 f e 7 3 .5 c u i n b 3 s i ,3 .5 b 9 合金和( f e c o ) 7 3 .5 c u , n b 3 ( s i b ) 2 2 s 合金的环状铁芯在普通退火和 应力退火下系统研究了退火制度、合金成分、冷却速度对合金软磁性能的影响。 用d s c法测定了制备态合金的晶化温度。 用x射线衍射方法研究了晶化相的微观 结构。用冲击检流计法测量了合金的静态磁化曲线和磁滞回线。此外，用磁化功 的方法计算了应力感生磁各向异性常数ka 研究发现，在应力退火下两种合金都获得了横向感生磁各向异性:应力退火 下f e 7 3 .5 c u in b 3 s i 1 3 .5 b 9 合金的 剩磁随退火温度的升高 而变小， 在5 6 0 时达到最低 值 ， 当 退 火 温 度 超 过5 6 0 时 ， 剩 磁 又 缓 慢 升 高 ; 应 力 退 火 下f e 7 3 .5 c u jn b 3 s 1 13 .5 b 9 合金的剩磁随退火时间的延长而减小，当退火时间超过2 0 m i n以后，剩磁无明显 变化;与普通退火相比，两种合金经应力退火后的剩磁降低，矫顽力略微上升， 损耗增大;在应力退火下，随炉冷却的合金的剩磁低于合金在空冷下的剩磁;在 相同的应力退火条件下， f e 7 3 c u 1 n b 3 s i 1 3 5 b 9 合 金的 应力 退火 效果较( f e c o ) 7 3 s c u ,n b 3 ( s ib ) 2 2 5 合金明 显， f e 7 3 ,5 c u ,n b 3 s i 1 3 .5 b 9 合金和( f e c o ) 7 3 .5 c u , n b 3 ( s i b ) 2 2 s 合余的 应 力 感 生 磁 各 向 异 性 常 数k分 别 可 达8 7 .2 j / c m ， 和1 0 . 1 j / c m 3 0 从应力退火后合金的磁化曲线可以看出， 经应力退火后的合金磁化较为困难; 与普通退火的 磁滞回线相比，应力退火下的磁滞回线较为扁平。 x 射线衍射实验结果表明， 在相同温度相同时间退火处理下， 合金经应力退火 和普通退火后的晶化相具有几乎相同的微观结构。 为了探讨产生应力感生磁各向异性的机制，本文另对合金在横向磁场以及同 时施加横磁和应力下退火。由实验结果分析认为，在应力退火下合金获得的横向 感生磁各向异性主要来源于非晶基体对纳米晶施加的纵向拉应力 f e ( s i ) 晶 粒产生磁弹各向 异性。 从而引起a一 综上所述，本文采用的应力退火方式可在合金中感生出横向 磁各向异性， 低合金的剩磁b r a 关键词:张应力退火 火 环状铁芯 f i n e m e t 合金 剩磁 应力感生磁各向异性 横磁退 东北大学硕士学位论文 abs tract s t u d y o n t e n s i l e s t r e s s a n n e a l i n g f o r f e - b a s e d n a n o c r y s t a l l i n e a l l o y s abs tract a n e w w a y o f s t r e s s a n n e a l i n g w a s c a r r i e d o u t o n t h e f e - b a s e d n a n o c r y s t a l l i n e a l l o y s i n t h e d i s s e r t a t i o n . t h e e ff e c t o f t h e a n n e a l in g p a r a m e t e r s , a l l o y c o m p o s i t i o n a n d c o o l i n g r a t e o n s o ft m a g n e t i c p r o p e r ti e s w e r e s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d f o r t o r o i d a l c o r e s o f f e 7 3 .5 c u 1n b 3 s i 1 3 .5 b 9 a n d ( f e c o ) 7 3 .5 c u ,n b 3 ( s i b ) 2 2 .5 a ll o y s w i t h a n d w i t h o u t s t r e s s a n n e a l i n g . c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r e o f t h e a s - q u e n c h e d a l l o y s w e r e m e a s u r e d b y d s c . t h e m i c r o s t r u c t u r e o f c r y s t a l l i z e d p h a s e w a s i n v e s t i g a t e d b y x - r a y d i ff r a c t i o n . t h e s t a t i c m a g n e t i z a t io n c u r v e s a n d h y s t e r e s i s l o o p s w e r e m e a s u r e d b y t h e b a l l i s t i c g a l v a n o m e t e r . i n a d d i t i o n , t h e s t r e s s - i n d u c e d m a g n e t i c a n i s o t r o p y c o n s t a n t 凡 w a s d e t e r m i n e d w i t h m a g n e t i z a t i o n w o r k . t h e s t u d y s h o w s t h a t t h e a l l o y s u n d e r s t r e s s a n n e a l i n g c a n o b t a i n t r a n s v e r s a l i n d u c e d m a g n e t i c a n i s o t r o p y . t h e r e m a n e c n e d e c r e as e s w i t h a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e a n d r e a c h e s m i n i m u m v a l u e a t 5 6 0 f o r f e 7 3 .5 c u 1 n b 3 s i 1 3 _5 b 9 a l l o y s u n d e r s t r e s s a n n e a l i n g , t h e n i t i n c r e a s e s g r a d u a l l y a s a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e r a i s e s . t h e r e m a n e n c e d e c r e a s e s w i t h a n n e a l i n g t i m e a n d t h e n r e m a i n s u n c h a n g e d a s a n n e a l i n g t i m e e x c e e d s 2 0 m i n f o r f e 7 3 .5 c u 1 n b 3 s i 1 3 .5 b 9 a l l o y s w i t h s tr e s s a n n e a l i n g . t h e a l l o y s w i t h s t r e s s a n n e a l i n g h a v e a l o w e r r e m a n e n c e , s l i g h t l y h i g h e r c o e r c i v i t y a n d m u c h h i g h e r c o r e l o s s t h a n th a t w i t h o u t s t r e s s a n n e a l i n g . wi t h s t r e s s a n n e a l i n g a l l o y c o o l e d i n t h e f u r n a c e o b t a i n s a l o w e r r e m a n e n c e t h a n t h a t c o o l e d i n t h e a i r . u n d e r t h e s a m e s t r e s s a n n e a l i n g c o n d i t i o n s , t h e a l l o y o f f e 7 3 ,5 c u 1n b 3 s i 1 3 ,5 b 9 s h o w s a m o r e o b v i o u s s t r e s s - a n n e a l i n g e f f e c t w it h t h e s t r e s s - i n d u c e d m a g n e t i c a n i s o t r o p y c o n s t a n t k f o r t h e a l l o y o f f e 7 3 .5 c u in b 3 s i 1 3 .5 b 9 a n d ( f e c o ) 7 3 .s c u 1n b 3 ( s i b ) 2 2 .5 u p t o 8 7 .2 j / c m 3 a n d 1 0 . 1 j / c m 3 , r e s p e c t i v e l y t h e m a g n e t i z a t i o n c u r v e s f o r t h e a l l o y s w i t h s t r e s s a n n e a l i n g s h o w s t h a t i t i s d if f i c u lt f o r a l l o y s w i t h s t r e s s a n n e a l in g t o b e m a g n e t i z e d . t h e h y s t e r e s i s l o o p s f o r t h e a l l o y s w i t h s t r e s s a nn e a l i n g a r e f l a t t e r t h a n t h a t w i t h o u t s t r e s s a n n e a l i n g . r e s u l t s o f x - r a y d i f f r a c t i o n s h o w e d t h a t t h e c r y s t a l l i z e d p h a s e h as a l m o s t t h e s a m e m i c r o s t r u c t u r e f o r a l l o y s w i t h a n d w i t h o u t s t r e s s a n n e a l i n g u n d e r t h e s a m e a n n e a l i n g c o n d i t i o n s . i i i 东北大学硕士学位论文 abs tract t r a n s v e r s a l f i e l d a n n e a l a n d t r a n s v e r s a l f i e l d - s t r e s s a n n e a l w e r e c a r r i e d o u t o n t h e tw o a l l o y s t o e x p l o r e t h e m e c h a n i s m o f s t r e s s i n d u c e d m a g n e t ic a n i s o t r o p y . f r o m t h e e x p e r i m e n t a l d a t a s it i s p r o p o s e d t h a t t h e t r a n s v e r s a l i n d u c e d m a g n e t i c a n i s o t r o p y m a i n l y o r i g in a t e s f r o m t h e m a g n e t o - e l as t i c a n i s o t r o p y o f t h e“- f e ( s i ) g r a i n s d u e t o l o g n i t u d i n a l t e n s i l e s t r e s s e x e r te d b y t h e a m o r p h o u s m a t r i x . g e n e r a l l y s p e a k i n g , t h e w a y o f s t r e s s a n n e a l i n g a d o p t e d i n t h e d i s s e r t a t i o n c a n i n d u c e t r a n s v e r s a l m a g n e t i c a n i s o t r o p y i n t h e a l l o y s , a c c o r d i n g l y d e c r e a s e r e m a n e n c e b r . k e y w o r d s : t e n s il e s t r e s s a n n e a l i n g , t o r o i d a l s t r e s s - i n d u c e d m a g n e t i c a n i s o t r o p y , c o r e s , f i n e m e t a l l o y , r e m a n e n c e t r a n s v e r s a l f i e l d a n n e a l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 日期: 70 5 . a 静a 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以 将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 刘 帮 难 签 字 日 期 :u o 5 . 外r 赞 导师签名 签字日期: m 净 杯 咔 赞 东北大学硕士学位论文第一章 前言 第一章前 言 自 从二十世纪八十年代后期y o s h i z a w a 等人 1 1 在非晶晶化的基础匕 研制出 具有 优良 综合软磁性能的纳米晶材料f i n e m e t 合金以来， 人们对此作了大量的基础研究 和应用研究2 - 1 2 1 。 在现代电 子工业中， 纳米晶 合金兼备非晶合金和各类传统软磁材 料的特点，成为促进电子产品向高效节能，小型轩量化方向发展的关键材料。在 实际应用中， 铁基纳米晶软磁合金具有三种重要的磁性能;高的起始磁导率态，高 b , 态 和 低b r 态 13 1 。 其中 ， 低b r 态 纳 米晶 制作的 单极 脉 冲 变压 器就 极 具 优 越 性。 在 工业生产中，通常对纳米晶铁芯采用横向磁场退火，利用感生出的横向单轴各向 异性实现降低剩磁的目 的。虽然横向 磁场退火可有效地降低材料的剩磁 b , ， 获得 扁平的磁滞回线，但磁场的施加使热处理工艺变得复杂，产品的成本升高。而人 们很早就发现，应力退火可以在非晶和纳米晶合金中感生出与外加纵向张应力方 向 垂直的单轴磁各向异性 1 4 ,1 5 1 。近十多年来，人们通过对非晶纳米晶合金条带施 加张应力退火的方式， 对合金进行应力退火的研究， 其研究领域主要集中在 1 6 -2 1 1 - 应力退火后合金的微观结构、特征磁化曲线、应力 ( 或蠕变)感生磁各向异性、 磁致伸缩、巨磁阻 ( g mi )效应等，并对应力退火感生磁各向异性机理进行了探 讨。本文采用一种新的可直接对环状铁芯应力退火的方式，重点研究了退火制度 及合金成分对磁性能的影响。由于目 前的纳米晶软磁合金是由非晶态合金晶化后 制备出来的，因此在介绍纳米晶之前先介绍一下非晶态合金。 1 . 1非晶态合金 1 . 1 . 1非晶 态合金的发展和应用12 2 ,2 3 ) 历史上第一次 报道制备出 非晶态合金的是克雷默( k r a m e r ) ， 于1 9 3 4 年用“ 蒸 发沉淀法”制备出非晶合金。以后不久，布伦纳 ( b r e n n e r )等人声称用电沉积法 制备出了n i - p非晶态合金，这种合金被用来作为耐磨和耐腐蚀材料。1 9 6 0 年， 杜 韦兹( d u w e z ) 教 授等 人提出 用喷枪 法直接 将熔融 金属急 冷( 1 0 6 0c / .s ) 而 制成x (c u ) = 7 0 %的a u - s i 非晶态合金，使非晶合金的制备工艺得到进一步发展，这种快速凝 固形成非晶态材料的方法称为熔体急冷法。 伴随着熔体急冷技术的不断改进， 1 9 7 0 年以 后人们开始用熔体旋辊急冷法制备均匀而连续的非晶薄带，为大规模生产非 晶合金创造了条件。由于人们早己从理论上证实原子无序排列并不影响非晶态合 金的软磁性能，而且 熔体极冷法制备的非晶薄带的几何尺寸正好适合软磁材料的 使用，因此非晶态合金作为 一 种新型的软磁材料备受关注，掀起了非晶合金研究 东北大学硕士学位论文第一章 前言 第一章前 言 自 从二十世纪八十年代后期y o s h i z a w a 等人 1 1 在非晶晶化的基础匕 研制出 具有 优良 综合软磁性能的纳米晶材料f i n e m e t 合金以来， 人们对此作了大量的基础研究 和应用研究2 - 1 2 1 。 在现代电 子工业中， 纳米晶 合金兼备非晶合金和各类传统软磁材 料的特点，成为促进电子产品向高效节能，小型轩量化方向发展的关键材料。在 实际应用中， 铁基纳米晶软磁合金具有三种重要的磁性能;高的起始磁导率态，高 b , 态 和 低b r 态 13 1 。 其中 ， 低b r 态 纳 米晶 制作的 单极 脉 冲 变压 器就 极 具 优 越 性。 在 工业生产中，通常对纳米晶铁芯采用横向磁场退火，利用感生出的横向单轴各向 异性实现降低剩磁的目 的。虽然横向 磁场退火可有效地降低材料的剩磁 b , ， 获得 扁平的磁滞回线，但磁场的施加使热处理工艺变得复杂，产品的成本升高。而人 们很早就发现，应力退火可以在非晶和纳米晶合金中感生出与外加纵向张应力方 向 垂直的单轴磁各向异性 1 4 ,1 5 1 。近十多年来，人们通过对非晶纳米晶合金条带施 加张应力退火的方式， 对合金进行应力退火的研究， 其研究领域主要集中在 1 6 -2 1 1 - 应力退火后合金的微观结构、特征磁化曲线、应力 ( 或蠕变)感生磁各向异性、 磁致伸缩、巨磁阻 ( g mi )效应等，并对应力退火感生磁各向异性机理进行了探 讨。本文采用一种新的可直接对环状铁芯应力退火的方式，重点研究了退火制度 及合金成分对磁性能的影响。由于目 前的纳米晶软磁合金是由非晶态合金晶化后 制备出来的，因此在介绍纳米晶之前先介绍一下非晶态合金。 1 . 1非晶态合金 1 . 1 . 1非晶 态合金的发展和应用12 2 ,2 3 ) 历史上第一次 报道制备出 非晶态合金的是克雷默( k r a m e r ) ， 于1 9 3 4 年用“ 蒸 发沉淀法”制备出非晶合金。以后不久，布伦纳 ( b r e n n e r )等人声称用电沉积法 制备出了n i - p非晶态合金，这种合金被用来作为耐磨和耐腐蚀材料。1 9 6 0 年， 杜 韦兹( d u w e z ) 教 授等 人提出 用喷枪 法直接 将熔融 金属急 冷( 1 0 6 0c / .s ) 而 制成x (c u ) = 7 0 %的a u - s i 非晶态合金，使非晶合金的制备工艺得到进一步发展，这种快速凝 固形成非晶态材料的方法称为熔体急冷法。 伴随着熔体急冷技术的不断改进， 1 9 7 0 年以 后人们开始用熔体旋辊急冷法制备均匀而连续的非晶薄带，为大规模生产非 晶合金创造了条件。由于人们早己从理论上证实原子无序排列并不影响非晶态合 金的软磁性能，而且 熔体极冷法制备的非晶薄带的几何尺寸正好适合软磁材料的 使用，因此非晶态合金作为 一 种新型的软磁材料备受关注，掀起了非晶合金研究 东北大学硕士学位论文第一章 前言 开发的一大热潮。 非晶态合金以其独特的组织结构，高效的制备工艺，优异的材料性能和广阔 的应用前景一直受到材料 一 学家和产业界的特别关注。在过去的几十年中伴随着非 晶态材料的基础研究、制备工艺和应用产品开发的不断进步，各类非晶态材料已 经逐步实现产业化。 特别是作为软磁材料的非晶合金带材己 经实现了产业化，并 获得了广泛应用。其中在传统电力工业中，非晶软磁合金带材正在取代硅钢，使 配电变压器的空载损耗降低 7 0 %以上，从节能和环境保护角度被人们誉为绿色材 料;在电子领域里，非晶态合金以其固有的高电阻率、高导磁性等优势，正不断 代替传统的硅钢、铁氧体、坡莫合金等材料，在音响磁头、开关电源、 传感器、 磁放大器等电子元器件中得到了广泛应用。 1 . 1 .2非晶 态合金的形成条件2 4 ,2 5 1 制备非晶态合金，首先要选择合适的成分，即具有足够高的非晶形成能力 ( g f a ) ; 其次在制备非晶态合金时， 冷速要高于材料的临界冷却速度r , 。 只有二者 相结合， 才能形成非晶态合金。 在非晶态合金的制备中， 将一定成份的金属合金溶液以足够高的冷却速度( 一 般 大 于1 0 6 0c / s ) 从 熔 点t以 上 的 温 度 迅 速 降 至 玻 璃 态 转 变 温 度几 之 下， 合 金 在 j决冷过程中结晶受阻而得到非晶态合金。下面几个方面有助于形成非晶态合金: 1 、 选择熔点较低的合金成分 目前已 发现的非晶态合金主 要由f e , c o , n i 和类金属元素s i , b , p 和c所 组成。 前者约占总量的8 0 a t 0/ o ，后者约占总量的2 0 a t %。若类金属元素的含量过多 或过少，在目 前的条件下都不易形成非晶。一般来说，熔点较低的成分较易形成 非晶态合金，因此现在很多非晶态合金的成分都在共晶成分附近。常见的非品态 合金系 有:过渡金属一类金属 ( t m - m) ，例如:二 元合金f e - b ( 1 3 2 5 a t %) , 三元合 金f e - ( s i - b ) ( 1 3 -3 5 a t % ) ; 过 渡金属 一金属系 t m - m t ) ， 例如: ( 3 3 - 4 2 a t 0/ u ) , f e - z r ( 9 - l l a t %) :稀土金属一过渡金属系 ( r e - t m) . ni - z r 2 、 提高非晶态转变温度 t g 是一 个动 力学 参 量， 它 对于 非晶 合 金的 的 形 成 有着 重大 影响。 的 合 金 而言， 玻 璃 转 变温 度t g 并非 是 一定 值， 而是 受 凝固 条 件的 影 响 却 速 率 会 导 致 不 同 的 非 晶 合 金 玻 璃 化 温 度几2 6 1 。 陈 鹤 寿( h .s .c h e n ) 对相同成份 ，不同的冷 的研究工作 表明2 7 1 ，尺度不同的相异原子之间的相互作用引起的短程有序，将使非 璃化 温度t g 增高， 引起过冷度降低，有利于非晶态的形成。因此， 提高 态的玻 璃化温 晶玻 度t ， 一方 面要提高冷却 速率 一般要超过约1 3 %。 3 、 临界冷却速率 ， 另一方面要加大金属与类金属之间的原子尺寸差， 东北大学硕士学位论文第一章 前言 开发的一大热潮。 非晶态合金以其独特的组织结构，高效的制备工艺，优异的材料性能和广阔 的应用前景一直受到材料 一 学家和产业界的特别关注。在过去的几十年中伴随着非 晶态材料的基础研究、制备工艺和应用产品开发的不断进步，各类非晶态材料已 经逐步实现产业化。 特别是作为软磁材料的非晶合金带材己 经实现了产业化，并 获得了广泛应用。其中在传统电力工业中，非晶软磁合金带材正在取代硅钢，使 配电变压器的空载损耗降低 7 0 %以上，从节能和环境保护角度被人们誉为绿色材 料;在电子领域里，非晶态合金以其固有的高电阻率、高导磁性等优势，正不断 代替传统的硅钢、铁氧体、坡莫合金等材料，在音响磁头、开关电源、 传感器、 磁放大器等电子元器件中得到了广泛应用。 1 . 1 .2非晶 态合金的形成条件2 4 ,2 5 1 制备非晶态合金，首先要选择合适的成分，即具有足够高的非晶形成能力 ( g f a ) ; 其次在制备非晶态合金时， 冷速要高于材料的临界冷却速度r , 。 只有二者 相结合， 才能形成非晶态合金。 在非晶态合金的制备中， 将一定成份的金属合金溶液以足够高的冷却速度( 一 般 大 于1 0 6 0c / s ) 从 熔 点t以 上 的 温 度 迅 速 降 至 玻 璃 态 转 变 温 度几 之 下， 合 金 在 j决冷过程中结晶受阻而得到非晶态合金。下面几个方面有助于形成非晶态合金: 1 、 选择熔点较低的合金成分 目前已 发现的非晶态合金主 要由f e , c o , n i 和类金属元素s i , b , p 和c所 组成。 前者约占总量的8 0 a t 0/ o ，后者约占总量的2 0 a t %。若类金属元素的含量过多 或过少，在目 前的条件下都不易形成非晶。一般来说，熔点较低的成分较易形成 非晶态合金，因此现在很多非晶态合金的成分都在共晶成分附近。常见的非品态 合金系 有:过渡金属一类金属 ( t m - m) ，例如:二 元合金f e - b ( 1 3 2 5 a t %) , 三元合 金f e - ( s i - b ) ( 1 3 -3 5 a t % ) ; 过 渡金属 一金属系 t m - m t ) ， 例如: ( 3 3 - 4 2 a t 0/ u ) , f e - z r ( 9 - l l a t %) :稀土金属一过渡金属系 ( r e - t m) . ni - z r 2 、 提高非晶态转变温度 t g 是一 个动 力学 参 量， 它 对于 非晶 合 金的 的 形 成 有着 重大 影响。 的 合 金 而言， 玻 璃 转 变温 度t g 并非 是 一定 值， 而是 受 凝固 条 件的 影 响 却 速 率 会 导 致 不 同 的 非 晶 合 金 玻 璃 化 温 度几2 6 1 。 陈 鹤 寿( h .s .c h e n ) 对相同成份 ，不同的冷 的研究工作 表明2 7 1 ，尺度不同的相异原子之间的相互作用引起的短程有序，将使非 璃化 温度t g 增高， 引起过冷度降低，有利于非晶态的形成。因此， 提高 态的玻 璃化温 晶玻 度t ， 一方 面要提高冷却 速率 一般要超过约1 3 %。 3 、 临界冷却速率 ， 另一方面要加大金属与类金属之间的原子尺寸差， 要得到非晶态，必须具有一定的冷却速率。根据 u h l m a n n所提出 (2 8 1最常见的 临界冷却速率可定义为，当结晶的体积分数x低于1 0 -6 时，即可视为非晶 态。 对于均匀形核来说，假设凝固时结晶相与液相成份相同，此假设可忽略形核 过 程中 所需的 潜伏期， 且 转变成结晶 相时， 其自 由 能改 变量4 g ， 一a l 石 ca t , ， 则 形 核率i v 12 9 ,3 0 ) : i = kr t 7 ( t ) 一 1 6 er a 3 刀 1 e x p l 3 王 a 王 万 式中: 4 h , :克分子溶解焙 ; 里_ 一t a t 约 % )! %w % ( a t , 一.,.t n ; t :温度: t: 熔点温度; t , : 约化温度 ( t / t ,) ; k: 成核率的 动力常数; 17 阴: 豁度系数 ; 因 子 “称为约化表面张力;p称为约化熔解焙; 厂峪 a = ( n v 2 ) ( a hf a h , : t = t ， 时 的 熔 解 烙: 每摩尔结晶相体积。 a s f r :t = t 时的熔化嫡。 则合金结晶相的成长速率u q 7 表示为: 。 一 k t f ! 1 一 。 x p ( - l3 誉) i j =n t 7 一2 。 阿佛加得罗常数;v : ( 1 . 2 ) 平均原子半径; f 固相表面上有利于原子沉积或离去的 位置分数。最密堆积 面心堆积为0 ,2 a 依据j o h n s o n - me h l - a v r a m i ( j - m - a 方程) 转变动力学方法， 对于微小含量的结 晶相， 其体积分数x 在给定温度下， 与时间 ( t ) 的关系式可表示为: x ( 1 . 3 ) 将 ( 1 . 1 ) 与 ( 1 .2 ) 式 代 入 ( 1 .3 ) 式， 并 pt x = 1 0 6 代 入， 可 得 到 温 度 对 时 间 的 关 系 式 0 .2 9 5 q 一 鱼 9a s k t一 f n v e x p ( 1 . 0 2 4 t ,3 4 t ,z ) % t 1 一e x p ( 一 ,q t ) 13 4 1 ; ( 1 .4 ) 绘出 温度与时间的曲线， 可得到t t t 曲 线图， 如图1 . 1 (3 l 1 所示。因此， 非晶态 合金的临界冷却速率r , ，其线性冷却曲线不能接触到t t t 曲线的尖端: 东北大学硕士学位论文第一前言 l i q u i d 了 玩 c r y s t a l 川叱n卜哎比ijjd乏国卜 g l as s ，( c ) to_、 .k t i m e un t ) 图1 . 1 温度对时间lo g t 的t t t曲 线 f i g . 1 . 1 t h e t t t c u rve f o r t e m p e r a t u r e a n d t i m e o f l o g t 图1 . 1 中:( a ) 一快冷形成玻璃:( b ) 一玻璃合金等温处理随时间 t x 结晶;( c ) 一玻璃合金慢速加热在温度t时发生晶化。 非晶 态的临界冷速r 。 可山 理论推算， 也可以由 凝固过程的t t t曲 线确定。 假 定丁 t t曲线上“ 鼻尖” 处温度和时间分别是几和t 。 则有: r : =爪一 t r y t o ( 1 . 5 ) 当 冷却 速率大于临界 冷却速率r 。 ， 且玻 璃转变 温度几越接近点 温度t m 时， 越容易形成非晶态合金。 总之，制备非晶态合金一方面要选用共晶低熔点的合金系，另一方面要有足够 高的冷却速率，抑制形核及其长大， 使形成的非晶态合金中的结晶的体积分数x低 于1 0 -“ 这个标准值，即可以 认为已 经成功地制备出非晶态合金。 1 . 1 .3非晶态合金的制备方法 自从p . d u w e z 教授首次用快速凝固的方法制备了非晶态a u - s i -元合金以来， 快淬成了制备非晶合金的主要方法。 根据冷却基体的形式不同， 可简略分为单辊 法 3 2 1和 双 辊法 3 3 1 ， 如图1 .2 所示 : 东北大学硕士学位论文第一前言 l i q u i d 了 玩 c r y s t a l 川叱n卜哎比ijjd乏国卜 g l as s ，( c ) to_、 .k t i m e un t ) 图1 . 1 温度对时间lo g t 的t t t曲 线 f i g . 1 . 1 t h e t t t c u rve f o r t e m p e r a t u r e a n d t i m e o f l o g t 图1 . 1 中:( a ) 一快冷形成玻璃:( b ) 一玻璃合金等温处理随时间 t x 结晶;( c ) 一玻璃合金慢速加热在温度t时发生晶化。 非晶 态的临界冷速r 。 可山 理论推算， 也可以由 凝固过程的t t t曲 线确定。 假 定丁 t t曲线上“ 鼻尖” 处温度和时间分别是几和t 。 则有: r : =爪一 t r y t o ( 1 . 5 ) 当 冷却 速率大于临界 冷却速率r 。 ， 且玻 璃转变 温度几越接近点 温度t m 时， 越容易形成非晶态合金。 总之，制备非晶态合金一方面要选用共晶低熔点的合金系，另一方面要有足够 高的冷却速率，抑制形核及其长大， 使形成的非晶态合金中的结晶的体积分数x低 于1 0 -“ 这个标准值，即可以 认为已 经成功地制备出非晶态合金。 1 . 1 .3非晶态合金的制备方法 自从p . d u w e z 教授首次用快速凝固的方法制备了非晶态a u - s i -元合金以来， 快淬成了制备非晶合金的主要方法。 根据冷却基体的形式不同， 可简略分为单辊 法 3 2 1和 双 辊法 3 3 1 ， 如图1 .2 所示 : 东北大学硕士学 位论文第一章 前言 p万fssu龙工节盆l丫 3 5 i ynucti oh 沙? o 1 ， ， ， ， ，八 宁分 ，一 一 . 飞6 . 1 / s 价 s t i u t e 单辊自由喷射甩出法单辊平面流铸制带法 图1 . 2非晶合金带材的 制备方法 f i g . 1 . 2 t h e ma k i n g m e t h o d f o r a mo r p h o u s r i b b o n s 图1 .2 中， 单 辊 法( s i n g le r o l le r ) 又 可 称为 熔体 甩出 法 ( m e lt s p in n in g ) 。 它 采 用 一个高速旋转的冷却辊将合金熔体拉成液膜，然后依靠冷却辊的快速热传导急冷 凝固成薄带。根据合金熔体引向冷却辊的方式不同，又分为自山喷射甩出法 ( f r e e - j e t m e l t s p i n n i n g或f j m s ) 和平面流铸法( p l a n a r f l o w c a s t i n g或 p f c法) 。 前者的喷嘴距辊面的距离较远，冷却速度更快，可以获得更薄的带材，但只适合 喷制窄带。在非晶材料研究的早期，实验室里常采用这种制带方法。而后者合金 液的出口离单辊的距离很近，在单辊与喷嘴之间形成一个熔池，该熔池对合金液 流有缓冲作用从而可获得更加均匀的薄膜。双辊法是将熔融合金喷射到两个反向 高速旋转的轧辊之间，在快速凝固过程中被轧制成薄带。理论上讲，双辊法的冷 却速率大于单辊法，并且可以使带材两面的质量相同、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这种制带方法。平面流铸 法适合制备宽带，已 经被工业化生产广泛采用。 1 . 1 .4非晶态合金的工业分类3 4 1 到目 前为止，非晶态合金作为软磁材料己在工业中应用。根据合金的成分不 同，目前应用较广泛的非晶态合金可以分为三大类:铁基非晶软磁合金、钻基非 晶软磁合金和铁镍基非晶软磁合金。 铁基非晶合金 铁基非晶合金中x ( f e )约8 0 %，其余为b , s i , c或p ，其特点是有较高的 饱和磁感应强度， b s 值在1 .6 -1 .8 t之间， 是三类非晶合金中磁感应强度最高的一 类。 由于此类合金的a值较大， 因此弱场磁性较差， p . 较低。 经磁场退火以 后的p m 值一般为 ( 2 0 -3 0 ) x 1 0 4 。该类合金由 于在较高磁感下的损耗为目 前高牌号硅钢 东北大学硕士学 位论文第一章 前言 p万fssu龙工节盆l丫 3 5 i ynucti oh 沙? o 1 ， ， ， ， ，八 宁分 ，一 一 . 飞6 . 1 / s 价 s t i u t e 单辊自由喷射甩出法单辊平面流铸制带法 图1 . 2非晶合金带材的 制备方法 f i g . 1 . 2 t h e ma k i n g m e t h o d f o r a mo r p h o u s r i b b o n s 图1 .2 中， 单 辊 法( s i n g le r o l le r ) 又 可 称为 熔体 甩出 法 ( m e lt s p in n in g ) 。 它 采 用 一个高速旋转的冷却辊将合金熔体拉成液膜，然后依靠冷却辊的快速热传导急冷 凝固成薄带。根据合金熔体引向冷却辊的方式不同，又分为自山喷射甩出法 ( f r e e - j e t m e l t s p i n n i n g或f j m s ) 和平面流铸法( p l a n a r f l o w c a s t i n g或 p f c法) 。 前者的喷嘴距辊面的距离较远，冷却速度更快，可以获得更薄的带材，但只适合 喷制窄带。在非晶材料研究的早期，实验室里常采用这种制带方法。而后者合金 液的出口离单辊的距离很近，在单辊与喷嘴之间形成一个熔池，该熔池对合金液 流有缓冲作用从而可获得更加均匀的薄膜。双辊法是将熔融合金喷射到两个反向 高速旋转的轧辊之间，在快速凝固过程中被轧制成薄带。理论上讲，双辊法的冷 却速率大于单辊法，并且可以使带材两面的质量相同、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这种制带方法。平面流铸 法适合制备宽带，已 经被工业化生产广泛采用。 1 . 1 .4非晶态合金的工业分类3 4 1 到目 前为止，非晶态合金作为软磁材料己在工业中应用。根据合金的成分不 同，目前应用较广泛的非晶态合金可以分为三大类:铁基非晶软磁合金、钻基非 晶软磁合金和铁镍基非晶软磁合金。 铁基非晶合金 铁基非晶合金中x ( f e )约8 0 %，其余为b , s i , c或p ，其特点是有较高的 饱和磁感应强度， b s 值在1 .6 -1 .8 t之间， 是三类非晶合金中磁感应强度最高的一 类。 由于此类合金的a值较大， 因此弱场磁性较差， p . 较低。 经磁场退火以 后的p m 值一般为 ( 2 0 -3 0 ) x 1 0 4 。该类合金由 于在较高磁感下的损耗为目 前高牌号硅钢 东 业人 崖 硕士学 位至 鱼 至 盈_第一 章 前言 片的1 / 3 ， 因此若能代替硅钢片在工频电力变压器中 广泛应用， 便可以 大大节省电 能。目 前由于其价格较高，且磁感应强度低于硅钢，尚不能在工频变压器中作为 商品应用。但在高频领域中应用的电子变压器、开关电源等，已有一部分采用了 铁基非晶合金。铁基非晶合金由于它的磁感高，输出功率远高于铁氧体材料。 钻基非晶合金 在钻基非晶合金中增加铁含量可以使合金的磁致伸缩系数 k , 从负值逐步变为 正值。在适当的铁含量时可使 ) , - 0 ，这类合金可以获得很高的起始磁导率，其值 和高导磁的坡莫合金同一水平，且高频特性优于坡莫合金。 在钻基非晶合金中加 入n i 可以使形成非品的能力加强，易于制成带材;加入少量 w, c r , n b , mo , t a , t a , v , mn 等过渡元素， 一般皆可提高晶化温度， 增加稳定性， 同时可使 , 0 的范围变宽， 较易获得高导磁合金。 但随着这些附加元素的增加， b s 值也显著下 降，且使非晶带变脆，甚至不能制成非晶，因此加入过渡元素的量不能太多。 铁镍基非晶合金 铁镍基非晶合金的磁致伸缩值比铁基非晶合余小，但不为零，其磁学性能介 于铁基和钻基非晶合金之间。 这三类非晶态合金，在弱场下都有很好的软磁性能，但都不能保证同时具有 高的b 。 和高的磁导率k ，因 此它们的应用范围 很受限 制。多年来人们总希望获得 一 种理想的软磁材料，不仅有高的磁导率而且有高的饱和磁感应强度。 1 . 2铁基纳米晶合金 1 . 2 . 1铁基纳米晶合金的发现 1 9 8 8 年，日 本的y o s h i z a w a 等人m 首 先发 现， 在f e - s i - b非晶 合金的 基体中 添 加少量c u 和m ( m= n b , mo , w, t a 等) ，经适当温度晶化退火以后，可获得一 种磁性能优异的具有b c c 结构的超细晶粒 ( d 1 0 n m) 软磁合金， 这类合金被称为 纳米晶软磁合金。其中，人们常说的典型 f i n e m e t纳米晶软磁合金的成分为 f e 7 3 .5 c u ,n b 3 s i , 3 .5 b 9 ， 其典 型 磁 性能 为: b , 1 .2 5 t , p ;= 1 0 0 0 0 0 价mh z ) 。 这 一 发 现 可以说是出人意料的，虽然非晶态软磁合金具有优良的软磁性能，但如果将这种 合金