稀土Y對Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2合金晶化行為及磁性能的影響

戴明杰，徐黎明，周歡華，甘章華，盧志紅，劉 靜

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081)

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稀土Y對Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2合金晶化行為及磁性能的影響

戴明杰，徐黎明，周歡華，甘章華，盧志紅，劉 靜

(武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081)

采用單輥甩帶法，在大氣環境下制備Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077)合金條帶，并將其繞制成環狀鐵芯，利用差熱分析法、HT35鐵芯測量儀和軟磁性能測量儀等手段，分析添加微量稀土元素Y對Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2合金晶化行為及磁性能的影響。結果表明，隨著稀土元素Y含量的增加，合金條帶的初始晶化溫度逐漸降低，與沒有添加稀土元素Y的試樣相比，其最佳退火溫度降低5～10 ℃；添加稀土元素Y可提高合金的磁導率和磁感應強度，其中，當y=0.0077時，所制合金的最大磁導率為5.5×105Gs/Oe，飽和磁感應強度達到1.192 T；所制合金的矯頑力和損耗隨稀土元素Y含量的增加均有所增大。

鐵基非晶合金；稀土Y；晶化行為；磁性能

Fe基非晶合金具有高飽和磁感應強度、低鐵損等特點，其作為功能材料在電機和變壓器等領域有著廣泛的應用[1-3]，其中最具代表性的有Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3納米晶合金(即Finemet合金)，其飽和磁感應強度Bs=1.24 T，高磁感下的高頻損耗P0.5 T/20 kHz=30 W/kg。然而，在材料應用領域不僅要考慮性能問題，還要考慮成本、制備工藝等問題，Finemet合金中因含貴金屬Nb而導致成本頗高，且在高溫條件下易氧化而影響制備工藝。近年來，為了降低Finemet合金的成本、優化制備工藝，研究人員開展了大量研究，Hu等[4]研究了Fe71.5Si13.5B9Mo3Cu3納米晶合金的軟磁性能，發現用Mo替代Nb后合金體現出優異的性能，但其磁導率仍低于Finemet合金；Wang等[5]研究發現，添加P能夠通過增大納米晶粒的密度來改善bcc-Fe納米晶粒尺寸，其中成分為Fe83.3Si4Cu0.7B6P6的納米晶合金的飽和磁感應強度Bs=1.77 T、矯頑力Hc=4.2 A/m；Akihiro等[6]研究發現，Cu-P復合有利于促進α-FeSi晶粒的形成和細化，提高合金的軟磁性能。此外，稀土元素對合金結構和性能的影響也十分顯著，在FeSiBCuNb合金中加入適量稀土La后，發現不僅能凈化鋼液，還能降低矯頑力和提高軟磁性能[7]；稀土La能降低FeSiBCuNb非晶帶材的晶化溫度，改善帶材表面的粗糙度，添加0.5%稀土La可以提高合金的飽和磁感應強度和磁導率[8]；在Fe70Co8Zr7-xNdxB15合金中加入2%的Nd，其非晶形成能力最高，同時相對于其它稀土元素(如Ce、Pr、Gd、Tb)，其矯頑力最低，具備較好的軟磁性能[9]。為此，本文采用單輥甩帶法，在大氣環境下制備Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077)合金條帶，并將其繞制成環狀鐵芯，利用差熱分析法、HT35鐵芯測量儀和軟磁性能測量儀等手段，研究添加微量稀土元素Y對Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2合金的晶化行為和磁性能的影響, 以期為提高非晶合金的軟磁性能和優化其制備工藝提供參考。

1 實驗

1.1 原料及試樣制備

采用鉬鐵(Fe-Mo)、硼鐵(Fe-B)、磷鐵(Fe-P)等鐵合金，以及純度為99.9%的Fe、Si、Cu、Cr和Y為原料，按Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077)所需原子質量百分比進行配料，并分別記為Y-0、Y-50、Y-77試樣。在大氣環境下，采用容量為50 kg的中頻感應加熱爐進行熔煉，然后在單輥甩帶機上制備寬10 mm、厚33 μm的非晶合金條帶。甩帶機的銅輥直徑為600 mm，銅輥轉速為750 r/min。再將非晶合金條帶繞制成環狀鐵芯，環狀鐵芯的外徑、內徑、高分別為21.5、13.2、10 mm，并在510～550 ℃溫度范圍內退火30 min，得到納米晶軟磁合金。

1.2 性能檢測

利用STA449C-QMS403C型差熱分析儀，在氬氣保護下，對非晶合金條帶進行差熱分析，升溫速率為10 ℃/min；利用TYU-2000M型軟磁性能測量儀，測量退火后的環狀鐵芯在50、1000 Hz頻率下的軟磁性能；利用HT35鐵芯測量儀對退火后的環狀鐵芯進行伏安測試[10]，并計算其磁場強度和磁感應強度，其計算公式[11-12]為：

(1)

Le=π(D+d)/2

(2)

B=U/(4.44fN2Ae)

(3)

Ae=εh(D-d)/2

(4)

式中：N為線圈匝數；I為輸入電流，A；Le為測試樣品的有效磁路長度，m；H為磁場強度，A/m；D為環狀鐵芯外徑，m；d為環狀鐵芯內徑，m；B為磁感應強度，T；U為輸出電動勢，V;f為頻率，Hz;Ae為試樣的有效截面積，m2；ε為樣品的疊片系數；h為環狀鐵芯的高度，m。

2 結果與討論

2.1 稀土元素Y對Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2合金晶化行為的影響

所制Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077)非晶合金條帶的DTA曲線如圖1所示，其晶化溫度參數如表1所示。從圖1中可以看出，Y-0、Y-50、Y-77試樣的DTA曲線基本相似，都有三個強弱不等的晶化放熱峰，表明其晶化放熱情況大致相同，其中第一個放熱峰為最強晶化峰，對應α-Fe(Si)相的析出，第二個放熱峰對應FeB相的析出，由此表明，非晶合金條帶在連續升溫過程中均發生了多級晶化行為。從表1中可以看出，隨著稀土Y含量的增加，非晶合金條帶初始晶化溫度Tx1、第一個晶化峰峰值溫度Tp1逐漸降低，而第二個晶化峰的起始晶化溫度Tx2、峰值溫度Tp2均有所升高，兩個放熱峰之間的起始晶化溫度差ΔTx最小值仍有91.8 ℃，表明所制非晶合金具有較寬的退火溫度區間，退火工藝性能較好。

(a)Y-0

(b)Y-50

(c)Y-77

圖1 非晶合金條帶試樣的DTA曲線

Fig.1 DTA curves of amorphous alloy ribbon samples

表1 非晶合金條帶試樣的晶化溫度參數(單位：℃)

Table 1 Crystallization temperature parameters of amorphous alloy ribbon samples

試樣Tx1Tp1Tx2Tp2ΔTxY-0502.0517.3595.3601.193.3Y-50497.1510.9598.2602.491.8Y-77494.0508.8598.1603.994.1

2.2 稀土元素Y對Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2合金磁性能的影響

所制Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077)非晶合金鐵芯晶化后的磁化曲線和磁導率曲線分別如圖2和圖3所示。從圖2中可以看出，合金的磁感應強度隨著磁場強度的增加迅速上升，而后逐漸趨于飽和，當外場強度H=4.665 A/m時，Y-77試樣的飽和磁感應強度達到1.192 T；從圖2中還可以看出，所制合金的磁感應強度隨著稀土元素Y含量的增加而增大，三種試樣的飽和磁感應強度大小順序為：Bm(Y-77)>Bm(Y-50)>Bm(Y-0)。從圖3中可以看出， Y-50和Y-77試樣的磁導率明顯大于Y-0試樣的磁導率，而且試樣中稀土元素Y的含量越高，其磁導率μ越大，其中Y-77試樣最大磁導率μm為5.5×105Gs/Oe。

圖2 非晶合金鐵芯晶化后的磁化曲線

Fig.2 Magnetization curves of amorphous alloy cores after crystallization

退火晶化后的環狀鐵芯在50、1000 Hz下的軟磁性能分別如表2和表3所示。由于退火溫度的選擇對鐵基納米晶合金的軟磁性能影響很大，本實驗退火溫度范圍為510～550 ℃，退火時間為30 min，退火后環狀鐵芯是納米晶狀態。從表2和表3中可以看出，與試樣Y-0相比，Y-50和Y-77試樣的最佳退火溫度分別下降了5、10 ℃；在不同頻率下，稀土元素Y的添加都能明顯提高鐵芯的飽和磁感應強度Bm和剩余磁感應強度Br。從表2和表3中還可以看出，非晶合金的矯頑力Hc和損耗Ps隨著稀土元素Y含量的增加而有所增大，這是由于Y的氧化物質點對磁疇壁的釘扎作用，使得磁疇的轉動變得困難[13]。

圖3 非晶合金鐵芯晶化后的磁導率曲線

Fig.3 Magnetic permeability curves of amorphous alloy cores after crystallization

表2 退火晶化后的環狀鐵芯在50 Hz下的軟磁性能

表3 退火晶化后的環狀鐵芯在1000 Hz下的軟磁性能

圖4為退火晶化后的環狀鐵芯在頻率為1000 Hz、外場強度為200 A/m的條件下測得的磁滯回線。從圖4中可以看出，Y-0 、Y-50、 Y-77試樣的飽和磁感應強度分別為0.81、0.91、0.98 T，由此表明，隨著稀土元素Y含量的增加，試樣的飽和磁感應強度逐漸增大。這是因為，在大氣環境下，制備的合金帶材中含有大量易于氧化的Mo、P等元素，且采用的原料為工業生產原料，如鉬鐵、硼鐵、磷鐵等，故容易形成較多的氧化物夾雜，而添加稀土元素Y能夠降低鋼液中氧化物雜質含量[14]，凈化鋼液和改善鋼液的流動性，對順利噴制合金帶材有明顯作用；同時添加稀土元素Y能夠提高帶材表面質量，從而提高鐵芯的疊片系數，從而使退火晶化后的鐵芯整體表現出來的飽和磁感應強度Bm增加。

值得說明的是，圖4中顯示的合金飽和磁感應強度Bm值低于從圖2中磁化曲線上體現出來的Bm值，這是由于兩種測量方法不一樣所導致的。圖2中的磁化曲線是由HT35鐵芯測量儀所測量的輸入電流I和輸出感應電動勢V經過公式換算而得到的，相對來說，測量過程方便、簡單，但數據精確度相對較低，磁感應強度的計算已經除去了疊片系數，體現的是合金的磁感應強度，而圖4中的磁滯回線是采用TYU-2000M型軟磁性能測量儀測量所得，測量磁感應強度時沒有考慮疊片系數的影響，體現的是鐵芯的磁感應強度，而不是合金的磁感應強度值。

圖4 退火晶化后的環狀鐵芯的磁滯回線

Fig.4 Hysteresis loops of amorphous alloy cores after crystallization

3 結論

(1) 采用單輥甩帶法，在大氣環境下制備了Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077)合金條帶，并將其繞制成環狀鐵芯。隨著稀土元素Y含量的增加，合金條帶的初始晶化溫度逐漸降低，與沒有添加稀土元素Y的試樣相比，其最佳退火溫度下降了5～10 ℃。

(2)添加稀土元素Y可提高合金的磁導率和磁感應強度，其中，當y=0.0077時，所制合金的最大磁導率為5.5×105Gs/Oe，飽和磁感應強度達到1.192 T；所制合金的矯頑力和損耗隨稀土元素Y含量的增加均有所增大。

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[責任編輯 張惠芳]

Effects of rare-earth yttrium on crystallization and magnetic properties of Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2nanocrystalline alloy

DaiMingjie,XuLiming,ZhouHuanhua,GanZhanghua,LuZhihong,LiuJing

(State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Fe71.4-ySi13B9.6Mo2Cr1Cu1P2Yy(y=0、0.0050、0.0077) amorphous alloy ribbons were prepared by a single-roller melt spinner in atmospheric environment. The effects of Y addition on the crystallization and magnetic properties of the Fe71.4Si13B9.6Mo2Cr1Cu1P2alloy were studied by differential thermal analysis，HT35 core measuring instrument and soft magnetic property measurement instrument. The results show that with increasing content of Y, the initial crystallization temperature decreases .Compared with the sample without Y addition， the best annealing temperature decreases by about 5～10 ℃. The addition of Y can improve the maximum permeability and saturation magnetic induction intensity of the alloy. Wheny=0.0077, the maximum permeability of the alloy is 5.5×105Gs/Oe and the saturation magnetic induction intensity of the alloy can reach 1.192 T. However, coercive force and core loss of the alloy both see a slight increase.

Fe-based amorphous alloy; rare earth element Y; crystallization property; magnetic property

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.02.004

2016-11-03

國家自然科學基金資助項目(11574242).

戴明杰(1989-)，男，武漢科技大學博士生. E-mail:daimingjie_wh@163.com

甘章華(1975-)，男，武漢科技大學教授，博士. E-mail: gumpgzh@aliyun.com

TM271+.2

A

1674-3644(2017)02-0101-04