Ni含量对FeCo基纳米晶合金高温磁性的影响

周龙，王治，贾芸芸，葛桂贤，唐光辉

（1石河子大学理学院物理系／石河子大学生态物理重点实验室，石河子832003；2天津大学理学院，天津300072）

1988年 Yoshizawa等［1－2］首先发现了最后命名为FINEMET［3－4］的 Fe基纳米晶合金，由于其优异的软磁性能，Fe基纳米晶材料从此受到各国材料科学工作者和产业界的关注。

具有高磁导的Fe基纳米晶合金（以下称Fe基合金）在室温下被广泛应用，但是由于其较低的居里温度限制了其在高温环境下的应用［5－6］。为了提高Fe基合金的居里温度，用Co部分的代替Fe基合金中的Fe制成FeCo基纳米晶合金（以下称FeCo基合金），其软磁性能得到了改善［7－8］。加入 Co后，虽然高温性能得到改善，但相对Fe基合金室温下磁导率却明显衰减。这是由于Fe基合金的磁致伸缩系数会随退火温度的增加而减小，而FeCo基合金与此恰好相反［9］。

由于FeCo基合金的磁致伸缩系数为正值，而Ni元素的磁致伸缩系数为负值［10－12］，将 Ni加入Fe－Co基合金中有可能减小纳米晶合金磁致伸缩系数。所以为了得到同时具有高居里温度和高磁导率的纳米晶合金，我们在具有较好高温磁性的 （Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1纳米晶合金中 加入少 量的Ni元素制成了 Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－xNb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）系列样品，研究了其基本的磁学参量居里温度（Tc）和初始磁导率（μi）随Ni含量变化的规律。

1 实验方法

用单辊熔体急冷法制备出宽约2～3mm，厚约20μm 的 非晶 Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－xNb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）系列合金薄带，经 X射线衍射证实为非晶结构（薄带的制备与结构的证实由北京理工大学材料学院完成）。将3m长的薄带卷成内径约为14mm，外径约为18mm的环状样品，然后放入通有氩气保护的加热炉内，在不同温度（380～730℃）循环加热，用Agilent4294A型阻抗分析仪测定交流初始磁导率μi随温度T的变化（升温温率10℃／min）。

2 结果与分析

2．1 Ni含量对FeCo基合金居里温度的影响

图1是淬态FeCo基合金的μi－T 曲线（图中的插图是x＝10、15、20、25、30样品μi－T 曲线的细节图）。由图1可以看出：与Fe基和FeCo基淬态非晶合金一样，含Ni的FeCo基淬态非晶合金的μi－T曲线中也出现了尖锐的霍普金森峰，峰值温度对应淬态合金的居里温度Tc，达到该温度时合金发生了顺磁转变。

图1 淬态 Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－xNb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）合金的μi－T 曲线Fig．1μi－T curves for as－quenched Nix（Fe0．5Co0．5）73．5－x Nb3Si13．5B9Cu1（x＝5，10，15，20，25，30）alloys

当Ni含量较少（x≤20）时，初始磁导率在高温区出现了明显的上升，这说明非晶合金在高温加热过程中发生了部分晶化，而Ni含量较多（x＞20）时，合金高温区磁导率几乎一直保持较低的值，没有明显上升的部分，这可能与合金的晶化温度随Ni含量变化有关［13］。随着Ni含量的增加一次晶化温度Tx1增加，而二次晶化温度Tx2降低，ΔT＝Tx2－Tx1随Ni含量的增加而减小，说明随Ni含量的增加，非晶合金只能在较窄的温度范围内形成单一的α－Fe－Co晶化相，二次晶化伴随在一次晶化过程中，由于二次晶化形成硬磁相，所以Ni含量较高的合金样品的磁导率没有随温度升高发生明显的上升，而是一直保持较低的值，直到760℃。

根据图1中的霍普金森峰位置，可以得到不同Ni含量的FeCo基合金的居里温度，图2是居里温度与Ni含量x的关系。从图2可知，Ni含量为x＝10的非晶合金（以下称x＝10合金，其它类同）的居里温度最高，其值约为430℃，小于Ni含量为零的（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1非 晶 合 金 的 居 里 温度（约为460℃）；随着Ni含量的增加，合金的居里温度迅速下降，当x＞15后，非晶合金的居里温度下降到了300℃以下，该值低于典型的FINEMET型Fe基合金的居里温度值（300℃），表明过多的Ni含量对FeCo基纳米晶合金的高温磁性是不利的，所以同时具有高初始磁导率和高居里温度的新型纳米晶合金有望在x＝5～10的纳米晶合金中获得。

图2 居里温度 与Ni含量x的关系Fig．2The dependence of Curie temperature Tcand Ni content

2．2 Ni含量对FeCo基合金初始磁导率的影响

图3是x＝5的合金循环加热的μi－T 曲线，循环加热（升温速率为10℃／min）的最高温度分别为385℃、500℃、740℃（见图3中标注，以下各图中标注含义与此相同），且达到最高温度时保温0．5 h。从淬态合金经过385℃退火后降温的μi－T曲线可以看出，磁导率在降温过程中略有上升，这与合金内应力的释放有关，而在400℃附近出现了尖锐的霍普金森峰，表明x＝5的合金样品经过385℃退火后没有纳米晶相析出。

从经500℃退火后的降温曲线可以看出，霍普金森峰消失且初始磁导率大幅度上升，这可能有以下两方面原因：一方面合金经500℃退火后已形成了非晶相和纳米晶相两相共存的双相纳米晶合金，由于铁磁性晶化相的磁矩远远大于非晶相，所以使得磁导率上升；另一方面，由于含Ni的FeCo基合金的晶粒尺寸较小，可以认为是单畴结构，在这种情况下，各向异性对磁化过程有很大的影响，而应变又对各向异性有较大的影响［14］，在较高温度下退火，合金的内应变减小，从而使磁导率上升。在经500℃退火后的升温曲线中初始磁导率随温度缓慢下降，在400℃附近快速下降到几乎为零，表明晶化相间的交换耦合作用被顺磁性的非晶相阻断。

从最高温度为740℃的曲线可知，温度上升到570℃附近，初始磁导率开始缓慢上升，这可能是由于纳米晶相的大量析出造成的。650℃以后，由于硬磁相析出初始磁导率开始下降，700℃以后磁导率下降到几乎为零。

含Ni的FeCo基合金的初始磁导率随温度的变化规律与FeCo基合金相似，但是500℃真空退火处理的x＝5的合金样品初始磁导率约为4000，低 于 500 ℃ 退 火 的 （Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金（μi≈5000），这可能是由于Ni的加入使饱和磁感应强度降低造成的。所以，x＝5的合金较FeCo基合金的居里温度和初始磁导率都有所下降，没有改善FeCo基纳米晶合金的软磁性能。

图4是x＝10的合金循环加热、冷却过程的μi－T曲线。图4和图3相似，经380℃退火后淬态合金的内应力的释放，磁导率有所上升，在430℃附近出现尖锐的霍普金森峰后磁导率迅速下降到零，经500℃退火的合金的初始磁导率约为1400，也低于500 ℃退火的（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金的初始磁导率，这表明x＝10的Ni含量也没有改善FeCo基纳米晶合金的软磁性能。

图3 淬态 Ni5（Fe0．5Co0．5）68．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在连续循环加热冷却过程中的μi－T曲线Fig．3μi－T curves for as－quenched Ni5（Fe0．5Co0．5）68．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

图4 淬态 Ni10（Fe0．5Co0．5）63．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在连续循环加热冷却过程中的μi－T曲线Fig．4μi－T curves for as－quenched Ni10（Fe0．5Co0．5）63．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

图5是x＝15的合金经连贯循环加热冷却过程的μi－T曲线。由图5可以看出：经385℃退火的合金的μi－T曲线在300℃附近出现了霍普金森峰，表明经385℃退火的合金没有发生纳米晶化，而经500℃退火的合金初始磁导率较大，大于x＝5和x＝10的合金样品，而且比FeCo基合金的初始磁导率也大。这可能是Ni含量增加使得纳米晶合金的磁致伸缩系数减小而引起的。经550℃退火后，合金的磁导率大幅度下降，这可能与硬磁相的析出有关。

图6是x＝10的合金385℃、600℃、730℃退火的μi－T曲线。从图6可以看到，经500℃退火的合金样品初始磁导率明显增加，室温下初始磁导率约为10500，远远高于500 ℃退火的（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金，这可能是Ni的加入使合金的磁致伸缩大幅度减小引起的。

对比图3、图4可以发现，经500℃退火后，x＝20合金样品的初始磁导率低温区时随温度的增加而增加，最后在居里温度附近快速下降到零，这与x＝5、10的合金变化都不相同，可能是因为随着Ni含量的增加，一次晶化温度也将增加，所以500℃退火后合金样品没有纳米晶析出，仍为非晶态合金。经过550℃退火后的合金样品的初始磁导率快速下降到400左右（图6），表明经550℃退火后，合金中已经有硬磁相析出。

从图6还可以看出，随Ni含量的增加，二次晶化温度降低，形成单一bcc结构的FeCo相的温度范围变小，且随Ni含量的增加，室温下初始磁导率增加。这是因为Ni含量增加使得合金的饱和磁感应强度减小，同时也说明Ni含量的增加会使合金的磁致伸缩系数减小。

Ni含量x＝25，30的FeCo基合金样品因居里温度过低，已无高温磁性研究的价值，故在此不做分析。

图5 淬态 Ni15（Fe0．5Co0．5）58．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在连续循环加热冷却过程中的μi－T曲线Fig．5μi－Tcurves for as－quenched Ni15（Fe0．5Co0．5）58．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

图6 淬态 Ni20（Fe0．5Co0．5）53．5Nb3Si13．5B9Cu1 合金在连续循环加热冷却过程中的μi－T曲线Fig．6μi－T curves for as－quenched Ni20（Fe0．5Co0．5）53．5Nb3Si13．5B9Cu1alloy in the process of heating－cooling cycle

3 结论

1）FeCo基纳米晶合金中加入Ni后，合金的居里温度有所下降，当Ni含量x≥20时，合金的居里温度降低到300℃以下，低于一般的Fe基纳米晶合金的居里温度。

2）退火后Ni含量较少（x＜15）的纳米晶合金的初始磁导率低于FeCo基纳米晶合金的，这可能是由于Ni的加入使饱和磁感应强度减小造成的，Ni含量较多（x≥15）的纳米晶合金，室温下磁导率远远大于FeCo基纳米晶合金，这表明大量的Ni加入FeCo基合金可以使合金的磁致伸缩系数大幅度减小，但是此时合金的居里温度低于Fe基纳米晶合金，已失去了高温磁性研究的价值。所以Ni加入到（Fe0．5Co0．5）73．5Nb3Si13．5B9Cu1合金中，没有形成同时具有高居里温度和高磁导率的纳米晶合金。

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