沈振豪，雷 聲，張正彬，官發(fā)根，馬世豪

(安徽建筑大學 機械與電氣工程學院，安徽 合肥 230022)

Nb含量對Fe-Si-B非晶合金玻璃轉變特性的影響

沈振豪，雷 聲*，張正彬，官發(fā)根，馬世豪

(安徽建筑大學 機械與電氣工程學院，安徽 合肥 230022)

選用單輥甩帶法制備出3種成分不同的Fe-B-Si非晶合金帶材，采用X射線衍射法(XRD)、差熱分析法(DSC)、X射線熒光光譜法(XRF)等方法研究了Nb含量對Fe-Si-B系非晶合金晶化過程的影響。實驗結果表明：Fe91.63B1.20Si7.09，F(xiàn)e91.60B1.66Si6.41，F(xiàn)e81.70B1.53Si7.653種非晶合金在連續(xù)加熱過程中均出現(xiàn)2個晶化放熱峰；微量的Nb元素對晶化過程并無明顯影響，過量的Nb元素提高了晶化溫度。

非晶合金；晶化過程；結晶

0 引言

Fe-Si-B非晶合金以其優(yōu)異的磁性能被廣泛地應用于變壓器等電子元器件之中[1]。對Fe-Si-B非晶合金進行退火處理能改善非晶合金的強度、熱穩(wěn)定性、室溫脆性[2]。

Fe-Si-B非晶合金是一種內部原子排列長程無序的合金，當組成成分不同時，在相同的退火溫度、時間下，其性能差別很大。其中Cu和Nb對Fe-Si-B系非晶合金晶化過程有很大的影響，Cu促進α-Fe晶化相成核，降低其晶化溫度；Nb則阻止α-Fe長大，提高其晶化溫度。但是對Fe-Si-B非晶合金的晶化行為還需細致的研究[3]。

本文研究了Fe-Si-B非晶合金在退火過程中的晶化行為，經(jīng)過對比3種不同Nb含量的Fe-Si-B系非晶合金試樣的晶化行為，總結出Nb含量對Fe-Si-B非晶合金玻璃轉變特性的影響以及影響機理，為Fe基非晶體材料成分的選擇提供了理論和實際依據(jù)。

1 實驗材料及方法

本實驗試樣母合金采用高純度(純度大于99.9%)Fe、B、Si 片按一定的質量分數(shù)在高真空和氬氣保護下熔配而成，然后采用單輥甩帶法將處于熔融狀態(tài)的高溫鋼水直接制備成非晶態(tài)薄帶樣品[4]。選取3種成分不同的非晶態(tài)薄帶樣品為實驗研究材料，編號為試樣1，2，3。

分別取出3種試樣，碾碎成粉末狀，溶于王水之中，依據(jù)JY/T015-1996感耦等離子體原子發(fā)射光譜通則，采用Optima 7300 DV等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測出B元素的含量；依據(jù)JY/T015-1996波長色散型X射線熒光光譜通則，采用X射線熒光光譜儀進行非晶合金剩余元素成分百分比測量；結合2次實驗檢測到的數(shù)據(jù)得出非晶體材料的元素組成成分。

分別從3種試樣中各剪切出一塊30 mg的薄片，確保清洗干凈后置于Al2O3坩堝中，參比坩堝空置，Ar保護，以加熱速率20 K/min通過STA409PC同步熱分析儀對其進行測量。通過比較3種Fe-Si-B非晶合金的DSC圖譜來分析試樣在加熱過程中的具體晶化溫度變化情況。

2 實驗結果

2.1 非晶材料成分測量

對實驗結果分析可知:本次非晶試樣分別為Fe91.63B1.20Si7.09，F(xiàn)e91.60B1.66Si6.41，F(xiàn)e81.70B1.53Si7.65，試樣1與試樣2成分比較接近，試樣1含有微量的Nb元素和Cu元素，試樣2含有少量的Nb元素和Cu元素；非晶試樣3，F(xiàn)e含量為81.70%，含有一定量的Cu和Nb元素，Nb含量高達7.09%。非晶試樣主要成分對照見表1。

表1 非晶試樣主要成分對照表 %

非晶試樣FeSiBCuNb試樣191.63007.09031.20000.0233<0.01試樣291.59676.41191.66000.12330.1388試樣381.70297.65251.53001.65387.0881

2.2 非晶材料XRD衍射圖譜

圖1是Fe91.63B1.20Si7.09非晶帶材經(jīng)過不同溫度退火處理后綜合s-1(200 ℃)、s-2(300 ℃)、s-3(400 ℃)、s-4(500 ℃)、s-5(600 ℃)、s-6(700 ℃)的XRD衍射線譜。

圖1 Fe91.63B1.20Si7.09非晶帶材退火后XRD衍射線譜

對非晶材料進行退火處理，當達到結晶溫度時會發(fā)生晶化反應，產生新的晶體相，在XRD衍射圖譜中表現(xiàn)為新的晶化峰。由該非晶帶材在200 ℃的退火處理后的XRD圖譜可知，當掃描至2θ=44.9°時，只有一個非晶寬化的漫散射峰，并未出現(xiàn)晶體樣品的尖銳峰，可以判斷所制得的合金帶材為非晶態(tài)結構，檢測知合金中以Fe3Si相為主[6-7]。當溫度在600 ℃時，2θ=44.9°原有的非晶峰變成晶體樣品的尖銳峰，并在2θ=65.5°處出現(xiàn)新峰，此二峰對應著Fe3Si相的[220]和[422]面(PDF卡：65-0146)。當退火溫度達到700 ℃時，分別在41.5°和43.9°產生新的物相，其對應于Si4Cu15的[420]和[332]面(PDF卡：65-3166)。

2.3 非晶材料晶化溫度的測量

2.3.1 試樣1的熱分析測量

非晶體是亞穩(wěn)態(tài)結構，晶體是穩(wěn)態(tài)結構，相對于穩(wěn)態(tài)結構，亞穩(wěn)態(tài)的非晶處于較高的能級，所以非晶合金的晶化過程是一個失穩(wěn)過程，放出熱量。當退火溫度達到或者超過玻璃轉變溫度時，由于非晶帶材的熱穩(wěn)定性的存在，非晶帶材將發(fā)生晶化轉變，降低其能量并達到平衡態(tài)，非晶潛熱將迅速釋放出來，在DSC曲線圖中表現(xiàn)為凸起的放熱峰。Fe91.63B1.20Si7.09非晶合金DSC熱分析曲線如圖2所示。

圖2 Fe91.63B1.20Si7.09非晶合金DSC熱分析曲線圖

由圖2可以看出試樣在連續(xù)加熱過程中出現(xiàn)2個晶化放熱峰，對應于2個不同的晶化行為[8]；選取的Fe基非晶帶材在530 ℃開始晶化，555 ℃時放熱達到峰值，594 ℃時晶化完成，此時對應XRD衍射圖譜2θ=65.5°和2θ=44.9°處，對照PDF卡得知：此時結晶物是Fe3Si；當加熱溫度達到671 ℃時，材料出現(xiàn)第2個晶化峰，在697 ℃時放熱達到峰值，在717 ℃時試樣已經(jīng)完全晶化，此時對應XRD衍射圖譜2θ=41.5°和2θ=43.9°處，對照PDF卡可知：此時結晶物是Si4Cu15[9]。結合圖1和圖2可以得出結論：Fe-Si-B非晶合金晶化時Nb不會與Fe發(fā)生反應，Cu會與Si發(fā)生反應，結晶物為Si4Cu15。

2.3.2 3種試樣DSC曲線的測量

重復試樣1的實驗，得到了3種非晶試樣的DSC曲線如圖3所示。

圖3 3種非晶試樣DSC熱分析曲線圖

由圖3可知，3種非晶試樣在連續(xù)加熱過程中出現(xiàn)2個晶化放熱峰，除試樣2以外其余試樣結晶溫度相似，經(jīng)整理后得出的DSC曲線轉變溫度見表2。表2中Txonset為初始晶化溫度、Tx為峰值溫度、Tendset為晶化轉變終了溫度。

表2 3種非晶試樣的DSC曲線溫度表 ℃

試樣第1晶化峰TxonsetTx1第2晶化峰Tx2Tendset試樣1530555697717試樣2490516564583試樣3528553695711

3 實驗結果分析

比較試樣1與試樣2，雖然其元素成分基本相似，但是，試樣1與試樣2的DSC曲線差別較大。試樣2的結晶溫度變低、晶化速率變快、完全結晶溫度變低，晶化峰寬度變窄，即晶化速度得到提高。這是由于Cu難溶于Fe，會引起基體中Fe原子濃度的起伏，使α-Fe形核數(shù)量增加，使晶化的孕育時間變短，降低其析出溫度，即降低晶化溫度[10-11],并且微量的Nb元素對晶化過程并無明顯影響。

比較試樣2與試樣3，試樣3的Cu含量很高，但是試樣3的初始晶化溫度、完全晶化溫度卻比試樣2高。隨著晶化的進行，Nb、B等元素被排擠到α-Fe相的周圍，形成細微的α-Fe(Si)晶化相，但是Nb是大半徑原子，其半徑遠大于Fe原子半徑，Nb元素的擴散變得困難，形成了以Nb為主導地位的Cu、Nb、B的原子富集。一方面形成了更多的α-Fe形核，另一方面晶化過程中合金必須吸收更多的能量突破勢壘發(fā)生晶化，會使晶化過程中的激活能增高，即增高結晶溫度[12-13]。

4 結束語

1)微量的Nb元素對晶化過程并無明顯影響，過量的Nb元素提高晶化溫度。

2)Nb對晶化過程影響較大的原因：Nb元素難溶于Fe，也不會與Fe發(fā)生反應，并且Nb半徑最大，擴散困難。

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(責任編輯 吳鴻霞)

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

安徽省教育廳自然科學重點資助項目(項目編號：kj2016A146;kj2016jd20);安徽建筑大學校級科研項目(項目編號：2015nhx-050;2013nhx-122)。

沈振豪,碩士生。

*通訊作者：雷聲，教授，博士，研究方向:材料科學和材料成形技術。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.01.006

TB3

A

2095-4565(2017)01-0022-04