中低磁导率的非晶纳米晶合金的制备和磁性能研究

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非晶纳米晶软磁材料在电子电力领域得到广泛应用,为获得具有良好抗直流偏置性能,在较大电流(磁场)范围内磁导率恒定,且能耗小并廉价的合金材料是市场发展需求。Finemet合金具有较低的磁晶各向异性以及弱的磁致伸缩系数,所以其具有较高的磁导率,因此其在诸多电子领域得到应用,然而较大的磁导率使得材料很容易在低磁场(电流)环境中饱和,所以存在使用缺陷。Permalloy作为一种具有线性磁滞回线的软磁合金,其磁导率具有高度可控性,因此在电流互感器等元器件中得到重用,但成本高使得应用受限。各种系列软磁合金存在其优势的同时仍有许多不足,因此开发更强针对性的软磁材料是一项工业应用于科学研究的重点。本文通过添加Ni、Co元素来改善FeSiBCuNb合金体系,并通过对合金体系成分进行调控,使合金在具备优良软磁性能的同时具备抗直流偏置特性。采用熔融快淬甩带法制备出FeSiBCuNbNi(FeSiBCuNbNi Co)合金带材,探究Ni和Co的添加对合金带材非晶形成、软磁性能、磁滞回线等的影响。(1)在FeSiBCuNbNi合金体系中,B和Ni的含量增加提高了合金的非晶形成能力,当B含量高于10 at.%,并且3 at.%≤Ni at.%≤10 at.%时,合金能够有效制备出完全非晶合金,在Ni at.%≥15 at.%时,合金带材存在Fe Ni3相。非晶带材经过退火后得到非晶基体和单一的α-Fe(Ni)晶粒,并且晶粒大小为20 nm左右。而在FeSiBCuNbNi Co合金体系中,Co的添加使得合金的非晶形成能力得到改善,在Co含量高于4 at.%时会与Fe固溶晶化,并且降低Si含量将导致非晶形成能力减弱,当Si含量降至4 at.%后,合金带材拥有Fe Ni3晶相,该带材退火后还析出了α-Fe(Ni)晶粒。(2)材料的热稳定性受合金成分影响,在FeSiBCuNbNi合金中,B含量的增高合金的Tx1增加,并且晶化峰温度差?Tx减小。而合金中Ni含量的增加合金热稳定性提高,但当Ni添加量超高10 at.%时,合金的热稳定性开始下降,并且Ni的增加导致?Tx变窄。而对于FeSiBCuNbNi Co合金,随着Co添加量增多合金晶化温度Tx1、Tx2不断提高,且△Tx不断增加。而当合金体系Si含量降低时带材产生晶化,因此晶化导致合金热稳定性略微减弱,而Si含量导致降低Tx1、Tx2不断提高,并且△Tx也得到提高。(3)FeSiBCuNb合金体系中因添加Co、Ni元素导致软磁性能得到有效改善。对于FeSiBCuNbNi合金体系,Ni的添加导致合金体系饱和磁化强度(Ms)、有效磁导率(μe)以及矫顽力(Hc)得到降低,使得合金在490℃退火可得到μ=2~3k的纳米晶磁芯,并在Ni 10 at.%获得Hc=17.8 A/m的带材。当B含量增加合金的Ms得到提高,并且Hc以及μ得到降低。而FeSiBCuNbNi Co合金体系,添加Co使得Ms得到有效提高,并且μ产生一定程度的降低,在Co 1.5at.%的Ms=178.8 emu/g,在降低Si含量使得合金Br以及μ得到降低,在Si 3 at.%得到Br=0.18 T,并且μ≈2k而Hc在50 A/m左右的纳米晶。(4)对FeSiBCuNbNi合金的磁滞回线而言,B含量的增加提高了磁滞回线线性,在B为12at.%时具有良好的线性,Ni的添加有利于改善回线线性,当Ni添加量提高线性得到显著提高,Ni10at.%合金在0~500 A/m的磁场中表现出良好的抗直流偏置特性。但FeSiBCuNbNi Co合金体系,Co的添加对磁滞回线并无影响效果,而降低合金体系Si含量,磁芯的磁滞回线线性增强,在Si 3 at.%时表现出0~600 A/m磁场中磁滞回线呈线性,合金的抗直流偏置性能得到增强。(5)FeSiBCuNbNi Co合金体系中,由于晶化导致合金带材的韧性降低,但Si含量的降低致使带材的韧性提高,而带材维氏硬度(Hv)随Si含量的降低而降低,在Si 3 at.%的晶化带材其Hv低至565.5,带材具有良好韧性。而对FeSiBCuNbNi合金体系带材进行应力退火,其μ得到降低,并且磁滞回线线性提高,合金磁芯的抗直流偏置增强。
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