论文部分内容阅读
Fe基软磁非晶及纳米晶合金作为新一代的绿色节能材料,由于优良的软磁特性在各类电磁领域得到了较好的应用。然而,在现有Fe基非晶及纳米晶体系中,Fe含量偏低,导致其较低的饱和磁感应强度(Bs:1.7 T以下)与硅钢片(Bs～2.0T)存在不小的差距,无法适用于大功率产品;另一方面,高Fe含量合金系的非晶形成能力较低,带材的厚度和宽度受到限制;另外,合金带材普遍存在两级晶化温度区间过窄,过低的居里温度点以及晶化后的材料脆性严重等问题,极大地限制了该类材料的使用。因此,如何研制出具备低成本高性能Fe基非晶合金呈现重要的理论以及应用价值。通过创新合金优化成分设计,设计出一种具有低成本、高饱和磁化强度Ms以及低矫顽力Hc的新型Fe基非晶及纳米晶软磁合金体系。本文采用快淬急冷甩带工艺成功制备了以FeSiBCuC和FeSiBCuCP两类合金体系,结合微合金化法,通过添加微量的Si、B、P和C等类金属元素,对合金体系非晶的形成、晶化行为、热稳定性、软磁性能以及韧脆性等方面展开研究分析,主要研究结果和结论总结如下:(1)在 Fe83.5-xSi2B14Cu0.5Cx(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 at.%)系合金中,随着 C 含量的增加,合金的晶化峰逐渐减弱,并且当x=0.2和0.3 at.%时,该类合金呈现出完全非晶结构,表明微量C元素的添加能够有效的提高该合金体系的非晶形成能力。在450℃×10 min热处理时,Fe83.2Si2B14Cu0.5C0.3纳米晶合金的饱和磁化强度Ms处于最大值,约203.4 emu/g(Bs ≈ 1.91 T),矫顽力 Hc 约 34.7 A/m。(2)在 Fe83.4Si2B14-xPxCu0.5C0.1(x = 0,1,2,3,4,5,6 at.%)系合金中,随着 P 替换部分B元素,合金的晶化逐渐得到抑制,并且当x≥4 at.%时,合金为完全非晶结构,表明添加适量的P元素能够有效的提高该合金系的非晶形成能力。随着P元素的适量添加,扩大了两级晶化峰值退火区间ATx,并且当x=5 at.%时,△Tx处于最大值,约118.3℃。在430℃×10min热处理时,Fe83.4Si2B10P4Cu0.5C0.1纳米晶带材的Ms处于最大值,约195.8 emu/g(此时,Bs≈1.8T),以及 Hc 约 6.7A/m。(3)在 Fe84.2Si6-xB9PxCu0.5C0.3(x = 2.0,2.5,3.0,3.5,4.0 at.%)系合金中,随着 P 元素的增加,合金的晶化峰逐渐被抑制,当x=4 at.%时,由纳米晶转变为非晶结构,表明部分P替换Si元素有利于提高合金系形成非晶的能力;且微量变化的类金属B和C元素对该类合金体系形成非晶的能力非常敏感,通过微合金化法,有效的控制类金属元素的添加量,有助于提高合金非晶化的能力。当x=4at.%时,Fe84.2Si2B9P4Cu0.5C0.3非晶合金呈现较大的退火区间(△Tx=Tx2-Tx1),约为132℃。当430℃×10min热处理时,Fe84.2Si2B9P4Cu0.5C0.3纳米晶带材的Ms达到最大值,约为194.6 emu/g(此时,饱和磁感应强度Bs≈1.81 T)以及低Hc约为8.6 A/m。(4)在 Fe84.7SixB10.5-xP4Cu0.5C0.3(x = 0,0.5,1.0,1.5,2.0 at.%)系合金中,用 Si 替换部分B元素,合金的晶化峰强度逐渐减弱直至消失,且当x=1.5 at.%时,Fe84.7Si1.5B9P4Cu0.5C0.3合金呈现完全非晶结构,表明少量Si元素的添加抑制合金的晶化,促进合金的非晶化形成。随着Si元素的逐渐增添,合金的二级晶化温度(Tx2)向高温方向移动,Txl与Tx2之间的温差△Tx逐渐增大。随着Si含量(Si≥1.0 at.%)的逐渐增加,在440℃×10min热处理时,有效地抑制了 Fe-(B,P)二次相的析出,仅存在单一的α-Fe磁性相,表明在该系合金中添加适量的Si元素有效的提高退火过程的稳定性、拓宽合金热处理的温度区间以及抑制Fe-(B,P)等二次相的析出。在440℃×10min热处理时,Fes4.7Si1.5B9P4Cu0.5C0.3纳米晶带材Ms达到最大值,约206.5 emu/g(Bs≈1.92 T)以及较低Hc,约 12.5A/m。(5)在 Fe85Si1.5-xB9Cu0.5P4Cx(x=0,0.1 0.2,0.3,0.4,0.5 at.%)系合金中,在同等厚度(25μm)的条件下,随着C含量(～0.1 at.%)的增加,合金呈现出完全非晶态结构,同时将非晶形成的临界厚度由19 μm提高到了 25μm,表明添加微量的C元素有利于促进合金体系非晶的形成。随着微量C元素的添加,合金的Tc向低温方向移动,而Tx1向高温方向转变,从而较大的Txl-Tc有助于提高合金的热稳定性。在420℃×10min热处理时,Fes5Si1.4B9Cu0.5P4C0.1纳米晶合金的Ms达到最大值,约为205 emu/g(Bs≈1.93 T),且Hc处于最小值,约为5.8 A/m。(6)Fe85Si1.5B9Cu0.5P4和Fe85Si14.9Cu0.5P4C0.1两种非晶合金在淬态以及较低温退火时,带材对折180°没有发生断裂,表明合金均呈现出较好的弯曲延展性。随着C含量(>0.1 at.%)的增加,合金部分晶化,降低了韧性。随着微量C元素(0.1 at.%)的添加时,韧-脆性温度转变点从340℃增加到了 360℃,表明添加微量的C元素有效地优化了Fe85Si1.5-xB9Cu0.5P4Cx合金的韧-脆性温度转变点。(7)对于Fe85Sil.4B9P4Cu0.5C0.1非晶合金,当退火温度(Ta≤420℃)较低时,随着保温时间越长,有利于α-Fe相的析出;而当退火温度(Ta>460℃)较高时,快速热处理能够有效的抑制Fe-(B,P)等二次相的析出。当退火温度为420℃×1min热处理时,Fe85Si1.4B9P4Cu0.5C0.1纳米晶合金的Hc达到最小值约5.5 A/m,以及Ms处于较大值约204.5emu/g。而当退火温度为420℃×30min热处理时,该纳米晶合金的Ms达到最大值约207.9 emu/g(Bs ≈1.95 T)以及Hc处于较小值约6.7A/m。