Ni含量对富硼型FeSiBCuNbNi合金磁性能的影响

陈 脉,杨元政,王国太,肖贵华,罗 厅

（广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006）

自非晶/纳米晶软磁合金问世以来，因其优异的软磁性能、生产工艺简单、生产周期短及相对传统磁性材料更低碳环保等原因，深受研究人员关注，在材料研发、应用及产业化等方面均已取得长足发展［1-7］．在电力电子领域中，诸如电表测量的互感器和电力传动的滤波器等部分的磁芯部件均需要较低且恒定的磁导率［8-9］，但具有低磁导和良好磁滞回线线性度的钴基非晶合金及坡莫合金因制备成本高昂，极大限制了其应用规模．

在非晶/纳米晶软磁材料研究中，成分和热处理工艺是影响合金磁性能的重要因素［10-11］．通过适当的横向磁场热处理，可以增大感生各向异性Ku，以获得较低的磁导率以及良好线性关系的磁滞回线［12-13］．有研究表明［14-16］，通过在铁基非晶纳米晶合金中添加一定量的Ni元素，可以增大合金的磁各向异性、细化磁畴结构，进而影响磁性能．合适的张力退火热处理亦能实现恒导磁特性［17-18］，但是所需设备复杂且不利于批量生产．此外，磁芯开隙也是获得低恒磁导的常用手段，但是会降低材料的磁导率，而且还可能增加损耗［19-20］．

以富硼型FeSiBCuNbNi合金为研究对象，研究Ni含量变化对其非晶形成能力的影响．同时，制备出Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）非晶合金薄带，研究其晶化行为及经普通热处理后的磁性能．

1 材料与方法

实验所用原料为纯度99.9%的Fe，Si，Cu，Nb和Ni，以及工业Fe-B合金，其中B质量分数为17.51%．按原子百分比配料后，用JVAM-III型真空电弧熔炼炉熔炼五次，采用单辊快淬法制备出了Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12，13，14，15）合 金 带材，带材厚度约为21 μm、宽度约为0.5 mm，绕制磁芯尺寸为内径12 mm、外径14 mm、高度约0.5 mm．

采用D/Max-IIIA型X射线衍射仪（扫描范围2θ为30~90 °，扫描速度10 °/min），分析合金热处理前后物相．采用SDT Q600型差示扫描量热仪（升温速率为20℃/min，N2气氛保护），对合金进行DSC热分析．利用NBD-O1200-60IT型可编程管式高温烧结炉，在N2气氛保护下进行普通热处理，以20℃/min升温速率升至退火温度Ta后保温10 min，然后随炉温冷却至150℃出炉，利用MATS-2010SD软磁直流测量仪测试其磁性能．

2 试验结果及讨论

2.1 合金的非晶形成能力及DSC分析

淬 态Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12，13，14，15）合金带材XRD谱如图1所示．从图1可见：当x=10和x=12时，仅在2θ约为45 °处呈现出一个宽的漫散射峰，并无其它尖锐的晶化峰；而当x=13，14和15的样品在约44 °处出现尖锐的衍射峰，其对应于FeNi3相．表明：当Ni含量为10%和12%时，两种成分合金淬态带材为非晶态；当Ni含量高于12%时，合金非晶形成能力减弱，产生晶化．

图1 淬态Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12，13，14，15）合金带材的XRD谱Fig.1 XRD patterns of melt-spun Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12，13，14，15）alloy ribbons

图2 为Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）合金淬态带材的DSC曲线．从图2可见，两种非晶合金均出现两个放热峰，且均是第一个放热峰微弱，第二个放热峰明显，这表明两种合金在加热过程中晶化均经过两个阶段，且第一阶段相析出时放热焓小．对于该体系非晶/纳米晶合金而言，第一个阶段和第二阶段分别对应析出α-Fe（Ni）软磁相和硼化物硬磁相为主的晶化过程．

图2 Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）合金淬态带材DSC曲线Fig.2 DSC curves of the Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）melt-spun ribbons

此外，从图2还可见，在DSC曲线中可获取Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix的特征温度，当Ni含量分别为10%和12%时第一起始晶化温度（Tx1）分别为474和472℃，第二起始晶化温度（Tx2）分别为558和532℃，起始晶化温度差（ΔTx=Tx2-Tx1）分别为84和60℃．对比可知，不同Ni含量的非晶合金Tx1无明显变化，而Ni含量为12%时的ΔTx比Ni含量为10%的要低24℃．表明，Ni含量高时生成α-Fe（Ni）纳米晶单一相的热处理温度区间要窄，随温度升高更易析出而不利于软磁性能的硬磁相．

2.2 非晶合金的晶化过程

图3 为不同温度下经普通热处理退火后非晶合金Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）的XRD图谱．从图3可见：对于x=10的合金，在440~500℃温度区间退火时仅析出单一的α-Fe（Ni）相，并未检测到其它晶化相；经520℃退火后合金除生成α-Fe（Ni）相外，亦有少量Fe2B析出，并且α-Fe（Ni）相对应的三个晶化峰的强度均明显增强．表明，x=12的合金相结构变化与x=10的合金类似，但其在500℃退火时便已检测到多个Fe2B晶化峰，这表明该成分合金随着温度的升高更易析出硼化物，从而恶化软磁性能．

图3 Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）非晶合金不同温度退火后XRD图谱（a）x=10；（b）x=12Fig.3 XRD patterns of Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）amorphous alloy annealed at different temperatures

2.3 合金的软磁性能

对不同温度退火后的Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）两种非晶合金进行矫顽力（Hc）测量，其结果如图4所示．从图4可见，随着退火温度的升高，合金Hc均表现为先减小后增大再急剧增大．这是因为：随温度升高，α-Fe（Ni）体积分数增加，晶粒间耦合作用加强，使合金磁各向异性降低；随温度继续升高，Hc逐渐降低并达到极小值；随温度再继续升高，晶粒增大而导致Hc升高，当硬磁相硼化物析出时Hc急剧增大．对于x=10的合金，在480℃退火时合金Hc由淬态的13.6 A/m降到极小值6.9 A/m．对于x=12的合金，在470℃退火时合金Hc由淬态的12.9 A/m降到极小值8.3 A/m．

图4 Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）合金矫顽力随退火保温温度的变化Fig.4 The coercivity as a function of the annealing temperature for Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）alloy

对上述经480℃退火的Fe68Si3B16Cu1Nb2Ni10合金和经470℃退火的Fe66Si3B16Cu1Nb2Ni12合金进行静态磁性能测试，所得磁滞回线如图5所示．从图5可见，x=10合金的磁滞回线的线性度略好于x=12的合金．利用软磁直流测试装置，测得x=10和x=12合金的饱和磁感应强度Bs均为1.28 T，剩余磁感应强度Br分别为0.29和0.35 T，起始磁导率μi分别为5.6和4.8 K，最 大 磁 导 率μm分 别 为7.7和8.8 K．

图5 Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）合金普通热处理后磁滞回线Fig.5 Hysteresis loop of Fe78-xSi3B16Cu1Nb2Nix（x=10，12）alloy after annealing

3 结论

（1）对富硼型FeSiBCuNbNi合金，当Ni含量为10%和12%时，成功制备出非晶态薄带．Ni含量超过12%时合金发生晶化，同时Ni含量为10%的合金具有更宽的起始晶化温度差．

（2）当合金的Ni含量为10%和12%时，分别在480和470℃下保温10 min，合金矫顽力分别达到极小值6.9 A/m和8.3 A/m．

（3）经普通热处理后，Ni含量为10%和12%的两种合金的饱和磁感应强度Bs均为1.28 T，Ni含量为10%的合金的磁滞回线线性度略好于Ni含量为12%的合金．