热处理对FeCoBSi非晶合金微观结构及性能的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effect of heat treatment on microstructure and properties of FeCoBSi amorphous alloy

本研究系统探究了热处理工艺及冷却方式对Fe67Co18B14Si1非晶合金微观结构及软磁性能的影响，通过优化593K磁场热处理结合氩冷工艺，实现矫顽力低于2.63A/m和饱和磁感应强度高达1.78T的最佳软磁性能。

　　

谢雷|徐晔|赵瑶辉|赵福康|李忠|史书燕|李宗珍|侯龙|张学锋

中国杭州电子科技大学材料与环境工程学院，先进电机能源转换材料浙江省重点实验室，杭州 310018

摘要

基于铁的非晶合金常常面临由于过度结晶导致的磁晶各向异性增强而使矫顽力（Hc）增加的挑战，这限制了它们在高效软磁器件中的应用，尽管它们仍保持相对较高的饱和磁通密度（Bs）。为了解决这个问题，本研究系统地研究了不同热处理工艺和冷却方法对Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁非晶合金微观结构和性能的影响。结果表明，炉冷促进了纳米晶的析出并增加了结晶体积分数，而氩冷则抑制了晶粒生长，有助于保持主要的非晶结构。通过优化热处理参数，在593 K下进行40分钟的短时间退火处理，并在1 T磁场作用下进行氩冷处理，可以完全释放内部应力，同时抑制过度结晶，从而获得最佳的软磁性能：最小矫顽力Hc为2.63 A/m，最大饱和磁通密度Bs为1.78 T。本研究为通过冷却速率和热处理协同调节FeCoBSi合金的纳米晶/非晶复合结构提供了有效的实验证据和工艺指导，为克服高Bs和低Hc之间的性能 trade-off 提供了一条途径。

引言

由于非晶合金具有短程有序但长程无序的原子结构，因此表现出独特的物理、化学和机械性能，在软磁材料和结构材料等领域具有广泛的应用前景[1]、[2]。与晶态合金相比，基于铁的非晶合金没有晶界和位错等晶体缺陷，通常表现出优异的磁性能[3]、[4]、[5]、[6]、高强度[7]、[8]和良好的耐腐蚀性[9]、[10]。特别是基于铁的非晶合金，由于其高饱和磁通密度（Bs）和低矫顽力（Hc），已成为高频磁器件和高效能量转换系统的关键材料。

然而，非晶合金在制备后容易保留内部应力和结构不均匀性[11]、[12]。此外，它们的亚稳态结构在热影响下容易结晶，导致纳米晶结构的析出[13]、[14]。尽管这一过程可以通过热处理调整纳米晶与基体之间的交换耦合相互作用来改善某些磁性能，但过度结晶或晶粒粗化通常会引入磁晶各向异性并增加矫顽力，从而降低软磁性能[15]、[16]、[17]。因此，如何通过热处理工艺有效地调控非晶合金的微观结构，从而平衡其磁性能和机械性能，已成为该领域的研究重点。例如，陈等人[18]对FeSiBPCuCNi合金进行了两步退火处理，观察到在结构松弛的预退火阶段原子重排增加了非晶基体的晶簇成核密度。随后，通过精确控制α-Fe纳米晶的析出，获得了具有高Bs和低Hc的带状结构。刘等人[19]开发了一种高温快速退火策略，极端的过热诱导成分和能量波动，促进了均匀成核并抑制了晶粒生长，得到了Bs=1.96 T、Hc=5.1 A/m的精细非晶/纳米晶结构，并具有优异的韧性。

磁场退火是调节非晶和纳米晶软磁合金微观结构和磁性能的重要方法[20]。它通常可以分为纵向磁场退火（磁场平行于带状结构轴线）和横向磁场退火（磁场垂直于带状结构轴线）。纵向磁场退火通常会引入纵向磁各向异性，促进磁滞回线的平方化，并提高剩磁比和低频磁导率。研究表明[21]、[22]、[23]，在基于Fe的HITPERM型非晶合金中，纵向磁场退火可以将矫顽力降低到7 A/m以下，显著优于未经磁场处理的样品。相比之下，横向磁场退火可以引入横向磁各向异性，并产生剪切磁滞回线[23]、[24]、[25]。这促进了条状磁畴的形成，并减少了垂直于磁场方向的畴壁钉扎，从而降低了矫顽力并优化了高频损耗。

基于上述讨论，本研究系统地研究了常规退火、横向磁场退火以及两种冷却方法（炉冷和氩冷）对Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁非晶合金的相组成、纳米晶析出行为、软磁性能和机械性能的影响。通过结合XRD、TEM、VSM和纳米压痕等分析技术，阐明了冷却速率影响结晶行为的机制。此外，还探讨了实现低Hc和高Bs的最佳热处理工艺，旨在为高性能FeCo基软磁合金的制备和工艺优化提供实验参考和理论支持。

材料与方法

采用高纯度氩气氛围（真空度为5 × 10^?3 Pa）下的感应熔炼技术合成了标称Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁非晶合金。前驱体材料包括纯Fe（99.98 wt%）、Co（99.97 wt%）、Si（99.99 wt%）和预熔化的FeB合金（含B 18.69 wt%，纯度99.5 wt%）。为确保整个锭体的完全均匀化，对其进行了四次重熔。随后，使用相应方法制备了宽度约为2 mm、厚度约为24 μm的非晶带状样品。

冷却方法对相组成和性能的影响

图1显示了经过1小时常规退火后在不同温度下，随后进行氩冷（图1a）或炉冷（图1b）的Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁带状样品的XRD图谱。如图1(a)所示，位于2θ=45°的衍射峰随着退火温度的升高而逐渐变尖锐，表明非晶基体的结构松弛明显。对于在653 K以上退火的带状样品，在2θ=45°处仍然存在宽的漫射晕。

结论

本研究系统地研究了不同热处理工艺对Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁非晶带状样品的微观结构、软磁性能和机械性能的影响。主要结论如下：

(1)

冷却速率对纳米晶化行为有关键影响：缓慢的炉冷（从593 K降至423 K，冷却速率为5.25 K/min）促进了原子扩散和纳米晶生长，增加了结晶体积分数，而快速的氩冷（冷却速率为17.29 K/min）则抑制了这一过程。

CRediT作者贡献声明

谢雷：撰写 – 原始草稿，研究。徐晔：撰写 – 原始草稿，研究。赵瑶辉：方法学，数据管理。赵福康：方法学，数据管理。李忠：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。史书燕：方法学。李宗珍：验证，资源协调。侯龙：验证。张学锋：监督，资源协调，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家杰出青年科学基金（52225312）、浙江省自然科学基金（LY23E010007）、国家自然科学基金（52201208和U23A20548）的支持。