高Fe含量Fe-Si-B-Cu纳米晶软磁合金的组织结构和力学性能的研究

摘要

Fe基纳米晶软磁合金具有低矫顽力（Hc）、高磁导率、低磁致伸缩系数以及低铁损等优异的软磁特性，尤其是高频条件下的软磁性能更为突出，广泛应用于高频变压器、高频开关电源、传感器以及电流互感器等电子电力设备中。目前在工业上应用最多的合金为Finemet(Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1(at.%))，然而该合金的饱和磁感应强度（Bs）较低，不利于设备的小型化和轻量化发展。近年来，材料工作者开发出一系列高Bs的Fe基纳米晶软磁合金体系，如Fe-Si-B-Cu和Fe-Si-B-P-Cu等，有望进一步推广其在工业生产中的应用。 目前对高Bs Fe基纳米晶软磁合金的研究多集中在成分设计、组织结构调控以及磁性能优化等方面，对其力学性能及退火脆性的研究很少。Fe基纳米晶软磁合金通常采用非晶晶化的方法制备，其前驱体非晶带材经过热处理结晶化以后会发生脆化，增大了铁心加工成形的难度，特别是在实际工况条件下容易失效，制约了其在工业生产中的应用。因此，调查高Bs Fe基纳米晶软磁合金的退火脆性与其组织结构的关系以及一定程度地抑制合金的退火脆性具有重要研究价值。 本文以高Fe含量Fe81.7Si4B13Cu1.3（at.%）合金为研究对象，系统地调查了合金的结晶化组织结构、磁性能和力学性能，分析了合金的退火脆性与组织结构的关系。在此基础上研究了Nb的添加以及热处理升温速率对Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3(x=0,2,4)系合金的组织结构、磁性能以及力学性能的影响。主要内容如下： 1.Fe81.7Si4B13Cu1.3急冷合金为单一的非晶态结构，其相对断裂应变（εf）值为1，具有良好的韧性。合金经608K热处理1h后，从非晶基体中析出的α-Fe纳米晶与残余非晶相形成了纳米复相结构，其Bs和Hc分别为1.65T和6A/m；合金的εf由1降低至0.0240。随着热处理温度进一步升高，其εf逐渐降低，退火脆性逐渐增大。 2.Nb的添加增强了Fe81.7Si4B13Cu1.3非晶合金的热稳定性，拓宽了其获得最小矫顽力的退火温度区间。Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3(x=0,2,4)系合金经适当温度热处理1h后，随着Nb含量的增加，其晶粒发生了明显细化，由52.6nm降低至10.4nm，其Hc由382.1A/m降低至2.4A/m，软磁性能得到优化，但Bs也由1.72T降低至1.42T；其εf由0.0133提升至0.0172，退火脆性得到抑制。 3.Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3系合金的热处理升温速率由10K/min提升至400K/min后，其晶粒逐渐细化，Hc逐渐降低，软磁性能得到优化，Bs未发生明显变化；其εf逐渐升高，退火脆性得到抑制。Fe77.7Si4B13Nb4Cu1.3合金以400K/min的升温速率在783K热处理10min后具有最低的矫顽力及最高的εf，分别为1.2A/m和0.0179，但是其εf对热处理升温速率的敏感性也最低。 4.Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3系合金的退火脆性与其组织结构密切相关。随着晶粒尺寸的降低，合金的εf呈现出逐渐升高的趋势。

目录

声明

1绪论

1.1 软磁材料概述

1.1.1 软磁材料及其特点

1.1.2 软磁材料的分类

1.1.3 非晶态软磁材料

1.1.4 纳米晶软磁材料

1.2 Fe基纳米晶软磁材料的晶化机制及其结构演变

1.3 Fe基纳米晶软磁材料的性能

1.3.1 Fe基纳米晶软磁材料的磁性能

1.3.2 Fe基纳米晶软磁材料的力学性能

1.4 合金元素添加对Fe基纳米晶软磁材料力学性能的影响

1.5 热处理工艺对Fe基纳米晶软磁材料力学性能的影响

1.6 本文选题依据及主要内容

2实验内容及研究方法

2.1 前言

2.2 样品制备

2.2.1 母合金锭的制备

2.2.2 急冷合金带材的制备

2.2.3 纳米晶合金带材的制备

2.2 结构表征与形貌观察

2.2.1 结构表征

2.2.2 形貌观察

2.3 性能测试

2.3.1 热性能分析

2.3.2 磁性能测试

2.3.3 力学性能测试

3 Nb的添加对Fe81.7Si4B13Cu1.3合金组织结构及性能的影响

3.1 前言

3.2 Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3急冷合金的结构和热性能

3.3 Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3非晶合金的结晶化组织结构

3.4 Nb的添加对Fe81.7Si4B13Cu1.3纳米晶合金磁性能的影响

3.5 Nb的添加对Fe81.7Si4B13Cu1.3纳米晶合金力学性能的影响

3.6 本章小结

4热处理升温速率对Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3合金的组织结构及性能的影响

4.1 前言

4.2 热处理升温速率对Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3合金结晶化组织结构的影响

4.3 热处理升温速率对Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3纳米晶合金磁性能的影响

4.4 热处理升温速率对Fe81.7-xSi4B13NbxCu1.3纳米晶合金力学性能的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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