惠希东等：高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金发展概况 ·1163· 报道了具有优异磁性能的FeC,B1,Si2P3非晶合 主要沿着提高饱和磁化强度和磁导率两个方向 金[.该合金的饱和磁化强度达1.61~1.68T,矫 进行. 顽力为2.4~4.0A·m-1,磁导率为6000~10000 早在1988年，Yoshizawa等开发出一种新型Fe- (在1kHz下，下同).从图4可以看出，薄带在退火 Si-B-Cu-Nb纳米晶合金，典型牌号Finemet合金的 后仍能弯曲成180°，展现出良好的韧性 成分为Fez.sCu,Nb,SiaB,a).该合金的特点是在 Fe-Si-B非晶合金中加入了少量Cu和Nb,促进合 300℃退火1h 金在退火处理后稳定析出纳米晶a-Fe(Si),并均匀 分布在非晶基体中.其晶化过程为：非品→非晶+ a-Fe(Si)+Cu团簇.因Cu和Fe难以混合，相分离 倾向大，因此在热处理过程中两类原子趋于分离， Cu团簇作为晶核促进了晶化，同时由于Nb和B原 子在a-Fe(Si)中溶解度有限，能够抑制a-Fe(Si) 的长大.因此，该合金中纳米软磁相与非晶基体的 图4快淬和退火后的非品薄带弯曲180°的图片[36] 耦合作用使其表现出很低的矫顽力和极高的磁导 Fig.4 Pictures of the melt-spun and annealed amorphous alloy rib- 率，是一种可以替代传统坡莫合金的软磁材料.由 bons with 180 bending(36) 于较高含量的非磁性元素的存在，合金的饱和磁化 表3汇总了上述高饱和磁化强度铁基非晶合金 强度并不是很高（但高于坡莫合金），但综合性能十 的软磁性能，可以看出，目前对于高饱和磁感应强度 分突出.Finemet合金的成功开发大大推动了纳米 铁基非晶的研究，大多集中于通过增加Fe元素的含 晶磁性材料开发与研究，其控制纳米晶生长的成分 量并加入少量其他合金元素来提高B,即通过元素 设计思路对铁基纳米品的开发研究起到了积极作 替代添加来获得高饱和磁感应强度的非晶合金体 用，引起了国内外学者的广泛关注 系，但并未深入探讨获得高饱和磁感应强度非晶合 Suzuki等[]系统研究了Fe-M(M=Zr、Hf、 金的机理.因而非常有必要加快这方面的研究，以 Nb)-B合金的非晶形成能力和品化行为.研究发 提升我国在非晶领域的研发技术及国际影响力. 现，经过适当的热处理后的合金基体中出现了大量 表3高饱和磁化强度铁基非品软磁合金磁性能 颗粒尺寸在10~20nm之间的a-Fe纳米晶，相比非 Table 3 Soft magnetic properties of Fe-based amorphous alloys with 晶相大幅度提高了饱和磁化强度并降低了矫顽力， high saturation magnetic flux density 微量Cu元素的加入同样能够稳定a-Fe相的析出. 饱和磁化 矫顾力/ 合金成分 年份 该系列合金被命名为Nanoperm合金.该合金磁致 强度T (A.m-I) 伸缩系数很小，饱和磁化强度较高(1.5~1.7T),优 (FeCo)sB[] 1976 1.800 于Finemet合金，但矫顽力相对较高. Fea1B1a.5SisC2【o] 1982 1.610 3.2 Willard等[9]采用Co元素替换Nanoperm合金 Fe1.7Si2B16Ca,【3o 2006 1.650 中的Fe获得了(Fe,Co)-M-B-(Cu)(M=Nb,Hf Fe2Si,B4C,【36] 2006 1.669 或Zr等)系列合金，牌号为Hitperm,以Fe4uCo4uZr, FesC BuSizP[7] 2015 1.680 74 B,Cu,合金最为典型.Hitperm合金的缺点在于昂贵 的C0元素会大幅提高合金的成本，但优势在于C0 3高B.铁基纳米晶合金研究进展 的添加能显著提高材料的热稳定性，工作温度可接 开发新型铁基纳米晶合金同样需要考虑合金的 近600℃.另外，由于a-FCo纳米晶的析出，一定 非晶形成能力.此外，由于合金中影响纳米品析出 范围内Co对Fe元素的替换能够提高合金的饱和磁 元素的添加对纳米晶合金的磁性影响十分关键，因 化强度. 此在成分设计上需要充分考虑Fe含量、非晶形成能 近10年以来，研究人员就进一步优化铁基纳米 力和纳米软磁相析出这几个因素.纳米软磁相的形 品合金的性能做了大量工作，为了保证合金的饱和 成主要有两个优势：提高饱和磁化强度和降低矫顽 磁化强度，设计的合金中Fe原子数分数普遍超过 力.此外纳米晶的析出在一定程度上有利于减小材 8O%.成分设计的思路主要是基于Fe-metalloids非 料的磁致伸缩系数.因此，铁基纳米品合金的发展 品合金进行成分优化，基础体系主要有Fe-Si-B、惠希东等: 高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金发展概况 报道了具有优异磁性能的 Fe83 C1 B11 Si 2 P3 非晶合 金[37] . 该合金的饱和磁化强度达 1郾 61 ~ 1郾 68 T,矫 顽力为 2郾 4 ~ 4郾 0 A·m - 1 ,磁导率为 6000 ~ 10000 (在 1 kHz 下,下同). 从图 4 可以看出,薄带在退火 后仍能弯曲成 180毅,展现出良好的韧性. 图 4 快淬和退火后的非晶薄带弯曲 180毅的图片[36] Fig. 4 Pictures of the melt鄄spun and annealed amorphous alloy rib鄄 bons with 180毅 bending [36] 表 3 汇总了上述高饱和磁化强度铁基非晶合金 的软磁性能,可以看出,目前对于高饱和磁感应强度 铁基非晶的研究,大多集中于通过增加 Fe 元素的含 量并加入少量其他合金元素来提高 Bs,即通过元素 替代添加来获得高饱和磁感应强度的非晶合金体 系,但并未深入探讨获得高饱和磁感应强度非晶合 金的机理. 因而非常有必要加快这方面的研究,以 提升我国在非晶领域的研发技术及国际影响力. 表 3 高饱和磁化强度铁基非晶软磁合金磁性能 Table 3 Soft magnetic properties of Fe鄄based amorphous alloys with high saturation magnetic flux density 合金成分 年份 饱和磁化 强度/ T 矫顽力/ (A·m - 1 ) (FeCo)80B20 [23] 1976 1郾 800 Fe81B13郾 5 Si3郾 5C2 [10] 1982 1郾 610 3郾 2 Fe81郾 7 Si2B16C0郾 3 [36] 2006 1郾 650 Fe82 Si2B14C2 [36] 2006 1郾 669 Fe83C1B11 Si2 P3 [37] 2015 1郾 680 2郾 4 3 高 Bs铁基纳米晶合金研究进展 开发新型铁基纳米晶合金同样需要考虑合金的 非晶形成能力. 此外,由于合金中影响纳米晶析出 元素的添加对纳米晶合金的磁性影响十分关键,因 此在成分设计上需要充分考虑 Fe 含量、非晶形成能 力和纳米软磁相析出这几个因素. 纳米软磁相的形 成主要有两个优势:提高饱和磁化强度和降低矫顽 力. 此外纳米晶的析出在一定程度上有利于减小材 料的磁致伸缩系数. 因此,铁基纳米晶合金的发展 主要沿着提高饱和磁化强度和磁导率两个方向 进行. 早在 1988 年,Yoshizawa 等开发出一种新型 Fe鄄鄄 Si鄄鄄B鄄鄄Cu鄄鄄Nb 纳米晶合金,典型牌号 Finemet 合金的 成分为 Fe73郾 5Cu1Nb3 Si 13郾 5B9 [12] . 该合金的特点是在 Fe鄄鄄 Si鄄鄄 B 非晶合金中加入了少量 Cu 和 Nb,促进合 金在退火处理后稳定析出纳米晶 琢鄄鄄Fe(Si),并均匀 分布在非晶基体中. 其晶化过程为:非晶寅非晶 + 琢鄄鄄Fe(Si) + Cu 团簇. 因 Cu 和 Fe 难以混合,相分离 倾向大,因此在热处理过程中两类原子趋于分离, Cu 团簇作为晶核促进了晶化,同时由于 Nb 和 B 原 子在 琢鄄鄄Fe(Si)中溶解度有限,能够抑制 琢鄄鄄 Fe( Si) 的长大. 因此,该合金中纳米软磁相与非晶基体的 耦合作用使其表现出很低的矫顽力和极高的磁导 率,是一种可以替代传统坡莫合金的软磁材料. 由 于较高含量的非磁性元素的存在,合金的饱和磁化 强度并不是很高(但高于坡莫合金),但综合性能十 分突出. Finemet 合金的成功开发大大推动了纳米 晶磁性材料开发与研究,其控制纳米晶生长的成分 设计思路对铁基纳米晶的开发研究起到了积极作 用,引起了国内外学者的广泛关注. Suzuki 等[38] 系统研究了 Fe鄄鄄 M ( M = Zr、 Hf、 Nb)鄄鄄B 合金的非晶形成能力和晶化行为. 研究发 现,经过适当的热处理后的合金基体中出现了大量 颗粒尺寸在 10 ~ 20 nm 之间的 琢鄄鄄Fe 纳米晶,相比非 晶相大幅度提高了饱和磁化强度并降低了矫顽力, 微量 Cu 元素的加入同样能够稳定 琢鄄鄄 Fe 相的析出. 该系列合金被命名为 Nanoperm 合金. 该合金磁致 伸缩系数很小,饱和磁化强度较高(1郾 5 ~ 1郾 7 T),优 于 Finemet 合金,但矫顽力相对较高. Willard 等[39] 采用 Co 元素替换 Nanoperm 合金 中的 Fe 获得了 (Fe,Co)鄄鄄 M鄄鄄 B鄄鄄 (Cu) (M = Nb, Hf 或 Zr 等)系列合金,牌号为 Hitperm,以 Fe44 Co44 Zr7 B4Cu1合金最为典型. Hitperm 合金的缺点在于昂贵 的 Co 元素会大幅提高合金的成本,但优势在于 Co 的添加能显著提高材料的热稳定性,工作温度可接 近 600 益 . 另外,由于 琢鄄鄄 FeCo 纳米晶的析出,一定 范围内 Co 对 Fe 元素的替换能够提高合金的饱和磁 化强度. 近 10 年以来,研究人员就进一步优化铁基纳米 晶合金的性能做了大量工作,为了保证合金的饱和 磁化强度,设计的合金中 Fe 原子数分数普遍超过 80% . 成分设计的思路主要是基于 Fe鄄鄄 metalloids 非 晶合金进行成分优化,基础体系主要有 Fe鄄鄄 Si鄄鄄 B、 ·1163·