D01:10.13374.isml00103x.2009.B.27 第31卷第3期 北京科技大学学报 Vol.31 No.3 2009年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2009 热处理对电沉积NiFe合金箔微观结构和磁性能的 影响 董虎林) 郭占成”王志 1)北京科技大学生态与循环治金教有部重点实验室，北京1000832)中国科学院过程工程研究所，北京100080 摘要对电沉积得到的N一Fe坡莫合金箔，在氢气气氛下进行退火处理，退火温度分别为850,1000和1150℃，保温时间 均为5h在扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜下观察合金箔断面和表面的显微结构，利用XRD检测合金箔的晶体结构， 利用软磁材料直流磁性测试仪装置测得合金箔的直流磁特性.实验结果表明：在850~1150℃温度下热处理时，退火温度越 高，合金箔的直流磁性能越好：经过退火热处理后合金箔的晶粒明显长大，而且合金箔存在明显的择优取向. 关键词坡莫合金：退火处理：电沉积：磁性能：择优取向 分类号TG132.2+71 Effects of heat treatment on the microstructure and magnetic properties of elec- trodeposited Ni-Fe permalloy foils DONG Hu-lin).GUO Zhan-dheng,WANG Zhi2) 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Ecobgical and Recycle M ctallurgy,University of Science and T echnology Beijing,Beijing 100083.China 2)Institute of Process Engineering.Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080.China ABSTRACT Electrodeposited Ni-Fe permalloy foils was annealed under hydrogen atmosphere at 850.1000 and 1150C for 5h,re- spectively.The microstrudures of cross sections and surfaces were observed by SEM and optical microscope,the crystal structure was studied by XRD.and the direccurrent magnetic properties were measured by direct-current magnetic properties testing equipment. The results indicate that w hen the annealing temperature is between 850 and 1 150 C.the direct-current magnetic properties improve w ith increasing temperature.After annealing.the crystals of the permalloy foils grow up rapidly and present obvious preferred orien tation. KEY WORDS permalloy:annealing:electrodeposition:magnetic pmperties preferred orientation 坡莫合金箔具有优良的磁性能，可用作在弱磁 金箔不论在理论上，还是在工业应用上都已经取 场下具有很高磁导率的铁心材料和磁屏蔽材料，也 得了很大的进展到， 可用作各种矩磁合金、热磁合金以及磁致伸缩合金 虽然电沉积制得的坡莫合金箔具有优良的磁性 等刂.传统的制取坡莫合金箔的方法是机械压延 能，但是未经热处理的电沉积坡莫合金性能与成熟 法，该法需经过治炼、锻造、热轧或冷轧，热处理等繁 的软磁材料性能相比还有一定的差距.热处理有可 杂工艺，生产成本高，产品规格受限，磁性能也不理 能提高电沉积坡莫合金的磁性能，因此对电沉积制 想.近年来，由于电沉积法制备坡莫合金箔设备简 得的坡莫合金箔进行配套的热处理研究是十分必要 单、易于操作、生产成本低且具有优良的磁性能等优 的.由于电沉积制得的坡莫合金箔在结构等方面 势而受到极大的关注.目前，电沉积法制备坡莫合 与传统轧制获得的坡莫合金箔有些差别，所以不能 收稿日期：200803-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N0.50674011) 作者简介：董虎林(1982一），男，顾士研究生：郭占成(1963-），男，教授，博士，E-maik zcguo(@meta.ustb.cd山.m
热处理对电沉积 Ni -Fe 合金箔微观结构和磁性能的 影响 董虎林 1) 郭占成 1) 王 志 2) 1) 北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室, 北京 100083 2) 中国科学院过程工程研究所, 北京 100080 摘 要 对电沉积得到的 Ni-Fe 坡莫合金箔, 在氢气气氛下进行退火处理, 退火温度分别为 850, 1 000 和 1 150 ℃, 保温时间 均为 5 h.在扫描电子显微镜( SEM) 和光学显微镜下观察合金箔断面和表面的显微结构, 利用 XRD 检测合金箔的晶体结构, 利用软磁材料直流磁性测试仪装置测得合金箔的直流磁特性.实验结果表明:在 850 ～ 1 150 ℃温度下热处理时, 退火温度越 高, 合金箔的直流磁性能越好;经过退火热处理后合金箔的晶粒明显长大, 而且合金箔存在明显的择优取向. 关键词 坡莫合金;退火处理;电沉积;磁性能;择优取向 分类号 TG132.2 +71 Effects of heat treatment on the microstructure and magnetic properties of electrodeposited Ni-Fe permalloy foils DONG Hu-lin 1) , GUO Zhan-cheng 1) , WANG Zhi 2) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China f or Ecological and Recycle M etallurgy, Universit y of S cience and T echnology Beijing, Beijing 100083, China 2) Institut e of Process Engineering, Chinese Academy of Sci ences, Beijing 100080, China ABSTRACT Electrodeposited Ni-Fe permalloy foils was annealed under hydrogen atmosphere at 850, 1000 and 1150 ℃for 5h, respectively .The microstructures of cross-sections and surfaces were observed by SEM and optical microscope, the crystal structure w as studied by XRD, and the direct-current magnetic properties were measured by direct-current mag netic properties testing equipment . The results indicate that w hen the annealing temperature is between 850 and 1 150 ℃, the direct-current magnetic properties improve w ith increasing temperature.After annealing, the crystals of the permalloy foils grow up rapidly and present obvious preferred orientation . KEY WORDS permalloy;annealing;electrodeposition ;magnetic pro perties;preferred orientation 收稿日期:2008-03-18 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50674011) 作者简介:董虎林( 1982—) , 男, 硕士研究生;郭占成( 1963—) , 男, 教授, 博士, E-mail:zcguo@metall.ustb.edu.cn 坡莫合金箔具有优良的磁性能, 可用作在弱磁 场下具有很高磁导率的铁心材料和磁屏蔽材料, 也 可用作各种矩磁合金、热磁合金以及磁致伸缩合金 等[ 1] .传统的制取坡莫合金箔的方法是机械压延 法, 该法需经过冶炼 、锻造 、热轧或冷轧 、热处理等繁 杂工艺, 生产成本高, 产品规格受限, 磁性能也不理 想.近年来, 由于电沉积法制备坡莫合金箔设备简 单、易于操作、生产成本低且具有优良的磁性能等优 势而受到极大的关注.目前, 电沉积法制备坡莫合 金箔不论在理论上[ 2] , 还是在工业应用上都已经取 得了很大的进展[ 3] . 虽然电沉积制得的坡莫合金箔具有优良的磁性 能, 但是未经热处理的电沉积坡莫合金性能与成熟 的软磁材料性能相比还有一定的差距.热处理有可 能提高电沉积坡莫合金的磁性能, 因此对电沉积制 得的坡莫合金箔进行配套的热处理研究是十分必要 的[ 2] .由于电沉积制得的坡莫合金箔在结构等方面 与传统轧制获得的坡莫合金箔有些差别, 所以不能 第 31 卷 第 3 期 2009 年 3 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.3 Mar.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.03.027
358 北京科技大学学报 第31卷 套用现有的工艺.本文研究了不同热处理温度对坡 热处理前后的线圈用软磁材料直流磁性测试仪 莫合金箔的微观结构和磁性能的影响. 装置（安泰科技股份有限公司，型号为中国计量科学 院NIM-2000S),测试其磁性能. 1实验 通过XRD数据分析计算择优取向TC(M)和粒 11电沉积N-Fe合金试样 晶尺寸 电沉积Ni一Fe合金箔来源于河北科华新材料 择优度取向TC(:)定义为： 有限公司，产品为幅宽1.2cm,厚度20m的卷带， TC(D= Ih)/Ioh)-×100%. 其成分为52.5%Ni和47.5%Fe(质量分数)的二 ∑Ae/IaAw 元合金.将该材料裁剪绕制成标准线圈进行热处理 式中，I(灿和Io(做)分别为择优取向的和无择优取 和性能检测. 向的(hkl)晶面的X射线相对强度.Io(h)取自 1.2热处理方法 JCPDS卡片47-1417中Fe-Ni合金的相对强度. 热处理主要装置为程序控温50mm的管式真 粒晶尺寸计算公式为： 空电炉.首先，将样品置入电炉恒温带后，抽真空通 入 氮气（反复两次），然后切换为H2气，其流量为 D(一Bc0s0谢乐公式. 10 mL'min1,以10℃·min1升温至预定温度 式中，k为Scherrer常数，本文取0.94；入为X射线 (850,1000和1150℃，保温5h,最后在氢气气氛 波长，对于Cu靶，λ=0.154056nm;0为Bmgg角：3 下以200℃h-1冷却至500℃，随炉冷却至200℃后 为衍射峰的半峰宽化程度，rad. 取出. 1.3测试及分析方法 2结果及分析 热处理前后的试样均在超声波清洗机中用酒精 2.1退火温度对坡莫合金箔显微结构的影响 和丙酮分别清洗2min,然后在光学显微镜下观测合 图1为光学显微镜下观察未经腐蚀各试样的表 金箔的表面微观组织并进行X射线衍射仪分析 面形貌.从图中可以看到，原始试样的表面呈脊状 (XRD),分析设备为日本玛柯MXP2-VAHF. (图1(a),而且看不到明显的晶界，这是典型的金 将合金箔浇注于树脂中，制得截面的金相试样， 属电沉积层外部形貌的几何特征.经过氢气退火 经过抛光和腐蚀剂(5%HN03十95%酒精（体积分 热处理后，能看到明显的晶粒和晶界（图1(b)~ 数)，水浴加热至45℃腐蚀后，分别在光学显微镜 (d)).对于850℃和1000℃热处理试样，晶粒细小. 和JSM一35F扫描电镜下观测试样断面的微观组织. 进一步放大两试样（图1(e),(f))发现850℃热处 2 um I um 图1坡莫合金箔光学显微镜表面形貌图.(a)电沉积原始试样：(b)850℃C热处理试样：(c)1000℃热处理试样：(d1150℃热处理试样： (放大后的850℃热处理试样：()放大后的1000℃热处理试样 Fig I Optical microstructures of surfaces of pemalloy foik:(a)prime electrodeposited sample (b)sample annealed at 850 C;(c)sampe an- nealed at1000℃，(d)sample anneaed at1l50℃，(e)sampl annealed at850℃by magnified further(0 sample annealed at1000℃by magni- fied further
套用现有的工艺 .本文研究了不同热处理温度对坡 莫合金箔的微观结构和磁性能的影响. 1 实验 1.1 电沉积 Ni-Fe 合金试样 电沉积 Ni-Fe 合金箔来源于河北科华新材料 有限公司, 产品为幅宽 1.2 cm, 厚度 20 μm 的卷带, 其成分为 52.5 %Ni 和 47.5 %Fe( 质量分数) 的二 元合金.将该材料裁剪绕制成标准线圈进行热处理 和性能检测. 1.2 热处理方法 热处理主要装置为程序控温 50 mm 的管式真 空电炉 .首先, 将样品置入电炉恒温带后, 抽真空通 氮气 ( 反复两次) , 然后切换为 H2 气, 其流量为 10 mL·min -1 , 以 10 ℃· min -1 升 温至预 定温 度 ( 850, 1 000 和 1 150 ℃) , 保温 5 h, 最后在氢气气氛 下以 200 ℃·h -1冷却至500 ℃, 随炉冷却至200 ℃后 取出 . 1.3 测试及分析方法 热处理前后的试样均在超声波清洗机中用酒精 和丙酮分别清洗 2 min, 然后在光学显微镜下观测合 金箔的表面微观组织并进行 X 射线衍射仪分析 ( XRD) , 分析设备为日本玛柯 M XP21-VAHF . 将合金箔浇注于树脂中, 制得截面的金相试样, 经过抛光和腐蚀剂( 5 % HNO3 +95 %酒精( 体积分 数) , 水浴加热至 45 ℃) 腐蚀后, 分别在光学显微镜 和 JSM-35F 扫描电镜下观测试样断面的微观组织 . 热处理前后的线圈用软磁材料直流磁性测试仪 装置( 安泰科技股份有限公司, 型号为中国计量科学 院 NIM-2000S) , 测试其磁性能. 通过 XRD 数据分析计算择优取向 TC( hk l)和粒 晶尺寸 . 择优度取向 TC( hk l)定义为: TC( hk l) = I( hkl)/ I 0( hkl) ∑I( hkl)/ I 0( hkl) ×100 %. 式中, I( hkl)和 I0( hk l)分别为择优取向的和无择优取 向的( hk l) 晶面的 X 射线相对强度 .I 0(hkl) 取自 JCPDS 卡片 47-1417 中 Fe-Ni 合金的相对强度 . 粒晶尺寸计算公式为: D( hk l) = κλ βcosθ (谢乐公式) . 式中, κ为 Scherrer 常数, 本文取 0.94 ;λ为 X 射线 波长, 对于Cu 靶, λ=0.154056nm ;θ为Bragg 角;β 为衍射峰的半峰宽化程度, rad . 2 结果及分析 2.1 退火温度对坡莫合金箔显微结构的影响 图 1 为光学显微镜下观察未经腐蚀各试样的表 面形貌.从图中可以看到, 原始试样的表面呈脊状 ( 图 1( a) ) , 而且看不到明显的晶界, 这是典型的金 属电沉积层外部形貌的几何特征[ 4] .经过氢气退火 热处理后, 能看到明显的晶粒和晶界( 图 1( b) ～ ( d) ) .对于850 ℃和1 000 ℃热处理试样, 晶粒细小. 进一步放大两试样( 图1( e ) , ( f ) ) 发现850 ℃热处 图 1 坡莫合金箔光学显微镜表面形貌图.( a) 电沉积原始试样;( b) 850 ℃热处理试样;( c) 1000 ℃热处理试样;( d) 1 150℃热处理试样; ( e) 放大后的 850 ℃热处理试样;( f) 放大后的 1 000 ℃热处理试样 Fig.1 Optical microstructures of surfaces of pemalloy f oils:( a) prime electrodeposit ed sample;( b) sample annealed at 850 ℃;( c) sample annealed at 1 000 ℃;( d) sample annealed at 1 150 ℃;( e) sample annealed at 850 ℃by magnified further;( f) sam ple annealed at 1 000 ℃by magnified fu rther · 358 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第3期 董虎林等：热处理对电沉积NF合金箔微观结构和磁性能的影响 359。 理试样中晶粒有大有小，而1000℃热处理试样晶粒 粒，直至它们相互靠拢在一起，此时二次再结晶过程 比较均匀，且小晶粒明显比850℃热处理试样要少 完成，最后得到粗大的组织 1150℃热处理试样晶粒急剧增大至10m左右，这 图2给出了合金箔截面的SEM形貌图.从 可能是由于合金箔比较薄且存在择优取向（织构的 图2(d可以看到，原始试样的截面是亮暗相间的层 原因而引起的二次再结晶.因为出现织构时，各 状组织，按金属电沉积生长方向排列，各层间距大小 晶粒的取向差很小，不利于晶界迁移：而且合金箔厚 不均，层宽为100一200nm大小不等？.对于这种 度很小时，晶界处于薄板表面的相对数量较大，这会 电沉积产生的断面形貌，可能是由于电沉积层结构 增加晶界移动的阻力.另外，晶粒长大超过合金箔 或成分的周期变化引起的y.图2(b)~(山是不 的厚度后，晶界形状和晶界曲率的显著变化会使晶 同退火温度下试样的断面形貌.从图中可以看出 界驱动力减小，不利于界面移动.所以对于合金箔 层状结构已经消失，且从850~1150℃晶粒内部亚 来说，绝大多数晶粒长大比较困难.当合金箔加热 晶晶粒逐渐在增大，850℃时约为50nm,1000℃时 到高温时，由于组织的不均匀性或其他机会总会有 约为100nm,而在1150℃时为300~500nm.这充 个别晶粒稍稍优先长大起来，一旦这些少数晶粒长 分说明，热处理后试样内部结构和成分都趋于均匀 大，二次再结晶的条件完全具备.随着时间的延长 化，大大减少了电沉积原始试样的内部缺陷 其长大速度会越来越快且迅速吞食周围的大量小晶 (a) Ib) 图2坡莫合金箔截面SEM亚晶形貌图.(a原始试样：(b)850℃热处理试样：(g1000℃热处理试样：(d1150℃热处理试样 Fig 2 Sub-grain miemstmuctures of emss ctions of pemalloy foils:(a)primeelectrodeposited sample (b)sample annealed at 850C:(c)sam- pe annealed at 1000 C;(d)sample annealed at 1150 C 22退火温度对坡莫合金箔结构的影响 从图中还可以观察到，各试样都有不同程度的 图3为各试样的XRD谱图.与标准卡片 择优取向.表1中(I11)晶面的织构系数TC1计 (JCPDS卡片47-1417)对照可确定热处理前后试样 算结果表明，电沉积制得的坡莫合金箔本身具有一 均为YHFe,Ni),有序相Ni3Fe没有出现.比较原始 定的择优取向，这种电沉积能够获得不同程度具有 试样与热处理后试样的XRD谱图发现，经过热处理 择优取向镀层在很多文献中都有报道口.经过 后的试样衍射峰变得又窄又尖，说明经过热处理后， 不同温度热处理后，合金箔在(111)晶面择优取向有 试样已经完全地晶化：经过对比热处理前后XRD图 很大的增强，在1150℃热处理温度下甚至达到 的原始数据，发现热处理后的试样没有像原始试样 100%:而(111)方向正好是合金箔的易磁化方向. 在20为10~30°之间的那些杂峰（从图3中也可以 表1中根据谢乐公式计算的粒晶尺寸大小显示：热 观察到)，说明试样中的杂质元素$、P和非晶已经 处理前合金箔的粒晶大小在10nm左右；热处理后， 消失，即试样得到了纯化.原因可能是$、P杂质元 合金箔的粒晶大小增加至50nm左右，但不同的温 素在高温下与氢气发生反应分别生成H2S、H3P气 度对其没有太大的影响.谢乐公式对晶粒越小则计 体逸出.对比各试样(111)晶面衍射峰的衍射强度 算越准确，而晶粒粗大时就会有些失真.通过电子 (图3)可以看出，850C热处理后试样(111)晶面的 显微镜和金相显微镜观察的晶粒形貌是孪品和晶劈 衍射强度比原始试样提高了有50倍之多，而 的合并，但被视为一个晶粒，而且观察的数据有所误 1000℃时提高到60倍，但1150℃时又下降至30 差，这是造成前文形貌观察和谢乐公式计算的晶粒 倍，这可能是由于热处理后试样完全晶化的结果， 大小不一致的原因
理试样中晶粒有大有小, 而1 000 ℃热处理试样晶粒 比较均匀, 且小晶粒明显比 850 ℃热处理试样要少 . 1 150 ℃热处理试样晶粒急剧增大至 10 μm 左右, 这 可能是由于合金箔比较薄且存在择优取向( 织构) 的 原因而引起的二次再结晶 [ 5] .因为出现织构时, 各 晶粒的取向差很小, 不利于晶界迁移;而且合金箔厚 度很小时, 晶界处于薄板表面的相对数量较大, 这会 增加晶界移动的阻力.另外, 晶粒长大超过合金箔 的厚度后, 晶界形状和晶界曲率的显著变化会使晶 界驱动力减小, 不利于界面移动 .所以对于合金箔 来说, 绝大多数晶粒长大比较困难 .当合金箔加热 到高温时, 由于组织的不均匀性或其他机会总会有 个别晶粒稍稍优先长大起来, 一旦这些少数晶粒长 大, 二次再结晶的条件完全具备 .随着时间的延长 其长大速度会越来越快且迅速吞食周围的大量小晶 粒, 直至它们相互靠拢在一起, 此时二次再结晶过程 完成, 最后得到粗大的组织 . 图 2 给出了合金箔截面的 SEM 形貌图.从 图 2( a) 可以看到, 原始试样的截面是亮暗相间的层 状组织, 按金属电沉积生长方向排列, 各层间距大小 不均, 层宽为 100 ～ 200 nm 大小不等[ 6-7] .对于这种 电沉积产生的断面形貌, 可能是由于电沉积层结构 或成分的周期变化引起的 [ 8-9] .图 2( b) ～ ( d) 是不 同退火温度下试样的断面形貌 .从图中可以看出, 层状结构已经消失, 且从 850 ～ 1 150 ℃晶粒内部亚 晶晶粒逐渐在增大, 850 ℃时约为 50 nm, 1 000 ℃时 约为 100 nm, 而在 1 150 ℃时为 300 ～ 500 nm .这充 分说明, 热处理后试样内部结构和成分都趋于均匀 化, 大大减少了电沉积原始试样的内部缺陷. 图 2 坡莫合金箔截面 SEM 亚晶形貌图.( a) 原始试样;( b) 850 ℃热处理试样;( c) 1 000 ℃热处理试样;( d) 1 150 ℃热处理试样 Fig.2 Sub-grain microstructures of cross-sections of permalloy f oils:( a) prime electrodeposited sample;( b) sample annealed at 850 ℃;( c) sample annealed at 1 000 ℃;( d) sample annealed at 1 150 ℃ 2.2 退火温度对坡莫合金箔结构的影响 图 3 为各 试样的 XRD 谱 图.与标 准卡 片 ( JCPDS 卡片 47-1417) 对照可确定热处理前后试样 均为γ-[ Fe, Ni] , 有序相Ni3Fe 没有出现.比较原始 试样与热处理后试样的XRD 谱图发现, 经过热处理 后的试样衍射峰变得又窄又尖, 说明经过热处理后, 试样已经完全地晶化 ;经过对比热处理前后 XRD 图 的原始数据, 发现热处理后的试样没有像原始试样 在2 θ为 10 ～ 30°之间的那些杂峰( 从图 3 中也可以 观察到) , 说明试样中的杂质元素 S 、P 和非晶已经 消失, 即试样得到了纯化 .原因可能是 S 、P 杂质元 素在高温下与氢气发生反应分别生成 H2S 、H3P 气 体逸出.对比各试样( 111) 晶面衍射峰的衍射强度 ( 图 3) 可以看出, 850 ℃热处理后试样( 111) 晶面的 衍射 强度比 原始试 样提高 了有 50 倍之 多, 而 1 000 ℃时提高到 60 倍, 但 1 150 ℃时又下降至 30 倍, 这可能是由于热处理后试样完全晶化的结果. 从图中还可以观察到, 各试样都有不同程度的 择优取向 .表 1 中( 111) 晶面的织构系数 TC( 111) 计 算结果表明, 电沉积制得的坡莫合金箔本身具有一 定的择优取向, 这种电沉积能够获得不同程度具有 择优取向镀层在很多文献中都有报道[ 10-12] .经过 不同温度热处理后, 合金箔在( 111) 晶面择优取向有 很大的增强, 在 1 150 ℃热处理温度下甚至达到 100 %;而( 111) 方向正好是合金箔的易磁化方向. 表 1 中根据谢乐公式计算的粒晶尺寸大小显示:热 处理前合金箔的粒晶大小在 10 nm 左右 ;热处理后, 合金箔的粒晶大小增加至 50 nm 左右, 但不同的温 度对其没有太大的影响 .谢乐公式对晶粒越小则计 算越准确, 而晶粒粗大时就会有些失真 .通过电子 显微镜和金相显微镜观察的晶粒形貌是孪晶和晶劈 的合并, 但被视为一个晶粒, 而且观察的数据有所误 差, 这是造成前文形貌观察和谢乐公式计算的晶粒 大小不一致的原因 . 第 3 期 董虎林等:热处理对电沉积 Ni-Fe合金箔微观结构和磁性能的影响 · 359 ·
。360· 北京科技大学学报 第31卷 6500 350000 (a)原始样 (111) 111) b)1000℃ 5200 280000 3900 2600 盖 140000 1300 (200) 70000 (200) 0 102030405060708090 02030405060708090 20() 20() 300000 200000 (1) (c)850℃ (d)1150℃ 8240ol (11) 160000 180000 差 120000 120000 80000 60000 40000 (200) 102030405060708090 90203040,5060708090 20() 20v() 图3各试样的XRD谱 Fig.3 XRD patterns of different samples 表1对应于图3的XRD计算结果 加至3.9mHm1和47.0mHm1.晶粒显著长大 Table I XRD results of different samples corresponding to Fig.3 和(111)晶面完全择优取向是材料磁性能显著提高 试样 TC(/% D(un/nm 的主要原因 原始样 641 10.4 表2不同热处理温度下坡莫合金箔的磁性能 850℃处理 866 49.2 Table 2 Magnetic properties of permalloy foils mnealed at dfferent 1000℃处理 897 51.0 temperat ures 1150℃处理 100.0 48.8 BsoM/B/H/ 试样 TT (A'm)(mH'm)(mH'm) 2.3退火温度对坡莫合金箔磁性能的影响 原始样 1.4309629.2 222107 表2是热处理前后合金箔磁性能的变化.从表 850℃保温5h1.16060965 3.8 1.10 中可以得到，850C热处理后，合金箔的磁性能指标 1000℃保温5h1.52112 59.6 11.2 174 除剩余磁感应强度B,和初始磁导率Q.⑧几乎没有 1150℃保温5h1.5108010.947.0 390 发生变化外，其他各项磁性能都很大程度上发生了 恶化.这是由于电沉积制得的合金箔晶粒细小，接 与本文电沉积坡莫合金成分和厚度接近，经熔 近纳米晶的缘故，当颗粒尺寸达到10m量级的时 融冶炼、轧制和热处理等多道工序而获得的1J50坡 候会表现出超顺磁性？，使得电沉积原始试样即 莫合金箔带（厚度为002~0.04mm、Ni质量分数 具有较好的磁性能.850℃热处理后，晶粒有所长 为49%~51%)的磁性能标准是：as=2.8mH· 大，但没有大到使磁性能提高的尺寸，因而造成其磁 m,hm=25.0mHm1,B=1.5T,He=24A· 性能恶化.随着热处理温度的提高，晶粒不断长大， m.由此可见，电沉积52.5%N-47.5%Fe二 磁性能又开始提高.1150℃热处理后，晶粒显著增 元坡莫合金箔经1150℃保温5h热处理后，性能显 大（如图1(d),最大可及10m左右.(111）方向为 著优于1J50. 合金箔的易磁化方向，经过高温热处理后(111)晶面 完全择优取向；因此其磁性能显著提高，饱和磁感应 3结论 强度B8m达到1.51T,矫顽力H。显著降低至 (1)在氢气气氛下1150℃保温5h退火处理 10.9Am,o.o8和m(最大磁导率)分别成倍增 后，坡莫合金箔的晶粒明显变大，光学显微镜下观测
图 3 各试样的 XRD 谱 Fig.3 XRD patt erns of different samples 表 1 对应于图 3 的XRD 计算结果 Table 1 XRD results of diff erent samples corresponding to Fig .3 试样 TC( 111)/ % D( 111)/ nm 原始样 64.1 10.4 850 ℃处理 86.6 49.2 1 000 ℃处理 89.7 51.0 1 150 ℃处理 100.0 48.8 2.3 退火温度对坡莫合金箔磁性能的影响 表 2 是热处理前后合金箔磁性能的变化.从表 中可以得到, 850 ℃热处理后, 合金箔的磁性能指标 除剩余磁感应强度 B r 和初始磁导率 μ0.08几乎没有 发生变化外, 其他各项磁性能都很大程度上发生了 恶化.这是由于电沉积制得的合金箔晶粒细小, 接 近纳米晶的缘故, 当颗粒尺寸达到 10 nm 量级的时 候, 会表现出超顺磁性 [ 13] , 使得电沉积原始试样即 具有较好的磁性能 .850 ℃热处理后, 晶粒有所长 大, 但没有大到使磁性能提高的尺寸, 因而造成其磁 性能恶化.随着热处理温度的提高, 晶粒不断长大, 磁性能又开始提高.1 150 ℃热处理后, 晶粒显著增 大( 如图 1( d) ) , 最大可及 10μm 左右 .( 111) 方向为 合金箔的易磁化方向, 经过高温热处理后( 111) 晶面 完全择优取向;因此其磁性能显著提高, 饱和磁感应 强度 B800 达到 1.51 T, 矫顽 力 Hc 显著降低 至 10.9 A·m -1 , μ0.08和 μm( 最大磁导率) 分别成倍增 加至 3.9 mH·m -1和 47.0 mH·m -1 .晶粒显著长大 和( 111) 晶面完全择优取向是材料磁性能显著提高 的主要原因 . 表 2 不同热处理温度下坡莫合金箔的磁性能 Table 2 Magnetic properties of permalloy f oils annealed at different t emperatures 试样 B800/ T B r/ T H c / ( A·m -1 ) μm / ( mH·m -1 ) μ0.08 / ( mH·m -1 ) 原始样 1.43 0.96 29.2 22.2 1.07 850 ℃保温 5 h 1.16 0.60 96.5 3.8 1.10 1 000 ℃保温 5 h 1.52 1.12 59.6 11.2 1.74 1 150 ℃保温 5 h 1.51 0.80 10.9 47.0 3.90 与本文电沉积坡莫合金成分和厚度接近, 经熔 融冶炼、轧制和热处理等多道工序而获得的 1J50 坡 莫合金箔带( 厚度为 0.02 ～ 0.04 mm 、Ni 质量分数 为 49 %～ 51 %) 的磁性能标准是 :μ0.08 =2.8 mH· m -1 , μm =25.0 mH·m -1 , B s =1.5 T, Hc =24 A· m -1[ 1] .由此可见, 电沉积 52.5 %Ni-47.5 %Fe 二 元坡莫合金箔经 1 150 ℃保温 5 h 热处理后, 性能显 著优于 1J50 . 3 结论 ( 1) 在氢气气氛下 1 150 ℃保温 5 h 退火处理 后, 坡莫合金箔的晶粒明显变大, 光学显微镜下观测 · 360 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第3期 董虎林等：热处理对电沉积NF合金箔微观结构和磁性能的影响 ·361。 最大可及10m. Prs5,2004:203 (2)经过热处理后，合金箔存在有不同程度的 (宋维锡.金属学.北京：治金工业出版社，2004：203) [6 Nakamura K,Umetani M,HayashiT.Electrodeposition of imo 择优取向，1150℃保温5h热处理后，(111)晶面完 rich Ni-Fe alloys from sulphate and chloride baths.Surf Technol. 全择优取向，且经过热处理后坡莫合金箔得到纯化. 1985.25:111 (3)1150℃热处理后，合金箔的直流磁性能达 [7 Egberts P.Brodersen P,Hibbard G D.Mesoscale structure in 到最好，Bs0m达到1.51T,H。降至109Am1, electrodeposited nanocrystalline Ni-Fe alloys.Mater Sci Eng A. as和“m分别升至3.9mH·m-1和47.0mH· 2006.441:336 [8 EHSharif M R,Chisholm C U,Watson A.Microstructure of m1,这归因于晶粒增大、合金箔纯化和合金(111) electrodeposited chromium and chromium alloys.Eurocorrosion, 方向择优取向. 1991(1):234 [9 Banovic S W.Barmak K,Marder A R.Microstructural charac 参考文献 terization and hardess of electrodeposited nickel coatings from a [1]Leith S D.RamliS,Schwartz D T.Characterization of Ni,Fe- sulphamate bath.J Mater Sci,1998.33:639 (00K<0 95)electrodeposition from a family of sulfamate- [10 Gu M.Yang F Z.Huarg L.et al.The formation of copper chloride electroly tes.J E lectrodem Soc,1999,146(6):1431 electrodeposits w ith highly preferred orientation and their su rface [2]Guo Z C.Liu Y X.Liu M F,et al.Magnetic properties and mi- momphology.Acta Phys Chim Sin.2002.18(11):973 cmstructure of electrodeposited Fe and Ni alby foil.Chin/Non- (辜敏，杨防祖，黄令，等.高择优取向铜镀层的电化学形成及 ferrous M,2004,14H2):273 其表面形貌.物理化学学报，2002.18(11)：973) (郭占成，刘星宇，刘美风，等.电沉积F、Ni基合金箔的组织 [11]Huang L.Xu S K,Tang JC.et al.Effect of Ndt ion on pre- 形貌及磁性能.中国有色金属学报.2004.14(2)：273) ferred orientation of elect mdeposited nickel and its properties.J [3]Lu W C.Xu Y L.Zhao Y,et al.The Way of Making Pure Fe Xiamen Univ Nat Sci,1996,35(6):907 Foil by E kctrodeposition.Chinese Patent,ZL91102934 1994- (黄令，许书楷，汤皎宁，等钕离子对镍电沉积层择优取向及 04-22 其性能的影响.厦门大学学报：自然科学版.1996,36：907 (卢维昌，徐运兰，赵蕴，等.电解成型制备纯铁箔的方法.中 [12]Bugaychuk S M,Nadutov V M,Karpets M V,et al.Effect of 国专利.ZL91102934.199404一22) dectron irradation on texturing in electmdeposited nanocrys 4 Zhou SM.Principles and Research Methods of Electrodeposition taline alby Fe-78%Ni.Scripta Mater,2007,57:1028 Metals.Shanghai:Shanghai Science and Technology Press, [13 Feng D.Metal Physics,Vol.4:Electric Pmoperties and Mag- 1987:243 netic Properties of Superonductive Materia ls.Beijing Science (周绍民.金属电沉积原理与研究方法.上海：上海科学技术 Pe55,1998:580 出版社，1987：243) (冯端。金属物理学，第四卷：超导电性和磁性.北京：科学出 [5]Son W X.Metallography.Beijing:Metallungical Industry 版社，1998：580)
最大可及 10 μm . (2) 经过热处理后, 合金箔存在有不同程度的 择优取向, 1 150 ℃保温 5 h 热处理后, ( 111) 晶面完 全择优取向, 且经过热处理后坡莫合金箔得到纯化 . ( 3) 1 150 ℃热处理后, 合金箔的直流磁性能达 到最好, B800 达到 1.51 T, Hc 降至 10.9 A ·m -1 , μ0.08和 μm 分别升至 3.9 mH·m -1和 47.0 mH· m -1 , 这归因于晶粒增大、合金箔纯化和合金( 111) 方向择优取向. 参 考 文 献 [ 1] Leith S D, Ramli S, Schwartz D T .Charact erization of Ni xFe1 -x ( 0.01<x <0.95) electrodeposition from a family of sulf amatechloride electroly tes.J E lectrochem Soc, 1999, 146( 6) :1431 [ 2] Guo Z C, Liu Y X, Liu M F, et al.Magnetic properties and microstructure of electrodeposited Fe and Ni alloy f oil.Chin J Nonf errous Met, 2004, 14( 2) :273 ( 郭占成, 刘星宇, 刘美凤, 等.电沉积 Fe 、Ni 基合金箔的组织 形貌及磁性能.中国有色金属学报, 2004, 14( 2) :273) [ 3] Lu W C, Xu Y L, Zhao Y, et al.The Way of Making Pure Fe Foil by E lectrodeposition .Chinese Pat ent, ZL91102934.1994- 04-22 ( 卢维昌, 徐运兰, 赵蕴, 等.电解成型制备纯铁箔的方法.中 国专利, ZL91102934.1994-04-22) [ 4] Zhou S M .Principles and Research Methods of Electrodeposition Meta ls.Shanghai:S hanghai S cience and Technology Press, 1987:243 ( 周绍民.金属电沉积原理与研究方法.上海:上海科学技术 出版社, 1987:243) [ 5] Song W X.Metallography .Beijing :Metallurgical Industry Press, 2004:203 ( 宋维锡.金属学.北京:冶金工业出版社, 2004:203) [ 6] Nakamura K, Umetani M, Hayashi T .Electrodeposition of ironrich Ni-Fe alloys from sulphate and chloride baths.S urf Technol, 1985, 25:111 [ 7] Egberts P, Brodersen P, Hibbard G D.Mesoscale structure in electrodeposit ed nanocryst alline Ni-Fe alloys.Mater S ci Eng A , 2006, 441:336 [ 8] El-S harif M R, Chisholm C U, Watson A .Mi crostructu re of electrodeposit ed chromium and chromium alloys.Eurocorrosion , 1991( 1) :234 [ 9] Banovic S W, Barmak K, Marder A R.Microstructural characterization and hardness of electrodeposit ed nickel coatings from a sulphamat e bath.J Mater Sci, 1998, 33:639 [ 10] Gu M, Yang F Z, Huang L, et al.The formation of copper electrodeposits w ith highly preferred orientation and their su rf ace morphology .Acta Phys Chim S in, 2002, 18( 11) :973 ( 辜敏, 杨防祖, 黄令,等.高择优取向铜镀层的电化学形成及 其表面形貌.物理化学学报, 2002, 18( 11) :973) [ 11] Huang L, Xu S K, Tang J C, et al.Effect of Nd +i on on preferred orientation of electrodeposited nickel and its properties.J X iamen Uni v Nat Sci, 1996, 35( 6) :907 ( 黄令, 许书楷, 汤皎宁, 等.钕离子对镍电沉积层择优取向及 其性能的影响.厦门大学学报:自然科学版, 1996, 35( 6) :907) [ 12] Bugaychuk S M, Nadutov V M , Karpets M V, et al.Eff ect of electron irradiation on t exturing in electrodeposited nanocrystalline alloy Fe-78%Ni.Scripta Mat er, 2007, 57:1028 [ 13] Feng D .Meta l Physics, Vol .4 :Electric Properties and Magnetic Properties of Su percond ucti ve Mat eria ls.Beijing:S cience Press, 1998:580 ( 冯端.金属物理学, 第四卷:超导电性和磁性.北京:科学出 版社, 1998:580) 第 3 期 董虎林等:热处理对电沉积 Ni-Fe合金箔微观结构和磁性能的影响 · 361 ·
