铁基非晶纳米复合材料的结构及磁性能研究

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2013.12.013铁基非晶纳米复合材料的结构及磁性能研究尹拂晓，傅明喜，祝娟娟，李朋，朱宗强，李丙乙（江苏大学 材料科学与工程学院，江苏镇江 212013）摘要：对铁基非晶合金样品Fe65Ni1Al5Ga2P8.65B9.6Si3C5.75采用不同的预处理方式，利用XRD、TEM、SEM和VSM对样品的结构和磁学性能进行研究。结果表明，经过深冷+循环退火预处理之后，样品的原子结构发生弛豫，原子之间发生聚集，形成许多原子集团，原子之间的有序性和致密性增加。在部分晶化处理时，拥有较多原子集团的预处理非晶合金比淬态合金能够提供更多的形核核

2、心，得到的晶粒尺寸更小，分布更加均匀，析出相的种类也更多，且非晶样品的晶化动力学和热力学过程也发生改变。预处理样品的软磁性能比淬态更优异。关键词：循环退火预处理；团簇；弛豫；软磁性能中图分类号：TG139+.8文献标志码：A文章编号：1007-7545（2013）12-0000-00Study on Microstructure and Magnetic Properties of Fe-based Amorphous Nano-compositeYIN Fu-xiao, FU Ming-xi, ZHU Juan-juan, LI Peng, ZHU Zong-qiang, LI Bing-y

3、i(School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)Abstract: The microstructure and magnetic properties of iron-based amorphous alloy Fe65Ni1Al5Ga2P8.65B9.6Si3C5.75 pretreated in different ways were studied with XRD, TEM, SEM and VSM. The results show

4、that after copious cooling and cycle annealing pretreatment, atomic structure is relaxed, atomic groups are observed with an aggregation of atoms, meanwhile order and dense between atoms are strengthened. During segmental crystallization processing, more nucleation cores are provided by pretreated a

5、morphous samples which, compared with quenched samples, have more atomic groups, and particles with smaller grain size, more uniform grain distribution and precipitate phase species are produced. Moreover, the processes of dynamics and thermodynamics are also changed. The soft magnetic properties of

6、 pretreated samples are better than those of quenched samples.Key words: cycle annealing pretreatment, clusters, relaxation, soft magnetic properties近年来，铁基非晶纳米晶材料由于其优异的软磁性能受到广泛关注1-6。对铁基非晶合金进行退火处理后，在合金内部能够得到尺寸为纳米级的-Fe，而超细晶粒之间的紧密结合作用形成了优良的软磁性能7-10。非晶态合金作为一种新材料，其优异的物理、化学、力学性能，往往是现有金属材料所不具备的。傅明喜11的研究表明，

7、预处理方式对非晶合金内部原子的结构、分布、亚结构的产生和原子的排布有一定的影响。本文研究深冷+循环退火预处理对铁基非晶合金样品结构、非晶纳米合金的晶粒度、晶化相的分布、磁性能的影响。1 试验原料和方法试验原料为纯铝、纯镍、纯铁、纯镓、P-Fe、B-Fe、Si-Fe、高纯石墨颗粒12。首先将纯铁和石墨颗粒放入真空感应炉中制备出均匀的母合金，再将母合金采用单辊旋淬法制备出宽约10 mm、厚2025 m的Fe65Ni1Al5Ga2P8.65B9.6Si3C5.75非晶条带。淬火态的样品编号为Z，深冷+循环预处理方案：首先将试样进行液氮深冷处理 50 h，之后使用ISSP-HTF气氛热处理程控高温炉对

8、样品分别在553、613、663、713 K下进行预处理1 h（样品编号分别为A、B、C、D），预处理循环次数为3次。试样冷却到室温后，采用D/MAXRA型X射线衍射分析仪、JXA-840A扫描电镜观察微观组织形态。2 结果和讨论2.1 预处理对原子集团及亚结构的影响淬态非晶合金试样的XRD谱如图1所示。收稿日期：2013-05-07基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2007AA03Z548）作者简介：尹拂晓（1988-），男，江西吉安人，硕士研究生.图1 样品的XRD谱Fig.1 XRD patterns of sample由图1可知，非晶合金样品在2=3555()出现一个

9、宽大的衍射峰，此为馒头峰，且没有其它明显尖锐的杂峰，说明经循环处理的样品A、B、C、D还是非晶。但是经过循环预处理的非晶样品出现了与淬态样品形状不同的预峰。边秀房等13认为，预峰是非晶熔体中中程有序的表征。预峰的出现和化合物的形成行为有关14，经过循环预处理的非晶样品合金的原子通过扩散、异种原子之间发生聚集，形成了原子团簇结构12。在合金样品中不仅存在短程有序，而且还存在类亚稳固体的中程有序结构，非晶合金的原子结构发生改变。图2为非晶合金样品的TEM形貌。图2 样品的TEM形貌Fig.2 TEM structure of samples如图2所示，淬态样品经过较低温退火循环处理之后，其基本的形

10、态和结构与淬态样品Z保持一致。样品A经过553 K低温弛豫退火，在样品内部由高能态自发向低能状态转变，原子自发地聚集成团，形成原子团簇。与淬态样品相比，样品B、C、D在较高温弛豫退火后，原子的扩散程度大，原子聚集程度高，其微观形态有了较大的变化，其中的黑、白小亮点表征了原子聚集的程度和分布。合金B的SEM形貌见图3。 图3 样品B的SEM形貌Fig.3 SEM microstructure of sample B经过预处理的非晶合金其结构中形成很多的原子集团，合金内部不同的地方的原子聚集程度也不一样。可以认为，循环预处理使得原子的短程有序范围增加，最近邻原子间距减小，使合金的整体有序程度和致密

11、度增加。从而印证了图1样品经过循环预处理的XRD谱。2.2 预处理对非晶合金晶化析出相和晶粒尺寸的影响将经过循环预处理的非晶合金在783 K保温5 min晶化处理。图4为晶化处理后样品的XRD谱。 图4 晶化处理后样品的XRD谱Fig.4 XRD pattern of samples after crystallization annealing从图4可以看出，经过冷热循环预处理的样品A、B、C、D与淬态样品Z相比较，所有样品都析出了-Fe、Fe2P和Fe3P，经过冷热循环预处理的样品比淬态样品析出相的种类多，只有样品D析出FexBy相。作者认为：1）经过短暂晶化退火处理的A、B、C、D样品和

12、Z样品，由于铁是样品中的大量元素，经过原子扩散，更容易较快地与其它种类的原子形成化合物。2）如2.1关于预处理对原子集团及亚结构的影响所述。经过冷热循环预处理的非晶合金样品，异种原子之间通过原子扩散，相互聚集，在非晶合金内部形成大量的原子集团及亚结构，为晶化过程提供了大量的形核核心，所以析出相的种类多。3）样品A、B、C和D由于循环退火温度不同，晶化得到的产物也有不同。在退火温度升高的情况下，原子之间扩散能力增加，D样品晶化后，Fe-B化合物开始从基体中析出，随着循环与退火温度的增加，化合物的析出也更加复杂。另外，相的析出顺序和晶化温度也有一定的关系15。根据衍射峰的半高宽，通过Scherre

13、r公式可以计算出样品Z、A、B、C和D非晶基体上的晶粒平均尺寸分别为39.9、20.3、16.7、13.5和16.2 nm。经过循环退火处理之后，样品A、B和C晶粒平均尺寸呈减小趋势，说明经过冷热循环预处理形成的原子团簇亚结构增加了形核核心，起到了细化晶粒的作用。D样品说明，当退火温度太高时，原子的扩散、迁移能力增强，反而会促进晶粒的长大。图5为晶化退火后样品的TEM形貌。图5 晶化退火后样品的TEM形貌Fig.5 TEM pattern of samples after crystallization annealing图5中阴影部分就是晶化区。晶化后的样品A、B、C、D与晶化后淬态样品Z相

14、比，晶粒数量明显要多、尺寸要小、分布也更加弥散，样品C的晶粒尺寸最小，分布最弥散。从而印证了循环退火对原子聚集形成亚结构的结论，且能够为晶化过程提供形核核心，起到细化晶粒的作用。2.3 预处理对非晶合金磁性能的影响采用振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer，VSM）测量了样品晶化退火后的磁性能相关参数，如矫顽力Hc、饱和磁化强度Ms、剩余磁化强度Mr和剩磁比Mr/Ms，结果见表1。表1 晶化处理后样品的磁性能Table 1 Magnetic properties of samples after crystallization annealing样品编号Ms

15、/(emug-1)Hc/OeMr/(emug-1)Mr/Ms/%Z163.2953.1614.148.66A161.0124.438.395.21B159.4520.107.784.88C159.2318.306.454.05D149.8622.377.434.96从表1可看出，晶化后的样品A、B、C和D的矫顽力随退火温度的增加先下降再上升，样品C的矫顽力最低；随退火温度的升高，样品A、B和C的饱和磁化强度下降幅度要远小于样品D。样品C的剩余磁化强度和剩磁比都是最小的。这说明，纳米晶相的铁磁转化长度越小，其软磁性能也越优，当温度升高，纳米晶相的晶粒尺寸越大，其Hc也增大，故样品C的软磁性能和磁

16、致损耗都要优于其它3种。综上所述，经过冷热结合循环预退火处理的非晶样品，晶化处理对其软磁性能的影响最有利。虽然样品A、B、C和D的晶化温度和时间一样，但是其磁性能有很大的不同，这是因为冷热结合预退火处理改变了合金的原子结构和组织形态，致使合金晶化后晶粒的尺寸、形态和分布也不相同，所以其磁性能也不同。3 结论1）经过冷热结合预退火处理非晶合金的的主要结构仍为非晶，但是在非晶基体上产生结构弛豫，原子之间出现聚集形成原子集团或亚结构。2）经冷热结合循环预退火后，再部分晶化处理后析出相的种类比淬态的多，晶粒平均尺寸比淬态的小，呈弥散分布。3）在663 K冷热结合预退火处理的非晶样品再经部分晶化处理后的

17、软磁性能优于其它温度退火的样品。参考文献1 McHenry M E, Willard M A, Laughlin D E. Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnetsJ. Progress in Materials Sience，1999，44(4)：291-433.2 Makino A, Inoue A, Masumoto T. Soft-magnetic properties of Cu-free, Fe-based nanocrystalline alloysJ. Materials S

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