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解析非晶-納米晶軟磁合金的成分

         非晶態軟磁合金具有高飽和磁感應強度、高電阻率、低矯頑力、而鐵芯損耗僅為硅鋼的1/5~1/3,因而自出現以來得到了迅速發展,被廣泛應用于各種電力電子器件中。但是由于非晶態處于熱力學上的不穩定狀態,使用時容易發生晶化并析出粗大的晶體相,使其矯頑力急劇增大,因而限制了它的應用。
        上世紀末研究發現,通過加入某些合金元素并結合適當的晶化退火工藝得到一種在非晶基體上均勻分布著細小的納米顆粒的特殊結構,即非晶納米晶合金,這種合金不僅具有高磁感、高磁導率和低損耗的優異磁性能,而且穩定性提高,制備工藝簡單、成本低廉,大大拓寬了這類新型軟磁材料的應用前景。
        Fe基納米晶軟磁合金的微觀結構和磁性能與其成分密切相關,因此,其成分設計和控制非常重要。納米晶軟磁合金一般包含以下四類元素:
1.    與磁性相關的金屬,如Fe、Co、Ni,他們是磁性合金基本組成元素,而且為了使合金飽和磁化強度達到一個較大值,它們的含量要盡可能大;值得注意的是,Co部分取代合金中的Fe后,會形成具有體心立方結構的α-(FeCoSi相,這種結構的納米晶具有高的磁矩和居里溫度,使合金具有優異的高溫磁性能。
2.     提高非晶形成能力和熱穩定性的類金屬,如Si、B、P,其中最重要的是B。B作為非晶形成元素,能夠擴大Fe基非晶合金的非晶形成范圍,穩定非晶相,降低晶化體積分數和納米晶平均顆粒尺寸,而且B的加入還能提高合金的居里溫度。P也是提高非晶形成能力的一種元素。近幾年研究表明,因為P價格比B低,用P部分替代B可以降低合金成本,而且在制備過程中,由于P的熔點低,可以降低合金熔煉過程中能量損耗。
3.     為納米晶形核提供位置的貴金屬,如Cu、Ag和Au等。Cu是納米晶形成的關鍵元素。在晶化過程中,Cu首先析出,為納米晶α-Fe(Si形核提供位置,隨后α-Fe(Si相周圍的富Cu區阻礙α-Fe(Si晶粒進一步長大。
4.     提高非晶形成能力并阻礙納米晶長大的過渡金屬,如Nb、Zr、V、Ta等。Nb也是納米晶合金形成的關鍵元素,Nb的加入不但提高了合金非晶形成能力,而且由于Nb原子半徑較大,擴散緩慢,在納米晶形成過程中能夠抑制晶粒的長大,減小晶粒尺寸。用V部分替代Nb,雖然磁導率略有降低、但可以有效改善其淬態的韌性和延展性,合金可對折而不至脆斷。
研究表明,在Fe-Nb-B合金中同時加入P和Cu時對組織結構和磁性能有明顯的影響。試驗顯示,只加入其中一種元素時對軟磁性能的提高并不明顯,但是同時加入1at%P和0.1at%Cu能顯著提高晶化后合金的軟磁性能,這是因為P和Cu的同時加入使α-Fe的晶粒尺寸從40~50nm降低到2nm以下。從目前研究成果看,Fe-Si-B-P-Cu合金體系不僅具有優異的磁性能,而且成本低,在工業生產中具有很大的經濟優勢。
來源:      時間:2013-6-10 10:09:43
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