Co/Ni摩尔比对FeCoNiCrZr非晶合金晶化过程及磁性能的影响-有色金属在线

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图1 (Fe0.52Co0.48-xNix)73Cr17Zr10(x=0.06，0.18，0.30，0.42，0.48)合金薄带的XRD谱

图2 (Fe0.52Co0.48-xNix)73Cr17Zr10(x=0.06，0.18，0.30)合金薄带的DSC曲线

图4 (Fe0.52Co0.48-xNix)73Cr17Zr10(x=0.18，0.30)非晶合金经不同温度退火的XRD谱

图5 (Fe0.52Co0.30Ni0.18)73Cr17Zr10非晶合金在不同温度下退火后的AFM像

图6 (Fe0.52Co0.48-xNix)73Cr17Zr10(x=0.18，0.30)非晶合金的Ms随退火温度变化曲线

表▲

表1 (Fe0.52Co0.48-xNix)73Cr17Zr10非晶合金的特征温度

中国有色金属学报

文章编号：1004-0609(2015)-03-0727-06

Co/Ni摩尔比对FeCoNiCrZr非晶合金晶化过程及磁性能的影响

谢春晓¹，杨元政²，钟守炎¹，邓世春¹

(1. 东莞理工学院机械工程学院，东莞 523808；

2. 广东工业大学材料与能源学院，广州 510006)

摘要：

采用单辊急冷法制备一系列不同Co/Ni摩尔比的FeCoNiCrZr非晶薄带，并对该系非晶合金进行等温热处理。采用X射线衍射仪(XRD)和振动样品磁强计(VSM)研究Co/Ni摩尔比的变化对(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀系非晶合金的晶化过程和磁性能的影响。结果表明：x在0.06~0.30之间变化时，所制备的合金薄带基本为非晶结构；(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18,0.30)两种非晶合金的晶化过程为Am→α-Fe(Co)+Am′→α-Fe(Co)+Cr₂Ni₃+ Fe₃Ni₂+Cr₂Zr+未知相；Co/Ni摩尔比的增加增强了合金的热稳定性，抑制了退火后α-Fe(Co)相的析出。两种合金的饱和磁化强度M_s随退火温度的变化趋势相同，在低于第一晶化峰值温度θ_p1退火时，M_s随退火温度的升高逐步上升；在温度高于T_p1退火时，M_s随退火温度的升高而迅速下降。

关键词：

非晶合金；热处理；晶化过程；磁性能；

中图分类号：TG139　　文献标志码：A

Effects of Co/Ni mole ratio on crystallization processes and magnetic properties of FeCoNiCrZr amorphous alloys

XIE Chun-xiao¹, YANG Yuan-zheng², ZHONG Shou-yan¹, DENG Shi-chun¹

(1. School of Mechanical Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;

2. School of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract: FeCoNiCrZr amorphous ribbons with different Co/Ni mole ratio were prepared by melt-spun method and the amorphous alloys were studied using isothermal heat treatment. X-ray diffraction (XRD) and vibrating sample magnetometer (VSM) were used to study the effects of Co/Ni mole ratio on the crystallization processes and magnetic properties of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀ amorphous ribbons.The results show that when x in the range of 0.06 to 0.30, the ribbons are in an amorphous state. The crystallization process of (Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃Cr₁₇Zr₁₀is the same as (Fe_0.52Co_0.18Ni_0.30)₇₃Cr₁₇Zr₁₀:Am→α-Fe(Co)+Am'→α-Fe(Co)+Cr₂Ni₃+Fe₃Ni₂+Cr₂Zr+unidentified phase. With increasing Co/Ni mole ratio, the thermal stability of the alloys is enhanced and the precipitation of α-Fe(Co) after annealing is restrained. The changing trends of magnetic properties of the two alloys are the same with increasing annealing temperature. When the annealed temperature is below T_p1, saturation magnetization M_sincreases with increasing annealing temperature; when the annealed temperatures is over T_p1,M_s decreases quickly with increasing annealing temperature.

Key words: amorphous alloys; heat treatment; crystallization processes; magnetic properties

非晶合金因其随机、无序的原子排列方式使得其比相应的晶态合金具有更高的力学、物理及化学性能^[1]。然而，非晶合金是一种亚稳态材料，随着温度的升高和时间的延长，有自发向晶态合金转变的趋势。在晶化转变过程中合金的许多性能会发生变化，如果控制得当，则会使某些性能大大改善。1988年，YOSHIZAWA等^[2]通过对非晶合金晶化而获得了具有高磁导率、低损耗的由10 nm左右结构为体心立方Fe纳米晶颗粒与残存非晶基体相组成的Finemet (Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉)纳米晶软磁合金。因此，研究非晶合金的晶化过程具有重要的学术和工程意义。等温退火因工艺简单、成本低和易控制等特点而成为研究非晶晶化过程的最常用的方法。

在已开发的众多非晶合金体系中，Fe基非晶合金因兼备性能优良和成本低廉的双重优势而表现出巨大的潜在应用前景，其在玻璃形成能力、晶化行为、力学性能及磁性能等方面获得了广泛的研究^[3]。目前，已开发出来的Fe基非晶合金大致可分为以下11个系列：Fe-(Al,Ga,Sn)-(P,B,C)^[4]、(Fe,Co)-(Nb,V)-B-Cu^[5]、Fe-Ni-P-B^[6]、Fe-C-Si-(B,P)^[7]、(Fe,Co,Ni)-Si-B^[8]、Fe-(Sc,Y,Dy,Ho,Er)-B^[9]、Fe-Nb-B^[10]、Fe-Si-B-P^[11]、Fe-Mo-(P,C,B)^[12]、(Fe,Co,Ni)-(Cr,Mo)-(C,B)^[13]和Fe-Nd-B^[14]。通过对成分分析发现，以上各个合金成分体系中均有较高含量的一种或一种以上的类金属元素(B、C、Si、P等)存在。研究表明，高含量的类金属元素不仅损害Fe基非晶合金的磁性能，还会使合金存在脆性极大的缺陷^[15]，这使得Fe基非晶合金作为功能材料或结构材料在工程中广泛应用受到了限制。

目前，全金属组元的Zr基、Cu基、Ni基等大块非晶已被开发出来^[16-17]，而不含类金属元素的全金属组元Fe基非晶合金还罕有报道。相对于其他合金体系而言，Fe基非晶合金体系的非晶形成能力还比较弱，因此其成分特点为组元比较多，通过调整组元的比例将对合金的玻璃形成能力、晶化过程及磁性能等产生重大的影响^[18]。通过成分设计，本课题组成功制备了一系列全金属组元FeCoNiCrZr非晶合金薄带，本文作者主要研究不同的Co/Ni摩尔比对(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀非晶合金的晶化过程及磁性能的影响，探讨晶化析出相与磁性能之间的关系。

1 实验

试验合金名义成分为(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.06，0.18，0.30，0.42，0.48)，样品母合金采用纯度大于99.9%的纯金属在Ti 吸收的高纯Ar气保护下的WK-Ⅱa型非自耗真空电弧炉中熔炼，母合金铸锭被翻面后反复熔炼4次以确保成分均匀。将得到的母合金表面打磨干净并粉碎成若干小块后在Ar气保护下用NMS-Ⅱ型真空甩带机制备成非晶薄带，铜辊表面线速度为50 m/s，带材厚度为25~30 μm,宽度为2~3 mm。采用SDT-2960 示差扫描量热分析仪(DSC)在20 K/min的加热速率下研究试样的热稳定性；采用D/MAX-2200型X 射线衍射仪(XRD，Cu K_α靶，石墨单色器)在衍射角为20°~80°范围内分析铸态及退火后试样的相结构；利用Solver P47 扫描探针显微镜的AFM模式来观察非晶薄带退火后的表面组织形貌；采用WK-Ⅱ型振动样品磁强计(VSM) 在磁场为-398~398 kA/m条件下测量铸态与退火后合金样品的磁滞曲线和饱和磁化强度M_s。

在氮气保护下的LTKC-6-13箱式电炉中进行等温退火实验，根据XRD和DSC研究结果，选取合金系中非晶形成能力最好的两个成分(x=0.18,0.30)进行等温退火处理，退火温度θ_i的分布根据各特征温度(见表1)按以下方式来选择：θ₁＜θ_g＜θ₂＜θ_x＜θ₃＜θ_p1＜θ₄＜θ_p2＜θ₅，退火时间均为40 min。当x=0.18和x=0.30时，合金的θ_i分别选择为：490、526、565、732、760 ℃以及450、490、526、705、732 ℃。

2 结果与讨论

2.1 非晶形成能力与热稳定性

(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金薄带的XRD谱如图1所示。由图1可知，当x=0.18时，样品在整个XRD图谱中只具有一个非晶结构特有的宽化的漫散射峰，表明合金样品为非晶结构；当x为0.06和0.30时，样品的XRD谱上均出现了宽化的漫散射峰且在衍射角度2θ为65°的位置出现了强度微弱的晶化峰，表明这两种合金薄带基本为非晶结构；而当x为0.42和0.48时，样品的XRD谱上有明显的尖锐的且强度高的衍射峰，表明这两种合金基本为晶态结构，也表明Ni过量替代Co会降低合金的非晶形成能力。

表1 (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀非晶合金的特征温度

Table 1 Characteristic temperatures of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀amorphous alloys

图2所示为(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.06，0.18，0.30)合金薄带在20 K/min的加热速率下的DSC曲线，表1所列为与图2相对应的特征温度。从图2与表1中分析可知，该体系非晶合金的DSC曲线上有两个放热峰，表明合金的晶化为二级晶化过程，随着Co/Ni摩尔比的增加, (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀系非晶合金的晶化温度θ_x和第一晶化峰值温度θ_p1和第二晶化峰值温度θ_p2均向高温区移动，表明合金的热稳定性逐渐增高；而过冷液相区Δθ_x呈现少量的先增后降的变化规律。结果表明：当x=0.18时，合金样品具有最宽的过冷液相区和最强非晶形成能力。同时，该合金系的Δθ_p(θ_p2-θ_p1)值都较大，这有利于控制热处理过程中晶化相的析出。

图1 (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.06，0.18，0.30，0.42，0.48)合金薄带的XRD谱

Fig. 1 XRD patterns of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀ (x=0.06, 0.18, 0.30, 0.42, 0.48) alloy ribbons

图2 (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.06，0.18，0.30)合金薄带的DSC曲线

Fig. 2 DSC curves of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀ (x=0.06, 0.18, 0.30) alloy ribbons

2.2 铸态合金的磁性能

铸态(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金的室温磁滞回线见图3(a)，图3(b)所示为铸态合金的M_s随x变化曲线。由图3可知，在FeCoNiCrZr合金系中，当x=0.48时，合金为晶态结构，其M_s值最高(55.2 A·m²·kg^-1)；而当x=0.30时，合金为非晶结构，其M_s值最低(25.1 A·m²·kg^-1)；随着x值的增加，即Co/ Ni摩尔比的减少，非晶合金的M_s值呈降低趋势。这是由于非晶合金的磁性能主要由其成分来决定，虽然Ni与Co同为铁磁性元素，但由于Ni的原子磁矩要比Co的原子磁矩小得多，所以在合金中的Fe的原子总量不变的情况下，Co/Ni摩尔比的减少就会使得M_s值降低。从总体来看，FeCoNiCrZr非晶合金系的M_s值较低，这可能与非晶合金的无规密堆结构相关联，而这种无规密堆结构与合金的非晶形成能力相关。

图3 (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.06，0.18，0.30，0.42，0.48)合金薄带的磁滞回线以及M_s随x变化曲线

Fig. 3 Hysteresis M-H loops (a) and relationship between M_sand x (b) of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.06, 0.18, 0.30, 0.42, 0.48) alloy ribbons

2.3 非晶合金的晶化过程

图4所示为(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18，0.30)非晶合金在不同等温温度退火后的XRD谱。由图4可知，两种非晶合金的晶化过程均为Am→ α-Fe(Co)+Am′→α-Fe(Co)+Cr₂Ni₃+Fe₃Ni₂+Cr₂Zr+未知相。在玻璃转变温度θ_g以下退火时，合金仍然保持非晶特有的宽化的漫散射峰，只是漫散射峰峰形变尖了；在θ_g与θ_p1之间退火时，XRD谱上可观察到明显的晶化现象，即在非晶的漫散射峰上叠加有尖锐的α-Fe(Co)晶化峰，且α-Fe(Co)晶化峰强度随着退火温度的升高不断地加大；在θ_p1以上退火时，新的晶化相Cr₂Ni₃、Fe₃Ni₂和Cr₂Zr开始不断析出，当退火温度继续增高至θ_p2以上时，合金中析出的晶化相无论从数量上还是种类上均大大地增加。

通过对比两种合金在490、526和732 ℃退火后的XRD谱发现：在490 ℃退火时，(Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃Cr₁₇- Zr₁₀的衍射峰强度比(Fe_0.52Co_0.18Ni_0.30)₇₃Cr₁₇Zr₁₀的弱，且存在明显的非晶相的基底；当退火温度升高至526 ℃时，在衍射角为65.4 ℃的位置处，(Fe_0.52Co_0.18Ni_0.30)₇₃- Cr₁₇Zr₁₀合金析出的α-Fe(Co)晶化峰强度比(Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金的要大得多；当继续升高温度至732 ℃退火时，(Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金的所有晶化衍射峰都比相对应衍射角的(Fe_0.52Co_0.18Ni_0.30)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金的晶化衍射峰强度大，这表明随着Co/Ni摩尔比的增加，FeCoNiCrZr系非晶合金的热稳定性增加，这与DSC曲线的结果一致。

图4 (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18，0.30)非晶合金经不同温度退火的XRD谱

Fig. 4 XRD patterns of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀ amorphous alloys annealed at different temperatures

图5(a)和(b)所示分别为 (Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃- Cr₁₇Zr₁₀合金在490和565 ℃退火后的表面选区典型AFM图。从图5(a)中可见，扁平椭球状颗粒结构，颗粒的短轴尺寸约在50~100 nm范围，长轴尺寸约在 200~500 nm范围内，由于合金在制备过程产生了残余内应力，使得扁平椭球状颗粒具有一定的方向团聚优势。从图5(b)可见，在565 ℃退火的方向优势已基本消失，随着退火温度升高，残留在合金里的内应力将逐渐减小，颗粒逐渐呈近似球状且分布较为均匀，颗粒尺寸约100~200 nm左右。同时，内应力的释放也会使得合金的磁性能得到一定程度的提高。

图5 (Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃Cr₁₇Zr₁₀非晶合金在不同温度下退火后的AFM像

Fig. 5 AFM images of (Fe_0.58Co_0.42)₇₃Cr₁₇Zr₁₀ amorphous alloys after annealing at different temperatures

2.4 非晶合金退火后的磁性能

图6所示为退火温度对(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18，0.30)非晶合金的M_s的影响曲线。由图6可见，退火温度对非晶合金的饱和磁化强度产生显著的影响。对于(Fe_0.52Co_0.30Ni_0.18)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金，在565 ℃以下退火时，M_s随退火温度的升高呈明显增加趋势；在565 ℃退火时，M_s值达到最高(106.8 A·m²·kg^-1)；在565 ℃以上退火时，M_s呈下降趋势，且退火温度越高，降幅越大。对于(Fe_0.52Co_0.18Ni_0.30)₇₃Cr₁₇Zr₁₀合金，在526 ℃以下退火时，M_s随退火温度的升高呈较大幅度增加的趋势，在526 ℃退火时M_s值达到最高(95.4 A·m²·kg^-1)；在526 ℃以上退火时，M_s随退火温度升高呈大幅下降的趋势。结合XRD谱分析可知，在θ_x以下退火，由于非晶合金的内应力得到释放以及发生结构弛豫而形成短程有序团簇，M_s获得一定程度的提高；在θ_x与θ_p1之间退火时，由于非晶基体上要析出初始铁磁性α-Fe(Co)纳米晶化相，故合金的M_s得到显著提升；当在θ_p1以上退火时，由于α-Fe(Co)晶化相的粗化，M_s开始下降；当进一步在θ_p2以上温度退火时，非铁磁性第二相的析出和长大，使得磁性能急剧下降。两种合金的饱和磁化强度随退火温度变化的趋势与幅度非常相近，这与两种合金的晶化过程和析出相的一致性相符合。

图6 (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18，0.30)非晶合金的M_s随退火温度变化曲线

Fig. 6 Change curves of M_s of (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18,0.30) amorphousalloys with annealed temperatures

3 结论

1) x值为0.06、0.18和0.30时，所制备的(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀非晶薄带基本上为非晶结构；随着Co/Ni摩尔比的增加，合金系的特征温度θ_x、θ_p1、θ_p2均向高温区移动，表明合金的热稳定性逐渐增高。

2) (Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18，0.30)两种非晶合金的晶化过程同为Am→α-Fe(Co)+Am′→ α-Fe(Co)+Cr₂Ni₃+Fe₃Ni₂+Cr₂Zr+未知相；Co/ Ni摩尔比的增加抑制了退火后α-Fe(Co)相的析出。

3) 随着Co/ Ni摩尔比的增加，铸态非晶合金的M_s增大。(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18，0.30)非晶合金在低于θ_p1退火，随退火温度的升高铁磁性α-Fe(Co)不断析出，故M_s逐步上升；非晶合金在高于θ_p1退火时，由于非铁磁性第二相的析出和长大，M_s随退火温度的升高而迅速下降。

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(编辑王超)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50971046)；高等学校博士学科点专项科研基金(20124420110007)；广东省联合培养研究生示范基地人才培养项目(2013JDXM27)

收稿日期：2014-07-13；修订日期：2015-01-09

通信作者：谢春晓，博士；电话/传真：0769-22861122；E-mail：xiechx@dgut.edu.cn

摘要：采用单辊急冷法制备一系列不同Co/Ni摩尔比的FeCoNiCrZr非晶薄带，并对该系非晶合金进行等温热处理。采用X射线衍射仪(XRD)和振动样品磁强计(VSM)研究Co/Ni摩尔比的变化对(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀系非晶合金的晶化过程和磁性能的影响。结果表明：x在0.06~0.30之间变化时，所制备的合金薄带基本为非晶结构；(Fe_0.52Co_0.48-xNi_x)₇₃Cr₁₇Zr₁₀(x=0.18,0.30)两种非晶合金的晶化过程为Am→α-Fe(Co)+Am′→α-Fe(Co)+Cr₂Ni₃+ Fe₃Ni₂+Cr₂Zr+未知相；Co/Ni摩尔比的增加增强了合金的热稳定性，抑制了退火后α-Fe(Co)相的析出。两种合金的饱和磁化强度M_s随退火温度的变化趋势相同，在低于第一晶化峰值温度θ_p1退火时，M_s随退火温度的升高逐步上升；在温度高于T_p1退火时，M_s随退火温度的升高而迅速下降。