Nb含量对Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0, 2, 4, 6, 8, 10)系合金非晶形成能力和微观结构的影响

王晓林

(吉林广播电视大学 四平分校，吉林 四平 136000)

Y.Yoshizawa等和K.Suzuki等研制开发的FINEMET[1-2]和NANOPERM[3-4]的Fe基纳米晶软磁合金因其在室温下具有特殊的微观结构和优良软磁性能，近年来备受学者的关注[5-10].而由Willard等人[5]于1998年公诸于世的HITPERM型合金是继FINEMET和NANOPERM系合金后发现的以Fe88Zr7B4Cu1为基础，并以α-FeCo为体相的另一类典型的纳米晶软磁合金[2].它不仅保持了诸多优异的软磁性能[10]，并且突破了FINEMET和NANOPERM 合金只能被应用于200℃以下的环境[11]的局限性，因而更加引起了学者们的研究兴趣[4-15].

本文采用单辊快淬法制备Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0, 2, 4, 6, 8, 10) 合金薄带，研究Nb替代Zr对合金非晶形成能力及微观结构的影响.

1 实验部分

1.1 样品的制备

本文实验选用高纯度的Fe、Co、Zr、Nb、B(纯度均高于99.9 %)做为初始原料，按Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0,2,4,6,8,10)配制合金成分,在高纯Ar保护气氛中电弧熔炼制备不同成分的母合金.将铸态合金锭破碎后在氩气环境中用高频感应熔融并将其喷射到快速转动的铜辊上，快淬带与铜辊接触的一面称为贴辊面，另一面为自由面.

1.2 样品的测试

利用X射线衍射(XRD，D/max 2500/PC)测试样品自由面和贴辊面的结构.利用扫描电镜(SEM，S-570)观察快淬态样品的横断面(贴辊面向自由面折断)的微观结构.

2 实验结果与分析

2.1 XRD结果分析

图1(a)为Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0,2,4,6,8,10)合金自由面的X 射线衍射图.由图(a)可见当合金中Nb原子百分比小于8%时，合金自由面不存在任何晶化峰,表明Nb原子百分比小于8%时，这几种合金的自由面均为完全非晶结构.

当Nb原子百分比为8%、10%时，合金自由面漫散峰上已经出现多个晶化峰，且随替代Zr的Nb含量的增大,晶化现象增强.说明过多的Nb替代Zr不利于非晶合金的形成；由图(b)可见合金的贴辊面也表现出相类似的规律，只是当合金中Nb原子百分比为8%时仍为非晶态，当Nb含量达到10%时才出现晶化峰.这是由于在快淬过程中，合金熔体连续且少量地浇注到铜辊表面时，合金熔体的热量是由铜辊导出，贴辊面直接接触冷却辊,冷却充分,先凝固，在自由面区凝固前已由于凝固后的进一步冷却有所收缩,而自由面需靠合金熔体自身导热去实现冷却,这使得自由面与贴辊面之间必然存在温度差异, 这样自由面凝固时冷却必定没有贴辊面的冷却充分,那么由于凝结在一起的合金薄带的自由面与贴辊面间的温度呈梯度分布，所以合金薄带自由面与贴辊面的微观结构也将随之产生变化，因而自由面比贴辊面的结晶度高，晶体含量相对于贴辊面更多.贴辊面更易于形成非晶.

图1 Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0,2,4,6,8,10)系合金淬态自由面(a)和贴辊面(b)XRD衍射谱图

从图1中还可以看出Fe40Co40Nb10B10快淬态合金自由面的α-FeCo晶粒沿着(200)晶面择优取向.许多研究表明，晶体在最有利的取向上生长最快，并且会存留下来.晶粒生长过程选择的最终结果产生择优取向[16].

表1 Fe、Co、Zr、Nb、B元素之间的负混合焓[17]

表1为Fe、Co、B和 Zr、Nb元素之间的负混合焓，从表中可以看出Zr和Fe、Co、B之间的负混合热大于Nb与Fe、Co、B之间的负混合热.因而随着Nb含量的增加，合金形成非晶能力减弱.

2.2 SEM结果分析

图2为Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0,2,4,6,8,10)系快淬态合金由贴辊面向自由面折断横断面全貌的SEM图: (a)x=0；(b)x=2；(c)x=4；(d)x=6;(e)x=8；(f)x=10.

图2 Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0,2,4,6,8,10)系合金快淬态的横断面全貌的SEM图:(a)x=0；(b)x=2；(c)x=4；(d)x=6; (e)x=8；(f)x=10

由图2可以看出，当合金添加Nb含量为8at%、10at%时样品的表面比较光滑，可能为脆性断裂；而未添加Nb和添加Nb含量为2at%、4at%、6at%时，表面出现明显的条纹状复杂形貌.韧性断裂形成裂纹时，一般会有其他的过程发生消耗其所受的能量，形貌都比较复杂.所以我们推测未添加Nb和添加Nb含量为2at%、4at%、6at%时表面断裂时可能为韧性断裂.对照图1可知，当合金未添加Nb和添加Nb原子百分比为2at%、4at%、6at%时为完全非晶态，因而样品韧性会比较大，当合金折断时就可能为韧性断裂.但当Nb原子百分比为8%、10%时，合金出现晶化现象，合金脆性增强，因而加入不同含量的Nb元素之后横断面呈现不同的形貌.

3 结论

Fe40Co40Zr10-xNbxB10(x=0,2,4,6,8,10)系合金中Nb原子百分比小于8%时的自由面均为完全非晶结构.当Nb原子百分比为8%、10%时，晶化现象增强.说明随着Nb含量的增加非晶形成能力逐渐减小.贴辊面较自由面更易于形成非晶.Fe40Co40Nb10B10快淬态合金自由面的α-FeCo晶粒是沿着(200)晶面出现明显的择优取向.当合金添加Nb含量为8at%、10at%时样品的表面比较光滑，为脆性断裂；未添加Nb和添加Nb含量为2at%、4at%、6at%时表面断裂时形貌比较复杂为韧性断裂.

参考文献：

[1]Yoshizawa Y,Oguma S,Yamauchi K.New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure [J].Journal of Applied Physics,1988,64(10):6044-6046.

[2]Suzuki K,Kataoka N,Inoue A,et al.High saturation magnetization and soft magnetic properties of bcc Fe-Zr-B alloys with ultrafine grain structure[J].Mater Trans JIM,1990,31(8):743-746.

[3]Makino A,Hatanai T,Naitoh Y,et al.Applications of nanocrystalline soft magnetic Fe-M-B(M=Zr,Nb) alloys“NANOPERM(R)”[J].IEEE Trans Magn,1997,33(5):3793-3798.

[4]陈岁元，刘常升，李慧莉，等.非晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金激光纳米化的超精细结构研究[J].物理学报，2005，54(9)：4157-4163.

[5]Willard M A,Laughlin D E,Mchenry M E,et al.Magnetic properties of hitperm (Fe,Co)88Zr7Cu4B1 magnets[J].J App Phys,1998,84(12):6773-6777.

[6]刘尧棣.Fe基软磁合金的结构、热稳定性和磁性能研究[D].吉林：吉林师范大学,2012.

[7]Suzuki K,Makino A,Inoue A,et al.Soft magnetic properties of nanocrystalline bcc Fe‐Zr‐B and Fe‐M‐B‐Cu (M=transition metal) alloys with high saturation magnetization (invited)[J].Journal of Applied Physics,1999,7(10):6232-6238.

[8]王玲玲，杨全民.频率对纳米晶软磁合金磁性能影响的理论解释[J].物理学报，2005，54(9)：4256-4262.

[9]周效峰，陶淑芬，刘佐权，等.Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金的激波纳米晶化速率和晶化度的对比研究[J].物理学报，2002，51(2)：322-325.

[10]罗丽平，晁月盛.HITPERM型软磁合金的研究进展及应用[J].稀有金属材料与工程,2011,40(8):1500-1504.

[11]Kulik T，梁秀兵,Ferenc J，et al.纳米晶铁钴基软磁材料的研究[J].中国表面工程,2004,68(5):1-5.

[12]姜少宁.铁钴基软磁材料的制备及磁性能的研究[D].太原：太原科技大学材料加工工程学院,2009.

[13]Liang Xiubing,Ferenc Jarosaw,Kuliket Tadeusz,et al.Effect of the substitution of Fe by Co on the magnetic properties and microstructure of nanocrystalline ( Fe1- xCox)86Hf7B6Cu1[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2004,284:86-91.

[14]Long J G,Ohodnicki P R,Laughlin D E,et al.Structural studies of secondary crystallization products of the Fe23B6-type in a nanocrystalline FeCoB-based alloy[J].Journal of Applied Physics,2007,101(9):114-(1-3).

[15]Babu Arvindha D,Majumdar B,Sarkar R,et al.Nanocrystallization of amorphous (Fe1-xCox)88Zr7B4Cu1alloys and their soft magnetic properties[J].Journal of Materials Research,2011,16(26):2065-2071.

[16]庞利佳,孙光飞,陈菊芳,等.纳米晶复合永磁材料各向异性的研究进展[J].金属功能材料，2005，12(4):20-24.

[17]Akira Takeuchi,Akihisa Inoue.Classification of Bulk Metallic Glasses by Atomic Size Difference,Heat of Mixing and Period of Constituent Elements and Its Application to Characterization of the Main Alloying Element[J].Materials Transactions,2005,46(12):2817- 2829.