Nb含量对Fe-Si-B非晶合金玻璃转变特性的影响

沈振豪，雷 声，张正彬，官发根，马世豪

(安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230022)

Nb含量对Fe-Si-B非晶合金玻璃转变特性的影响

沈振豪，雷 声*，张正彬，官发根，马世豪

(安徽建筑大学 机械与电气工程学院，安徽 合肥 230022)

选用单辊甩带法制备出3种成分不同的Fe-B-Si非晶合金带材，采用X射线衍射法(XRD)、差热分析法(DSC)、X射线荧光光谱法(XRF)等方法研究了Nb含量对Fe-Si-B系非晶合金晶化过程的影响。实验结果表明：Fe91.63B1.20Si7.09，Fe91.60B1.66Si6.41，Fe81.70B1.53Si7.653种非晶合金在连续加热过程中均出现2个晶化放热峰；微量的Nb元素对晶化过程并无明显影响，过量的Nb元素提高了晶化温度。

非晶合金；晶化过程；结晶

0 引言

Fe-Si-B非晶合金以其优异的磁性能被广泛地应用于变压器等电子元器件之中[1]。对Fe-Si-B非晶合金进行退火处理能改善非晶合金的强度、热稳定性、室温脆性[2]。

Fe-Si-B非晶合金是一种内部原子排列长程无序的合金，当组成成分不同时，在相同的退火温度、时间下，其性能差别很大。其中Cu和Nb对Fe-Si-B系非晶合金晶化过程有很大的影响，Cu促进α-Fe晶化相成核，降低其晶化温度；Nb则阻止α-Fe长大，提高其晶化温度。但是对Fe-Si-B非晶合金的晶化行为还需细致的研究[3]。

本文研究了Fe-Si-B非晶合金在退火过程中的晶化行为，经过对比3种不同Nb含量的Fe-Si-B系非晶合金试样的晶化行为，总结出Nb含量对Fe-Si-B非晶合金玻璃转变特性的影响以及影响机理，为Fe基非晶体材料成分的选择提供了理论和实际依据。

1 实验材料及方法

本实验试样母合金采用高纯度(纯度大于99.9%)Fe、B、Si 片按一定的质量分数在高真空和氩气保护下熔配而成，然后采用单辊甩带法将处于熔融状态的高温钢水直接制备成非晶态薄带样品[4]。选取3种成分不同的非晶态薄带样品为实验研究材料，编号为试样1，2，3。

分别取出3种试样，碾碎成粉末状，溶于王水之中，依据JY/T015-1996感耦等离子体原子发射光谱通则，采用Optima 7300 DV等离子体原子发射光谱仪检测出B元素的含量；依据JY/T015-1996波长色散型X射线荧光光谱通则，采用X射线荧光光谱仪进行非晶合金剩余元素成分百分比测量；结合2次实验检测到的数据得出非晶体材料的元素组成成分。

分别从3种试样中各剪切出一块30 mg的薄片，确保清洗干净后置于Al2O3坩埚中，参比坩埚空置，Ar保护，以加热速率20 K/min通过STA409PC同步热分析仪对其进行测量。通过比较3种Fe-Si-B非晶合金的DSC图谱来分析试样在加热过程中的具体晶化温度变化情况。

2 实验结果

2.1 非晶材料成分测量

对实验结果分析可知:本次非晶试样分别为Fe91.63B1.20Si7.09，Fe91.60B1.66Si6.41，Fe81.70B1.53Si7.65，试样1与试样2成分比较接近，试样1含有微量的Nb元素和Cu元素，试样2含有少量的Nb元素和Cu元素；非晶试样3，Fe含量为81.70%，含有一定量的Cu和Nb元素，Nb含量高达7.09%。非晶试样主要成分对照见表1。

表1 非晶试样主要成分对照表 %

非晶试样FeSiBCuNb试样191.63007.09031.20000.0233<0.01试样291.59676.41191.66000.12330.1388试样381.70297.65251.53001.65387.0881

2.2 非晶材料XRD衍射图谱

图1是Fe91.63B1.20Si7.09非晶带材经过不同温度退火处理后综合s-1(200 ℃)、s-2(300 ℃)、s-3(400 ℃)、s-4(500 ℃)、s-5(600 ℃)、s-6(700 ℃)的XRD衍射线谱。

图1 Fe91.63B1.20Si7.09非晶带材退火后XRD衍射线谱

对非晶材料进行退火处理，当达到结晶温度时会发生晶化反应，产生新的晶体相，在XRD衍射图谱中表现为新的晶化峰。由该非晶带材在200 ℃的退火处理后的XRD图谱可知，当扫描至2θ=44.9°时，只有一个非晶宽化的漫散射峰，并未出现晶体样品的尖锐峰，可以判断所制得的合金带材为非晶态结构，检测知合金中以Fe3Si相为主[6-7]。当温度在600 ℃时，2θ=44.9°原有的非晶峰变成晶体样品的尖锐峰，并在2θ=65.5°处出现新峰，此二峰对应着Fe3Si相的[220]和[422]面(PDF卡：65-0146)。当退火温度达到700 ℃时，分别在41.5°和43.9°产生新的物相，其对应于Si4Cu15的[420]和[332]面(PDF卡：65-3166)。

2.3 非晶材料晶化温度的测量

2.3.1 试样1的热分析测量

非晶体是亚稳态结构，晶体是稳态结构，相对于稳态结构，亚稳态的非晶处于较高的能级，所以非晶合金的晶化过程是一个失稳过程，放出热量。当退火温度达到或者超过玻璃转变温度时，由于非晶带材的热稳定性的存在，非晶带材将发生晶化转变，降低其能量并达到平衡态，非晶潜热将迅速释放出来，在DSC曲线图中表现为凸起的放热峰。Fe91.63B1.20Si7.09非晶合金DSC热分析曲线如图2所示。

图2 Fe91.63B1.20Si7.09非晶合金DSC热分析曲线图

由图2可以看出试样在连续加热过程中出现2个晶化放热峰，对应于2个不同的晶化行为[8]；选取的Fe基非晶带材在530 ℃开始晶化，555 ℃时放热达到峰值，594 ℃时晶化完成，此时对应XRD衍射图谱2θ=65.5°和2θ=44.9°处，对照PDF卡得知：此时结晶物是Fe3Si；当加热温度达到671 ℃时，材料出现第2个晶化峰，在697 ℃时放热达到峰值，在717 ℃时试样已经完全晶化，此时对应XRD衍射图谱2θ=41.5°和2θ=43.9°处，对照PDF卡可知：此时结晶物是Si4Cu15[9]。结合图1和图2可以得出结论：Fe-Si-B非晶合金晶化时Nb不会与Fe发生反应，Cu会与Si发生反应，结晶物为Si4Cu15。

2.3.2 3种试样DSC曲线的测量

重复试样1的实验，得到了3种非晶试样的DSC曲线如图3所示。

图3 3种非晶试样DSC热分析曲线图

由图3可知，3种非晶试样在连续加热过程中出现2个晶化放热峰，除试样2以外其余试样结晶温度相似，经整理后得出的DSC曲线转变温度见表2。表2中Txonset为初始晶化温度、Tx为峰值温度、Tendset为晶化转变终了温度。

表2 3种非晶试样的DSC曲线温度表 ℃

试样第1晶化峰TxonsetTx1第2晶化峰Tx2Tendset试样1530555697717试样2490516564583试样3528553695711

3 实验结果分析

比较试样1与试样2，虽然其元素成分基本相似，但是，试样1与试样2的DSC曲线差别较大。试样2的结晶温度变低、晶化速率变快、完全结晶温度变低，晶化峰宽度变窄，即晶化速度得到提高。这是由于Cu难溶于Fe，会引起基体中Fe原子浓度的起伏，使α-Fe形核数量增加，使晶化的孕育时间变短，降低其析出温度，即降低晶化温度[10-11],并且微量的Nb元素对晶化过程并无明显影响。

比较试样2与试样3，试样3的Cu含量很高，但是试样3的初始晶化温度、完全晶化温度却比试样2高。随着晶化的进行，Nb、B等元素被排挤到α-Fe相的周围，形成细微的α-Fe(Si)晶化相，但是Nb是大半径原子，其半径远大于Fe原子半径，Nb元素的扩散变得困难，形成了以Nb为主导地位的Cu、Nb、B的原子富集。一方面形成了更多的α-Fe形核，另一方面晶化过程中合金必须吸收更多的能量突破势垒发生晶化，会使晶化过程中的激活能增高，即增高结晶温度[12-13]。

4 结束语

1)微量的Nb元素对晶化过程并无明显影响，过量的Nb元素提高晶化温度。

2)Nb对晶化过程影响较大的原因：Nb元素难溶于Fe，也不会与Fe发生反应，并且Nb半径最大，扩散困难。

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(责任编辑 吴鸿霞)

Effect of Nb Addition on Glass Transition of Fe-Si-B Metallic Glasses

ShenZhenhao,LeiSheng*,ZhangZhengbin,GuanFagen,MaShihao

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230022)

In this paper,three kinds of Fe-B-Si amorphous alloy strip with different compositions were prepared by melt-spinning method.The effect of Nb content on crystallization behavior of Fe-B-Si amorphous alloy was systemically studied by means of DSC,XRD and XRF.The results indicate that there are two exothermic peaks in the DSC curve of Fe91.63B1.20Si7.09,Fe91.60B1.66Si6.41and Fe81.70B1.53Si7.65metallic glass during continuous heating process.The adding of trace Nb elements is not affected in the crystallization behavior.The crystallization temperature of the amorphous alloys increases with the addition of excess Nb elements.

amorphous alloys;crystallization behavior;crystallization

2016-12-02

安徽省教育厅自然科学重点资助项目(项目编号：kj2016A146;kj2016jd20);安徽建筑大学校级科研项目(项目编号：2015nhx-050;2013nhx-122)。

沈振豪,硕士生。

*通讯作者：雷声，教授，博士，研究方向:材料科学和材料成形技术。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.01.006

TB3

A

2095-4565(2017)01-0022-04