Nb含量對(duì)Fe-Si-B非晶合金玻璃轉(zhuǎn)變特性的影響

沈振豪，雷 聲，張正彬，官發(fā)根，馬世豪

(安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

Nb含量對(duì)Fe-Si-B非晶合金玻璃轉(zhuǎn)變特性的影響

沈振豪，雷 聲*，張正彬，官發(fā)根，馬世豪

(安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

選用單輥甩帶法制備出3種成分不同的Fe-B-Si非晶合金帶材，采用X射線衍射法(XRD)、差熱分析法(DSC)、X射線熒光光譜法(XRF)等方法研究了Nb含量對(duì)Fe-Si-B系非晶合金晶化過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Fe91.63B1.20Si7.09，F(xiàn)e91.60B1.66Si6.41，F(xiàn)e81.70B1.53Si7.653種非晶合金在連續(xù)加熱過(guò)程中均出現(xiàn)2個(gè)晶化放熱峰；微量的Nb元素對(duì)晶化過(guò)程并無(wú)明顯影響，過(guò)量的Nb元素提高了晶化溫度。

非晶合金；晶化過(guò)程；結(jié)晶

0 引言

Fe-Si-B非晶合金以其優(yōu)異的磁性能被廣泛地應(yīng)用于變壓器等電子元器件之中[1]。對(duì)Fe-Si-B非晶合金進(jìn)行退火處理能改善非晶合金的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、室溫脆性[2]。

Fe-Si-B非晶合金是一種內(nèi)部原子排列長(zhǎng)程無(wú)序的合金，當(dāng)組成成分不同時(shí)，在相同的退火溫度、時(shí)間下，其性能差別很大。其中Cu和Nb對(duì)Fe-Si-B系非晶合金晶化過(guò)程有很大的影響，Cu促進(jìn)α-Fe晶化相成核，降低其晶化溫度；Nb則阻止α-Fe長(zhǎng)大，提高其晶化溫度。但是對(duì)Fe-Si-B非晶合金的晶化行為還需細(xì)致的研究[3]。

本文研究了Fe-Si-B非晶合金在退火過(guò)程中的晶化行為，經(jīng)過(guò)對(duì)比3種不同Nb含量的Fe-Si-B系非晶合金試樣的晶化行為，總結(jié)出Nb含量對(duì)Fe-Si-B非晶合金玻璃轉(zhuǎn)變特性的影響以及影響機(jī)理，為Fe基非晶體材料成分的選擇提供了理論和實(shí)際依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)試樣母合金采用高純度(純度大于99.9%)Fe、B、Si 片按一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在高真空和氬氣保護(hù)下熔配而成，然后采用單輥甩帶法將處于熔融狀態(tài)的高溫鋼水直接制備成非晶態(tài)薄帶樣品[4]。選取3種成分不同的非晶態(tài)薄帶樣品為實(shí)驗(yàn)研究材料，編號(hào)為試樣1，2，3。

分別取出3種試樣，碾碎成粉末狀，溶于王水之中，依據(jù)JY/T015-1996感耦等離子體原子發(fā)射光譜通則，采用Optima 7300 DV等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)出B元素的含量；依據(jù)JY/T015-1996波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜通則，采用X射線熒光光譜儀進(jìn)行非晶合金剩余元素成分百分比測(cè)量；結(jié)合2次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)得出非晶體材料的元素組成成分。

分別從3種試樣中各剪切出一塊30 mg的薄片，確保清洗干凈后置于Al2O3坩堝中，參比坩堝空置，Ar保護(hù)，以加熱速率20 K/min通過(guò)STA409PC同步熱分析儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)比較3種Fe-Si-B非晶合金的DSC圖譜來(lái)分析試樣在加熱過(guò)程中的具體晶化溫度變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 非晶材料成分測(cè)量

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知:本次非晶試樣分別為Fe91.63B1.20Si7.09，F(xiàn)e91.60B1.66Si6.41，F(xiàn)e81.70B1.53Si7.65，試樣1與試樣2成分比較接近，試樣1含有微量的Nb元素和Cu元素，試樣2含有少量的Nb元素和Cu元素；非晶試樣3，F(xiàn)e含量為81.70%，含有一定量的Cu和Nb元素，Nb含量高達(dá)7.09%。非晶試樣主要成分對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 非晶試樣主要成分對(duì)照表 %

非晶試樣FeSiBCuNb試樣191.63007.09031.20000.0233<0.01試樣291.59676.41191.66000.12330.1388試樣381.70297.65251.53001.65387.0881

2.2 非晶材料XRD衍射圖譜

圖1是Fe91.63B1.20Si7.09非晶帶材經(jīng)過(guò)不同溫度退火處理后綜合s-1(200 ℃)、s-2(300 ℃)、s-3(400 ℃)、s-4(500 ℃)、s-5(600 ℃)、s-6(700 ℃)的XRD衍射線譜。

圖1 Fe91.63B1.20Si7.09非晶帶材退火后XRD衍射線譜

對(duì)非晶材料進(jìn)行退火處理，當(dāng)達(dá)到結(jié)晶溫度時(shí)會(huì)發(fā)生晶化反應(yīng)，產(chǎn)生新的晶體相，在XRD衍射圖譜中表現(xiàn)為新的晶化峰。由該非晶帶材在200 ℃的退火處理后的XRD圖譜可知，當(dāng)掃描至2θ=44.9°時(shí)，只有一個(gè)非晶寬化的漫散射峰，并未出現(xiàn)晶體樣品的尖銳峰，可以判斷所制得的合金帶材為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，檢測(cè)知合金中以Fe3Si相為主[6-7]。當(dāng)溫度在600 ℃時(shí)，2θ=44.9°原有的非晶峰變成晶體樣品的尖銳峰，并在2θ=65.5°處出現(xiàn)新峰，此二峰對(duì)應(yīng)著Fe3Si相的[220]和[422]面(PDF卡：65-0146)。當(dāng)退火溫度達(dá)到700 ℃時(shí)，分別在41.5°和43.9°產(chǎn)生新的物相，其對(duì)應(yīng)于Si4Cu15的[420]和[332]面(PDF卡：65-3166)。

2.3 非晶材料晶化溫度的測(cè)量

2.3.1 試樣1的熱分析測(cè)量

非晶體是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，晶體是穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，亞穩(wěn)態(tài)的非晶處于較高的能級(jí)，所以非晶合金的晶化過(guò)程是一個(gè)失穩(wěn)過(guò)程，放出熱量。當(dāng)退火溫度達(dá)到或者超過(guò)玻璃轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于非晶帶材的熱穩(wěn)定性的存在，非晶帶材將發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，降低其能量并達(dá)到平衡態(tài)，非晶潛熱將迅速釋放出來(lái)，在DSC曲線圖中表現(xiàn)為凸起的放熱峰。Fe91.63B1.20Si7.09非晶合金DSC熱分析曲線如圖2所示。

圖2 Fe91.63B1.20Si7.09非晶合金DSC熱分析曲線圖

由圖2可以看出試樣在連續(xù)加熱過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)晶化放熱峰，對(duì)應(yīng)于2個(gè)不同的晶化行為[8]；選取的Fe基非晶帶材在530 ℃開(kāi)始晶化，555 ℃時(shí)放熱達(dá)到峰值，594 ℃時(shí)晶化完成，此時(shí)對(duì)應(yīng)XRD衍射圖譜2θ=65.5°和2θ=44.9°處，對(duì)照PDF卡得知：此時(shí)結(jié)晶物是Fe3Si；當(dāng)加熱溫度達(dá)到671 ℃時(shí)，材料出現(xiàn)第2個(gè)晶化峰，在697 ℃時(shí)放熱達(dá)到峰值，在717 ℃時(shí)試樣已經(jīng)完全晶化，此時(shí)對(duì)應(yīng)XRD衍射圖譜2θ=41.5°和2θ=43.9°處，對(duì)照PDF卡可知：此時(shí)結(jié)晶物是Si4Cu15[9]。結(jié)合圖1和圖2可以得出結(jié)論：Fe-Si-B非晶合金晶化時(shí)Nb不會(huì)與Fe發(fā)生反應(yīng)，Cu會(huì)與Si發(fā)生反應(yīng)，結(jié)晶物為Si4Cu15。

2.3.2 3種試樣DSC曲線的測(cè)量

重復(fù)試樣1的實(shí)驗(yàn)，得到了3種非晶試樣的DSC曲線如圖3所示。

圖3 3種非晶試樣DSC熱分析曲線圖

由圖3可知，3種非晶試樣在連續(xù)加熱過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)晶化放熱峰，除試樣2以外其余試樣結(jié)晶溫度相似，經(jīng)整理后得出的DSC曲線轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表2。表2中Txonset為初始晶化溫度、Tx為峰值溫度、Tendset為晶化轉(zhuǎn)變終了溫度。

表2 3種非晶試樣的DSC曲線溫度表 ℃

試樣第1晶化峰TxonsetTx1第2晶化峰Tx2Tendset試樣1530555697717試樣2490516564583試樣3528553695711

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

比較試樣1與試樣2，雖然其元素成分基本相似，但是，試樣1與試樣2的DSC曲線差別較大。試樣2的結(jié)晶溫度變低、晶化速率變快、完全結(jié)晶溫度變低，晶化峰寬度變窄，即晶化速度得到提高。這是由于Cu難溶于Fe，會(huì)引起基體中Fe原子濃度的起伏，使α-Fe形核數(shù)量增加，使晶化的孕育時(shí)間變短，降低其析出溫度，即降低晶化溫度[10-11],并且微量的Nb元素對(duì)晶化過(guò)程并無(wú)明顯影響。

比較試樣2與試樣3，試樣3的Cu含量很高，但是試樣3的初始晶化溫度、完全晶化溫度卻比試樣2高。隨著晶化的進(jìn)行，Nb、B等元素被排擠到α-Fe相的周?chē)纬杉?xì)微的α-Fe(Si)晶化相，但是Nb是大半徑原子，其半徑遠(yuǎn)大于Fe原子半徑，Nb元素的擴(kuò)散變得困難，形成了以Nb為主導(dǎo)地位的Cu、Nb、B的原子富集。一方面形成了更多的α-Fe形核，另一方面晶化過(guò)程中合金必須吸收更多的能量突破勢(shì)壘發(fā)生晶化，會(huì)使晶化過(guò)程中的激活能增高，即增高結(jié)晶溫度[12-13]。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)微量的Nb元素對(duì)晶化過(guò)程并無(wú)明顯影響，過(guò)量的Nb元素提高晶化溫度。

2)Nb對(duì)晶化過(guò)程影響較大的原因：Nb元素難溶于Fe，也不會(huì)與Fe發(fā)生反應(yīng)，并且Nb半徑最大，擴(kuò)散困難。

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Effect of Nb Addition on Glass Transition of Fe-Si-B Metallic Glasses

ShenZhenhao,LeiSheng*,ZhangZhengbin,GuanFagen,MaShihao

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230022)

In this paper,three kinds of Fe-B-Si amorphous alloy strip with different compositions were prepared by melt-spinning method.The effect of Nb content on crystallization behavior of Fe-B-Si amorphous alloy was systemically studied by means of DSC,XRD and XRF.The results indicate that there are two exothermic peaks in the DSC curve of Fe91.63B1.20Si7.09,Fe91.60B1.66Si6.41and Fe81.70B1.53Si7.65metallic glass during continuous heating process.The adding of trace Nb elements is not affected in the crystallization behavior.The crystallization temperature of the amorphous alloys increases with the addition of excess Nb elements.

amorphous alloys;crystallization behavior;crystallization

2016-12-02

安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：kj2016A146;kj2016jd20);安徽建筑大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2015nhx-050;2013nhx-122)。

沈振豪,碩士生。

*通訊作者：雷聲，教授，博士，研究方向:材料科學(xué)和材料成形技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.01.006

TB3

A

2095-4565(2017)01-0022-04