Ni含量對(duì)FeCo基納米晶合金高溫磁性的影響

周龍，王治，賈蕓蕓，葛桂賢，唐光輝

（1石河子大學(xué)理學(xué)院物理系／石河子大學(xué)生態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子832003；2天津大學(xué)理學(xué)院，天津300072）

1988年 Yoshizawa等［1－2］首先發(fā)現(xiàn)了最后命名為FINEMET［3－4］的 Fe基納米晶合金，由于其優(yōu)異的軟磁性能，F(xiàn)e基納米晶材料從此受到各國(guó)材料科學(xué)工作者和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

具有高磁導(dǎo)的Fe基納米晶合金（以下稱Fe基合金）在室溫下被廣泛應(yīng)用，但是由于其較低的居里溫度限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用［5－6］。為了提高Fe基合金的居里溫度，用Co部分的代替Fe基合金中的Fe制成FeCo基納米晶合金（以下稱FeCo基合金），其軟磁性能得到了改善［7－8］。加入 Co后，雖然高溫性能得到改善，但相對(duì)Fe基合金室溫下磁導(dǎo)率卻明顯衰減。這是由于Fe基合金的磁致伸縮系數(shù)會(huì)隨退火溫度的增加而減小，而FeCo基合金與此恰好相反［9］。

由于FeCo基合金的磁致伸縮系數(shù)為正值，而Ni元素的磁致伸縮系數(shù)為負(fù)值［10－12］，將 Ni加入Fe－Co基合金中有可能減小納米晶合金磁致伸縮系數(shù)。所以為了得到同時(shí)具有高居里溫度和高磁導(dǎo)率的納米晶合金，我們?cè)诰哂休^好高溫磁性的 （Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1納米晶合金中 加入少 量的Ni元素制成了 Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－xNb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）系列樣品，研究了其基本的磁學(xué)參量居里溫度（Tc）和初始磁導(dǎo)率（μi）隨Ni含量變化的規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

用單輥熔體急冷法制備出寬約2～3mm，厚約20μm 的 非晶 Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－xNb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）系列合金薄帶，經(jīng) X射線衍射證實(shí)為非晶結(jié)構(gòu)（薄帶的制備與結(jié)構(gòu)的證實(shí)由北京理工大學(xué)材料學(xué)院完成）。將3m長(zhǎng)的薄帶卷成內(nèi)徑約為14mm，外徑約為18mm的環(huán)狀樣品，然后放入通有氬氣保護(hù)的加熱爐內(nèi)，在不同溫度（380～730℃）循環(huán)加熱，用Agilent4294A型阻抗分析儀測(cè)定交流初始磁導(dǎo)率μi隨溫度T的變化（升溫溫率10℃／min）。

2 結(jié)果與分析

2．1 Ni含量對(duì)FeCo基合金居里溫度的影響

圖1是淬態(tài)FeCo基合金的μi－T 曲線（圖中的插圖是x＝10、15、20、25、30樣品μi－T 曲線的細(xì)節(jié)圖）。由圖1可以看出：與Fe基和FeCo基淬態(tài)非晶合金一樣，含Ni的FeCo基淬態(tài)非晶合金的μi－T曲線中也出現(xiàn)了尖銳的霍普金森峰，峰值溫度對(duì)應(yīng)淬態(tài)合金的居里溫度Tc，達(dá)到該溫度時(shí)合金發(fā)生了順磁轉(zhuǎn)變。

圖1 淬態(tài) Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－xNb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）合金的μi－T 曲線Fig．1μi－T curves for as－quenched Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－x Nb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）alloys

當(dāng)Ni含量較少（x≤20）時(shí)，初始磁導(dǎo)率在高溫區(qū)出現(xiàn)了明顯的上升，這說(shuō)明非晶合金在高溫加熱過(guò)程中發(fā)生了部分晶化，而Ni含量較多（x＞20）時(shí)，合金高溫區(qū)磁導(dǎo)率幾乎一直保持較低的值，沒(méi)有明顯上升的部分，這可能與合金的晶化溫度隨Ni含量變化有關(guān)［13］。隨著Ni含量的增加一次晶化溫度Tx1增加，而二次晶化溫度Tx2降低，ΔT＝Tx2－Tx1隨Ni含量的增加而減小，說(shuō)明隨Ni含量的增加，非晶合金只能在較窄的溫度范圍內(nèi)形成單一的α－Fe－Co晶化相，二次晶化伴隨在一次晶化過(guò)程中，由于二次晶化形成硬磁相，所以Ni含量較高的合金樣品的磁導(dǎo)率沒(méi)有隨溫度升高發(fā)生明顯的上升，而是一直保持較低的值，直到760℃。

根據(jù)圖1中的霍普金森峰位置，可以得到不同Ni含量的FeCo基合金的居里溫度，圖2是居里溫度與Ni含量x的關(guān)系。從圖2可知，Ni含量為x＝10的非晶合金（以下稱x＝10合金，其它類同）的居里溫度最高，其值約為430℃，小于Ni含量為零的（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1非 晶 合 金 的 居 里 溫度（約為460℃）；隨著Ni含量的增加，合金的居里溫度迅速下降，當(dāng)x＞15后，非晶合金的居里溫度下降到了300℃以下，該值低于典型的FINEMET型Fe基合金的居里溫度值（300℃），表明過(guò)多的Ni含量對(duì)FeCo基納米晶合金的高溫磁性是不利的，所以同時(shí)具有高初始磁導(dǎo)率和高居里溫度的新型納米晶合金有望在x＝5～10的納米晶合金中獲得。

圖2 居里溫度 與Ni含量x的關(guān)系Fig．2The dependence of Curie temperature Tcand Ni content

2．2 Ni含量對(duì)FeCo基合金初始磁導(dǎo)率的影響

圖3是x＝5的合金循環(huán)加熱的μi－T 曲線，循環(huán)加熱（升溫速率為10℃／min）的最高溫度分別為385℃、500℃、740℃（見(jiàn)圖3中標(biāo)注，以下各圖中標(biāo)注含義與此相同），且達(dá)到最高溫度時(shí)保溫0．5 h。從淬態(tài)合金經(jīng)過(guò)385℃退火后降溫的μi－T曲線可以看出，磁導(dǎo)率在降溫過(guò)程中略有上升，這與合金內(nèi)應(yīng)力的釋放有關(guān)，而在400℃附近出現(xiàn)了尖銳的霍普金森峰，表明x＝5的合金樣品經(jīng)過(guò)385℃退火后沒(méi)有納米晶相析出。

從經(jīng)500℃退火后的降溫曲線可以看出，霍普金森峰消失且初始磁導(dǎo)率大幅度上升，這可能有以下兩方面原因：一方面合金經(jīng)500℃退火后已形成了非晶相和納米晶相兩相共存的雙相納米晶合金，由于鐵磁性晶化相的磁矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非晶相，所以使得磁導(dǎo)率上升；另一方面，由于含Ni的FeCo基合金的晶粒尺寸較小，可以認(rèn)為是單疇結(jié)構(gòu)，在這種情況下，各向異性對(duì)磁化過(guò)程有很大的影響，而應(yīng)變又對(duì)各向異性有較大的影響［14］，在較高溫度下退火，合金的內(nèi)應(yīng)變減小，從而使磁導(dǎo)率上升。在經(jīng)500℃退火后的升溫曲線中初始磁導(dǎo)率隨溫度緩慢下降，在400℃附近快速下降到幾乎為零，表明晶化相間的交換耦合作用被順磁性的非晶相阻斷。

從最高溫度為740℃的曲線可知，溫度上升到570℃附近，初始磁導(dǎo)率開(kāi)始緩慢上升，這可能是由于納米晶相的大量析出造成的。650℃以后，由于硬磁相析出初始磁導(dǎo)率開(kāi)始下降，700℃以后磁導(dǎo)率下降到幾乎為零。

含Ni的FeCo基合金的初始磁導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律與FeCo基合金相似，但是500℃真空退火處理的x＝5的合金樣品初始磁導(dǎo)率約為4000，低 于 500 ℃ 退 火 的 （Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金（μi≈5000），這可能是由于Ni的加入使飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度降低造成的。所以，x＝5的合金較FeCo基合金的居里溫度和初始磁導(dǎo)率都有所下降，沒(méi)有改善FeCo基納米晶合金的軟磁性能。

圖4是x＝10的合金循環(huán)加熱、冷卻過(guò)程的μi－T曲線。圖4和圖3相似，經(jīng)380℃退火后淬態(tài)合金的內(nèi)應(yīng)力的釋放，磁導(dǎo)率有所上升，在430℃附近出現(xiàn)尖銳的霍普金森峰后磁導(dǎo)率迅速下降到零，經(jīng)500℃退火的合金的初始磁導(dǎo)率約為1400，也低于500 ℃退火的（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金的初始磁導(dǎo)率，這表明x＝10的Ni含量也沒(méi)有改善FeCo基納米晶合金的軟磁性能。

圖3 淬態(tài) Ni5（Fe0．5Co0．5）68．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在連續(xù)循環(huán)加熱冷卻過(guò)程中的μi－T曲線Fig．3μi－T curves for as－quenched Ni5（Fe0．5Co0．5）68．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

圖4 淬態(tài) Ni10（Fe0．5Co0．5）63．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在連續(xù)循環(huán)加熱冷卻過(guò)程中的μi－T曲線Fig．4μi－T curves for as－quenched Ni10（Fe0．5Co0．5）63．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

圖5是x＝15的合金經(jīng)連貫循環(huán)加熱冷卻過(guò)程的μi－T曲線。由圖5可以看出：經(jīng)385℃退火的合金的μi－T曲線在300℃附近出現(xiàn)了霍普金森峰，表明經(jīng)385℃退火的合金沒(méi)有發(fā)生納米晶化，而經(jīng)500℃退火的合金初始磁導(dǎo)率較大，大于x＝5和x＝10的合金樣品，而且比FeCo基合金的初始磁導(dǎo)率也大。這可能是Ni含量增加使得納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)減小而引起的。經(jīng)550℃退火后，合金的磁導(dǎo)率大幅度下降，這可能與硬磁相的析出有關(guān)。

圖6是x＝10的合金385℃、600℃、730℃退火的μi－T曲線。從圖6可以看到，經(jīng)500℃退火的合金樣品初始磁導(dǎo)率明顯增加，室溫下初始磁導(dǎo)率約為10500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于500 ℃退火的（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金，這可能是Ni的加入使合金的磁致伸縮大幅度減小引起的。

對(duì)比圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)500℃退火后，x＝20合金樣品的初始磁導(dǎo)率低溫區(qū)時(shí)隨溫度的增加而增加，最后在居里溫度附近快速下降到零，這與x＝5、10的合金變化都不相同，可能是因?yàn)殡S著Ni含量的增加，一次晶化溫度也將增加，所以500℃退火后合金樣品沒(méi)有納米晶析出，仍為非晶態(tài)合金。經(jīng)過(guò)550℃退火后的合金樣品的初始磁導(dǎo)率快速下降到400左右（圖6），表明經(jīng)550℃退火后，合金中已經(jīng)有硬磁相析出。

從圖6還可以看出，隨Ni含量的增加，二次晶化溫度降低，形成單一bcc結(jié)構(gòu)的FeCo相的溫度范圍變小，且隨Ni含量的增加，室溫下初始磁導(dǎo)率增加。這是因?yàn)镹i含量增加使得合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，同時(shí)也說(shuō)明Ni含量的增加會(huì)使合金的磁致伸縮系數(shù)減小。

Ni含量x＝25，30的FeCo基合金樣品因居里溫度過(guò)低，已無(wú)高溫磁性研究的價(jià)值，故在此不做分析。

圖5 淬態(tài) Ni15（Fe0．5Co0．5）58．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在連續(xù)循環(huán)加熱冷卻過(guò)程中的μi－T曲線Fig．5μi－Tcurves for as－quenched Ni15（Fe0．5Co0．5）58．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

圖6 淬態(tài) Ni20（Fe0．5Co0．5）53．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在連續(xù)循環(huán)加熱冷卻過(guò)程中的μi－T曲線Fig．6μi－T curves for as－quenched Ni20（Fe0．5Co0．5）53．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

3 結(jié)論

1）FeCo基納米晶合金中加入Ni后，合金的居里溫度有所下降，當(dāng)Ni含量x≥20時(shí)，合金的居里溫度降低到300℃以下，低于一般的Fe基納米晶合金的居里溫度。

2）退火后Ni含量較少（x＜15）的納米晶合金的初始磁導(dǎo)率低于FeCo基納米晶合金的，這可能是由于Ni的加入使飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度減小造成的，Ni含量較多（x≥15）的納米晶合金，室溫下磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于FeCo基納米晶合金，這表明大量的Ni加入FeCo基合金可以使合金的磁致伸縮系數(shù)大幅度減小，但是此時(shí)合金的居里溫度低于Fe基納米晶合金，已失去了高溫磁性研究的價(jià)值。所以Ni加入到（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金中，沒(méi)有形成同時(shí)具有高居里溫度和高磁導(dǎo)率的納米晶合金。

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