非晶納米晶合金具有高磁感、高磁導(dǎo)率和低損耗的優(yōu)異磁性能,而且制備工藝簡單、成本低廉,可以代替鈷基非晶合金、晶態(tài)坡莫合金和鐵氧體,被廣泛應(yīng)用于高頻變壓器、扼流器、傳感器等領(lǐng)域,具有很好的應(yīng)用前景。Fe基納米晶軟磁合金一般采用非晶晶化法獲得,其制備過程可分為兩個(gè)階段:一是通過快速凝固獲得非晶態(tài)合金;二是對(duì)非晶態(tài)前驅(qū)體進(jìn)行晶化退火形成非晶納米晶雙相結(jié)構(gòu),同時(shí)消除快速凝固過程中產(chǎn)生的殘留內(nèi)應(yīng)力,從而減小應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性。非晶納米晶雙相結(jié)構(gòu)可明顯降低磁晶各向異性和飽和磁致伸縮系數(shù),從而得到具有低矯頑力、高初始磁導(dǎo)率等優(yōu)異軟磁性能的材料。非晶納米晶的微觀結(jié)構(gòu)(納米晶合金的晶粒尺寸及納米晶的體積分?jǐn)?shù))及物理性能與晶化退火時(shí)的熱處理參數(shù)密切相關(guān)。
(1)退火加熱速率。加熱速率對(duì)晶粒尺寸及磁導(dǎo)率的影響比較明顯,當(dāng)退火加熱速率增加時(shí),晶粒尺寸減小,初始磁導(dǎo)率顯著增加。例如,對(duì)于Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金,當(dāng)退火加熱速率從0.5℃/min增加到260℃/min,晶粒尺寸從13.1nm減小到10.6nm,初始磁導(dǎo)率提高到3.5倍。在退火過程中,先析出Cu團(tuán)簇作為α-Fe納米晶的形核核心,Cu團(tuán)簇的密度影響到納米晶的晶粒尺寸。當(dāng)退火加熱速率較低時(shí),先析出的Cu團(tuán)簇可能會(huì)發(fā)生聚集長大,導(dǎo)致Cu團(tuán)簇密度下降;當(dāng)退火加熱速率較高時(shí),析出的Cu團(tuán)簇較少。因此存在某個(gè)最優(yōu)的退火加熱速率,使得所獲得Cu團(tuán)簇密度最大,從而獲得尺寸最小的納米晶。
(2)退火溫度。在Fe基軟磁合金系統(tǒng)中,退火溫度一般為在500℃到650℃之間。
在540℃之前矯頑力隨溫度的升高而降低,在540℃以后隨溫度增加而增加。這是由于在第一晶化溫度期間(500~540℃)發(fā)生納米晶化,出現(xiàn)α-Fe(Si),磁晶各向異性平均化,從而使矯頑力降低;在540℃以上,隨著晶粒長大,矯頑力迅速增加,導(dǎo)致軟磁性能的惡化。韌性隨退火溫度的升高也會(huì)發(fā)生顯著變化。通常,非晶態(tài)合金在低溫退火時(shí)韌性-脆性的轉(zhuǎn)變比較緩慢,但從一定退火溫度開始,樣品的脆性就急劇增大。
(3)退火氣氛。退火時(shí)一般在惰性氣體氬氣中進(jìn)行,近年來也研究了氮?dú)鈿夥罩型嘶鸬那闆r。在非晶合金晶化過程中,伴隨著納米晶的出現(xiàn),形成大量的晶界,這些晶界含有大量的Nb,由于Nb原子半徑大,因此晶界對(duì)氮的擴(kuò)散起到阻礙作用;另外,剩余非晶相也會(huì)阻礙氮元素?cái)U(kuò)散。與傳統(tǒng)退火相比,氮元素的出現(xiàn)不會(huì)影響帶材的晶化過程,還可減小晶粒尺寸。
(4)冷卻方式及冷卻速率。退火時(shí)間較短時(shí),提高冷卻速率可減小納米晶尺寸;但退火時(shí)間較長時(shí),冷卻速率不能改變顆粒尺寸,可能是由于顆粒的長大在退火時(shí)已經(jīng)完成。另外,初始和最大磁導(dǎo)率隨著冷卻速率的增加而增大,這是因?yàn)楦叩睦鋮s速率使得磁晶各向異性降低,從而提高磁導(dǎo)率。(一員)