零磁致伸缩纳米晶FeZrNbB软磁合金的磁性能

摘 要:本文研究了纳米晶FeZrNbB合金的软磁性能。已经获得Fe85.5Zr2Nb4B8.5合金的最佳 软磁性能。在1kHz合金显示出60，000的高磁导率，同时显示1.64T的高磁感应强度和零磁致伸缩。在1.4T和50Hz时，合金还显示非常低的磁芯损耗（0.09W/kg），大大地低于非晶FeSiB的磁芯损耗。
关键词：纳米晶合金 高磁导率 高饱和磁感应强度 低磁芯损耗 零磁致伸缩

1 前言
在最近十年中，通过晶化溶液一旋甩非晶带，已经获得由BCC纳米级结晶相组成的纳米晶软磁合金。在1988年，FiSiB非晶合金（含有Nb和Cu）的晶化导致纳米级BCC Fe-Si结构的形成，表现出良好的软磁性能——高饱和磁感应强度Bs(1.2-1.4T)和高的磁导率（μe）。但是比较低的Fe浓度导致Bs低于1.4T，因此强烈地希望开发一种具有Bs高达1.5T以上的新的软磁合金，因为用作变压器的磁芯材料必须有高的Bs。
我们尝试合成一种具有高Bs的纳米晶软磁材料，并且已开发出具有高Bs（>1.5T）以及良好软磁性能的纳米晶FeMB(M=Zr，Hf或Nb)合金。采用溶液一旋甩法在Fe-非金属系，例如FeSiB和FePC合金中形成的非晶相经常在70-84at% Fe范围内出现。另一方面，对于Fe过渡金属系，如FeZr和FeHf合金，可在88-91at% Fe范围获得非晶相。并且，已经报道在FeZr和FeHf合金中添加少量的B能扩大非晶形成范围。通过晶化具有高Fe浓度的非晶FeMB合金，获得了高的α-Fe相体积百分率。
表1中列出了典型的三元FeMB合金的性能。


2 试制和检测方法
作者试制了FeZrB合金与FeNbB合金混合的FeZrNbB合金，试制和检测方法如下：
在Ar气氛中，通过电弧加热或感应加热熔炼来制备合金锭。在Ar气氛中采用单轴溶液一旋甩法生产快速固化带，带宽15mm，厚度为20-25μm。把快淬态薄带机械冲压成样品。样品的退火处理，是在真空中以不同的温度处理样品300s完成的，加热速率为3K/s。

通过运用Scherrer方程式，由（110）反射峰的半宽来评估α-Fe相的平均晶粒尺寸（D）。在800kA/m外加磁场下的饱和磁感应强度（Bs），是用直径为6mm的圆盘形样品，通过振动样品磁强计（VSM）测得的。磁导率（μe）和磁芯损耗（W）的测量，是由环形样品（内径6mm，外径10mm）来完成的：在0.4A/m磁场下，1kHz时采用矢量阻抗分析仪测量磁导率；使用在正弦波输入电压下工作的交流B-H分析仪来测量W。在80kA/m磁场下的饱和磁致伸缩（λs），是由直径10mm的圆盘形样品，采用应变测量技术测得的。

3 结果和讨论
在纳米晶FeZrB和FeNbB合金中，μe显示最大值的组成范围，不是严格地符合上面提到的零λs线。在和成分附近，获得了最佳软磁性能。由于通过增加合金中的B含量能使λs由负变为正，所以合金的λs为负，而合金的λs就为正。
首先，选择和合金作基本成分并以不同比率使其混合，来研究Zr、Nb和B的浓度。图1示出（）1-x()x合金的（a）Bs，(b)μe，(c)D和(d)λs与X的关系曲线。（）1-x()x合金的饱和磁感应强度D和λs，在Fe84Zr7B3和Fe94N67B9合金的Bs、D和λs之间显示其中间值。但是，（）1-x()x合金的μe值低于和合金的μe值。发现，在X=0.8附近（合金显示零μe） 显示最小值。这个结果表明，FeZrNbB合金的软磁性能会受其它因素强烈的影响。
其次，我们研究了Zr+Nb总量对软磁性能的影响。在Zr+Nb=6at%时，获得了最佳软磁性能。图2示出在最佳条件下晶化的Fe(Zr，Nb)B合金（Zr+Nb总量固定在6at%）的μe（实线），Bs（虚线）和λs（点线）的类三元曲线图。在0～3at% Zr和6～9at% B的成分范围内，获得小的晶粒尺寸——10～11nm。显示零λs的Fe85.5Zr2Nb4 B8.5合金，其磁导率达到60，000的最大值。应该注意的是，当Zr+Nb=6at%时，在Zr:Nb=2：4附近得到最佳软磁性能。如图1所示，当Zr+Nb=7at%时，在Zr：Nb=2：4附近μe显示最小值，但获得了零λs。
图3 示出合金的（a）Bs，(b)μe，（c）非晶相的居里温度（Tc），（d）D和（e）λs与退火温度（Ta）之间的关系。也示出了和的数据以作比较。非晶相的居里温度，由Bs对温度曲线的拐点来评估。纳米晶FeMB合金曲线纳米级∝-Fe晶粒嵌在剩余非晶少数基体中构成。为了达到良好的软磁性能，颗粒间牢固的耦合显得很重要。在FeMB合金中，颗粒间耦合是由剩余非晶相作介质的。当剩余非晶相的Tc低的时候，由于在非晶相中自旋的热波动，它不能完全使晶粒间产生相互作用。因此，为了获得良好的软磁性能，剩余非晶相必需有高的Tc，由于因瓦（Inver）效应，富Fe非晶FeMB合金显示低的Tc。由于元素脱离α-Fe晶粒扩散造成在剩余非晶相中Zr、Nb和B的富集，所以剩余非晶的居里温度随Ta增加而增加[9]。如图3（c）所示，与和合金相比，合金呈现出剩余非晶相较高的Tc。这就是为什么合金会显示较好的软磁性能的一个原因。

在748～823K范围内结构从低Tc的非晶相变为∝-Fe+剩余非晶相时，FeMB合金的饱和磁感应强度随Ta的增加而快速增大。合金的磁导率也随Ta的增加而增大，并在得到小的D和接近零的λs时达到最大值（30，000-60，000）。应当注意到，随着结构的改变，μe的增高比和合金的陡得多。为了检验合金用作变压器的磁芯材料的应用潜力，研究了它们的低频软磁性能。图4示出纳米晶合金在50Hz时的磁芯损耗与磁感应最大值（Bm）之间的关系，同时还示出了纳米晶，合金和工业用非晶合金的数据以作比较。从中看出，合金在1.4T和50Hz时显示非常低的磁芯损耗（0.09W/kg）它是FeMB三元合金磁芯损耗的1/2～2/3，与非晶合金相比更是特别低。而且已经证实，合金还具有良好的磁性能的热稳定性。因此，合金适合于作变压器的磁芯材料。

现有的工作揭示，FeZrNbB合金的软磁性能受到Zr+Nb总量和Zr/Nb比率的强烈影响。但是，混合Zr和Nb对微观结构和磁性能的影响还不清楚，尚需做进一步的研究。

4 结论
研究了FeZrNbB合金的软磁性能。揭示出，合金的软性能会受到Zr+Nb总量和Zr/Nb比率强烈的影响。在Zr+Nb=6at%时，获得最佳软磁性能。合金在1kHz时，显示高的μe（60，000），同时显示高的Bs（1.64T）和零λs。在1.4T和50Hz时，此种合金还显示非常低的磁芯损耗（0.09W/kg）；以及磁性能的良好的热稳定性。能够断定，具有高Bs的纳米晶合金适用于作变压器的磁芯材料。■
参考文献:
A.Makino等人：“Magnetic properties of zero-magnetostrictire hanocrystalline FeZrNbB Soft magneticalloys with high magnetic induction”
J MMM 2000年 288~292页