饱和磁致伸缩对非晶软磁合金磁性能的影响
饱和磁致伸缩对非晶软磁合金磁性能的影响!
时间: 2009年09月23日来源:本站原创作者: 塞外狂生浏览次数: 59
研究表明，单纯的纳米晶结构也不能作为优良软磁材料的充要条件，必须使合金在晶化后形成纳米晶结构的同时使材料的饱和磁致伸缩系数λs降低。
而合金的λs值取决于bcc 晶体相和剩余非晶相的λs值及其所占体积分数，Herzer认为：
纳米晶材料的磁致伸缩是晶相与非晶相磁致伸缩的平均:
λs＝vcλsc＋（1－vc）λsa
其中vc是结晶相所占的体积百分数，λsc和λsa分别是结晶相和剩余非晶相的饱和磁致伸缩系数。
对于Finemet合金，退火时产生的晶化相是含Si约为20at%的Fe-Si固溶体，它自身的λs值约为－6×10－6,剩余非晶相的λs值约为20×10-6，若设晶化相所占的体积分数为vc，则纳米晶合金的λs为:
λs＝－6×10－6vc＋20×10-6（1－vc）
若晶化相的体积分数为70％，则纳米晶合金的λs＝2×10－6，可见Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶软磁合金具有很低的λs值。
从图可以看出，非晶态Fe73.5Cu1Nb3Sil3.5B9合金形成纳米晶后λs迅速下降。
在Fe73.5Cu1Nb3Si22.5－xBx系列纳米晶合金中，凡随Si含量增加而减小，在Si含量为17at%时，λs＝0。
值得注意的是，当λs =0时，纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B软磁合金的软磁性能并不是最佳的，这说明磁致伸缩并非是影响软磁性能的唯一原因。
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不管纳米晶粒子形成过程如何，在低λs的非晶基体上存在高度分散的均匀、微细晶粒，使磁畴细化，其晶粒尺寸等于或者小于畴壁宽度，使局域各向异性减小。
如果纳米晶的析出引起λs和K的同时下降将会使材料的磁性得到改善。
另外有报道指出关于纳米磁性材料具有优异磁性能的物理机理来源于磁交换耦合作用，这可分为两类：一种是非晶相与纳米相的交换耦合作用，另一种是纳米相与纳米相交换耦合作用。
非晶态软磁合金材料.
建造非晶态固体结构模型的主要根据是： a）满足原子(分子)间相互作用的势函数的要求； b）结构中不能出现原子周期性规则排列的区域； c）相应的结构应使体系的自由能最小； d）结构模型应具有相容性。 当根据模型的结构计算出的物理量与实验测量结构 达到最好的拟合时，该结构模型就是被研究物质的一种 可能结构。 目前公认的非晶态金属和合金的结构模型中，较好 的是硬球无规密堆模型(DR—PHS)。这种模型最初把原 子视为一定直径不可压缩的钢球，无规密堆即硬球尽可 能紧密堆积，结构中不包含可以容纳一个球的间隙。同 时，球的排列是无规的，当任何两个球之间的间距大于 直径的五倍时，他们位置之间的相关性很弱，不出现规 则周期性排列的有序区。
4、非晶体软磁合金的特点
非晶态软磁合金的磁导率和电阻率高，矫顽力 小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶 各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居 里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低， 是一种正在开发利用的新型软磁材料。
4.1 优良的磁性
与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原 子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高， 因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材 料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁 心、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、 缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性 能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。
作为软磁材料，希望它有高的饱和磁感应强度和 磁导率，低的矫顽力。这些软磁性能又和材料的磁晶 各向异性，磁致伸缩系数有关。磁晶各向异性系数和 磁致伸缩系数越小，组织结构越均匀，材料的软磁性 能就越好。非晶态磁性合金没有长程有序，因此非晶 磁性材料的磁晶各向异性为零，而且非晶磁性材料组 织结构均匀，不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物， 这样，非晶结构决定了其具有良好的软磁性能。但非 晶态磁性材料的磁致伸缩一般不为零，因为磁致伸缩 起源于短程相互作用。所以，非晶磁性材料的软磁特 性主要取决于磁致伸缩系数λ s的大小。当λ s≈0时， 则可得到高磁导率，低矫顽力的非晶软磁材料。除此 之外，非晶态合金的电阻率较高，因此涡流损耗低， 频率特性好，可应用在较高的频率范围。非晶态的结 构均匀，各向同性特点也决定了非晶材料具有高强度， 一定的韧性，并具有很强的抗腐蚀性等。
非晶态合金的特性
非晶态软磁合金的特性——中国磁材网与晶态软磁合金相比，非晶态软磁合金具有以下特点：(1)优良的软磁性：由于晶态材料如硅钢、Fe-Ni坡莫合金或铁氧体等磁性受各向异性相互干扰，磁导率会下降，损耗增大。
而非晶态合金不存在晶体结构，因此不存在磁晶各向异性，所以磁导率、矫顽力等磁性参数主要取决于饱和磁致伸缩值的大小以及内部应力状态。
当λs︾0时，应有最佳的软磁特性。
同时，非晶态合金组织结构均匀，不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物，因此可望获得比晶态更高的磁导率μ和更小的矫顽力Hc。
由于合金有约20at%的类金属原子，因此它们的饱和磁化强度一般低于相应的晶态合金。
其中以铁基合金的饱和磁化强度最高，但最高值也不超过1.8T 。
居里温度也较晶态合金低。
(2)感生磁各向异性常数Ku：非晶合金虽然不存在磁晶各向异性，但它并不是磁各向同性的。
它在制备和以后的热处理过程中可以感生出磁各向异性。
利用由磁场退火感生的磁各向异性来控制合金的磁性已在实际上应用。
由磁场退火感生的磁各向异性大小和合金中磁性元素含量的关系蓦本符合原子对方向有序理论，但存在一定偏离。
（3）高强度：由于没有通常所说的晶体缺陷(如晶界、位错)等，没有滑移变形和易断裂的晶面，非晶合余具有更高的强度和硬度，例如：一些非晶合的抗拉强度可以达到3920MPa，维氏硬度可大于9800MPa，为相应晶态合金的5～10倍，可与铁氧体相媲美。
而且强度的尺寸效应很小，它的弹性也比一般金属好，弯曲形变可达50%以上。
(4) 化学特性：由于非晶态金属的结构均匀，没有与晶态相关联的缺陷，像晶粒边界、位错和堆垛层错。
另外，制备非晶态合金的熔融状态快淬可以防止在淬火过程中的固态扩散。
于是，它们也没有像第二相、沉淀和偏析等缺陷。
因此，在与表面有关的特性(像腐蚀和催化)方面，非晶态合金被认为是理想的化学均匀合金。
例如，在中性盐和酸性溶液中，低铬的铁基金属玻璃(如Fe27Cr8P13C7)的耐腐蚀性优于不锈钢，这是一般晶态软磁合金所难以达到的。
非晶态软磁合金
表1列出了一些DRPHS模型的模拟计算结果与实验测定的 RDF的比较结果。
表1 非晶态固体结构模型
模型 Finney (8000个 球) Bennet (3999个 球) sadoc二 元模型
r2/r1
r2/r1
r3/r1
密堆比例
‘模型与实验分布函 数的比较 第二峰分裂，峰位
1.73
1.99
2.65
2.1.3 结构的亚稳性
非晶态软磁合金固体的最重要特征是其亚稳性。 非晶态软磁合金固体的最重要特征是其亚稳性。 从热力学来讲，熔点以下的晶态， 从热力学来讲，熔点以下的晶态，总是自由能最低的 状态。因此， 状态。因此，非晶态软磁合金总是有向自由能最低的 晶体转化的趋势。 晶体转化的趋势。
2.2 非晶软磁合金的结构模型
Alben等提出磁矩的抑制是由于磁性状态所造成 的失去d特征的结果，因为它们参与了同类金属物的 键合(P—d杂化作用)。Allen等进一步提出了P—d键 合模型，他们给出了使共晶非晶合金稳定的P—d杂化 作用的热力学证据。他们引用了磷族元素化锰的磁性 形状因数的中子散射研究，它表明多达20个d电子丢 失到非极化的、去局域化的P—d键合态合反键合态。 — Fe75-XNiX P15C10系的Tc随X的变化可以与得自给出交换 常数JFe-Fe=1，JFe-Ni=1.2，JNi-Ni=0的CPA(图2中的短虚 线)的表达式相拟合，在硼作为唯一的类金属的情况 下，较高的居里温度可以与参量JFe-Fe=1，JFe-Ni=1.5， JNi-Ni=0.2拟合(图2中连接圆圈合三角数据点的实线)。
4、技术磁化
技术磁化包括矫顽力、剩余磁化强度对饱和磁 化强度之比、损耗、磁导率、激磁功率以及这些性 能随温度和时间的变化。这些磁性多数是影响装置 效能的关键参数。例如，损耗和激磁功率是大型变 压器涉及的关键指标，初始磁导率是小型漏电探测 器用变压器的关键参数，而加蓬万里又是损耗的控 制因数。
非晶态合金的磁性能研究
非晶态合金的磁性能研究随着工业技术的不断进步，非晶态合金越来越受到人们的重视。
非晶态合金可以用于制造各种元器件，如传感器、电感器、变压器、电容器等。
同时，非晶态合金也是磁性材料的一种，其磁性能也受到了广泛的关注。
磁性材料是指能够产生磁场或受到磁场影响的材料。
非晶态合金具有较强的磁性能，因此被广泛应用于电子行业。
非晶态合金具有比普通钢更高的饱和磁感应强度和更低的磁滞损耗，因此可以用于制造电感器、传感器等。
非晶态合金的磁性能与其结构密切相关。
非晶态合金的结构特点是其原子排列不规则，没有明确的晶格结构。
这种结构与晶态材料的结构不同，导致非晶态合金具有一些特殊的物理和化学性质。
非晶态合金的高饱和磁感应强度与其独特的结构有关，其结构导致了非晶态合金中存在大量的浦曼效应。
浦曼效应是指介电质或金属中离子的自旋在磁场作用下产生塞曼分裂，从而增强磁特性的现象。
因此，非晶态合金在外加磁场的作用下具有较强的磁响应能力。
为了更好地研究非晶态合金的磁性能，需要使用一些实验方法来进行定量分析。
其中，磁化曲线测量是非常常用的分析方法之一。
通过磁化曲线的测量，可以了解非晶态合金在不同外磁场下的磁化程度，从而得到它的磁滞回线、饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力等参数。
除了磁化曲线测量外，磁光法也是用来研究非晶态合金磁性能的常用实验方法之一。
磁光效应是指磁场对磁化材料中的光传播速度和直线偏振方向的影响。
利用这种方法可以获得非晶态合金在不同磁场下的磁滞回线，进一步了解非晶态合金的磁特性。
研究表明，非晶态合金的磁性能受到制备条件和成分的影响。
不同的成分和制备条件可以导致非晶态合金结构的改变，从而影响其磁性能的表现。
因此，研究非晶态合金的磁性能需要考虑这些因素，并且找到最适合制备高性能磁性非晶态合金的工艺条件。
总之，非晶态合金具有一定的特殊性质，其中的磁性能受到了广泛的关注。
通过使用磁化曲线测量、磁光法等实验方法可以量化地研究非晶态合金的磁特性。
非晶合金材料发展趋势及启示
非晶合金材料发展趋势及启示摘要：金属材料的发展与人类文明和进步息息相关。
非晶合金材料是一类原子结构长程无序，具有独特优异性能的新型金属材料。
近年来，非晶合金材料的研发、相关科学问题的研究、在高新技术领域的应用得到快速发展，并对金属材料的设计和研发、结构材料、绿色节能材料、磁性材料、催化材料、信息材料等领域产生深刻的影响。
为此，文章在回顾非晶合金材料研究和研发历史过程的基础上，分析了当前其学科的前沿科学问题、发展方向，以及我国在该领域发展的问题、机遇和挑战，并提出相应的启示和建议，以期为加快新金属材料的发展，特别是在高新技术领域的应用提供管窥之见。
金属材料与人类万年文明发展史息息相关，金属材料的开发和使用，往往成为划分人类不同文明时代的里程碑，如青铜时代、铁器时代、钢铁时代等。
每次金属材料的发展都会极大地推动人类社会文明和生产力的巨大进步。
非晶合金是近几十年来通过现代冶金新技术——快速凝固技术和熵调控理念——抑制合金熔体原子的结晶，保持和调控熔体无序结构特征而得到的一类新型金属材料，也称金属玻璃，或液态金属。
这种材料是通过调制材料结构“序”或“熵”这一全新途径和理念而合成的，兼具玻璃、金属、固体、液体等物质特性的新金属材料；其颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路（图1），突破金属材料原子结构有序的固有概念，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度，改变了古老金属结构材料的面貌。
非晶、高熵等无序合金在基础研究和技术应用中已表现出重要意义和战略价值，在能源、信息、环保节能、航空航天、医疗卫生和国防等高新技术领域发挥着愈加重要作用。
无序合金领域的基础研究将继续推动材料科技革命和对材料行为的更深入理解，并能产生新的材料设备和系统。
图1非晶合金等无序材料探索途径和传统晶态材料探索途径的比较1非晶合金材料的研发态势及进展1.1非晶合金研发态势非晶合金材料的研发出现过4次高峰，已研发出铁、铜、锆和稀土基等近百种非晶合金体系。
Zr对CoFeNbB非晶软磁合金的热稳定性及磁性能的影响
Zr对CoFeNbB非晶软磁合金的热稳定性及磁性能的影响何世文*，刘咏，吴宏，李占涛，黄伯云中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 (410083)E-mail：hswcsu@摘要：采用单辊法制备了Co45Fe25-x Zr x Nb10B20 (x=0, 2, 4at%)非晶合金，借助X射线衍射、差热分析以及振动样品磁强计等手段研究元素Zr对制备合金的非晶形成能力、热稳定性、晶化行为以及磁性能的影响。
研究结果表明：添加少量Zr能提高Co45Fe25-x Zr x Nb10B20合金的非晶形成能力及其热稳定性：随着Zr含量的增加, 初始晶化温度由853K提高至936K, 过冷液相区间由31K提高到55K。
同时研究发现元素Zr细化了母合金铸锭凝固组织，这有利于非晶的形成。
随着Zr含量的增加，其饱和磁感应强度从0.58T降低至0.53T，矫顽力从9.5A/m 降低至6.8A/m。
此外，采用非等温DSC方法，用Kissinger方程计算了Co45Fe21Zr4Nb10B20非晶合金的玻璃转变和初始晶化的表观激活能，分别为720.3kJ/mol和424.5kJ/mol。
关键词：Co基非晶合金；非晶形成能力；铸锭组织；热稳定性；磁性能中图分类号：TGl39.8；TM271.2 文献标识码：A自从1967年Duwez等[1]发现铁磁性Fe-P-C非晶合金以来，人们已经研制出了多种Fe基、Co基和FeCo基非晶和纳米晶磁性合金[2-5]。
这些非晶合金由于具有大的过冷液相区和优异软磁性能而备受关注。
其中Co基非晶软磁合金，不仅具有磁导率高、矫顽力低、电阻率高、磁致伸缩系数接近于零等特点[6]，而且由于非晶态合金的硬度高、耐磨性好、使用寿命长，因而具有很大的研究开发价值和广阔的市场前景。
Co-Fe-Zr-B和Co-Fe-Zr-M-B (M=Nb, Ta , W)非晶合金系具有大的过冷液相区间△T x和良好的软磁性能[6]。
高饱和磁通密度Fe基非晶软磁合金研究进展_陈国钧
0.01 0.4
2605HB1 单板试料
0.8
1.2
1.6
2.0
B/T
(c)激磁功率 S
图 3 2605HB1 合金的特性曲线及与现用合金（2605SA1，取向硅钢电磁钢板）的比较[3]
成 分（at%）
表 3 某些 FeSiBC 系合金的成分和性能[4,5]
Bs/T B80/T B80/Bs P1.3/50/W·kg－1 P1.4/50/W·kg－1 P1.5/60/W·kg－1 TC/℃ Tx1/℃ RS△/% ε△ C 偏析层位置/nmC 含量峰值/at%
金 性 能 的 实 验 室 水 平 和 生 产 水 平 (0.025×170mm
带)，并与现用合金 2605SA1 和 0.23mm 厚高取向
硅钢加以对比。
表 1 变压器用铁心材料特性比较 （实验室水平，磁性能用单片样品测）[3]
材料
板厚 mm
2605HB1 0.025
Bs
Hc
T A·m－1
1.64 1.5
J Magn Mater Devices Vol 42 No 5
利。总之，我国的非晶纳米晶材料产业也进入了欣 欣向荣的发展时期。无论是国外或国内，该产业市 场年需要量都以二位百分数增长。
本文主要根据外国企业在华申请的专利及相 关文章介绍新型高 Bs（＞1.6T）、低损耗非晶合金 的最新研究进展。
2 新材料开发
Fe81.7Si2B16C0.3 1.650
0.85* 024**
0.29**
0.38
359 466
Fe82Si2B14 C2 1.669 1.646 0.986
0.152
0.227
0.34
磁致伸缩引起的非晶合金铁心振动解析计算及影响因素
磁致伸缩引起的非晶合金铁心振动解析计算及影响因素吴胜男;唐任远;韩雪岩;佟文明;赵森磊【摘要】磁致伸缩是引起非晶合金电机振动噪声显著增大的主要原因之一。
基于压磁方程建立了磁致伸缩引起的非晶合金圆环铁心振动解析模型。
解析模型以振动位移为求解变量，采用分离变量法求解振动微分方程。
解析模型可用于计算磁致伸缩引起的非晶合金铁心振动位移和振动加速度。
通过测试不同加工工艺非晶合金铁心样品的振动，得出叠压和卷绕、浸漆和退火对非晶合金铁心振动的影响规律，确定不同加工工艺非晶合金铁心振动计算修正系数。
本文研究工作为非晶合金电机振动噪声的研究奠定了基础。
%AbstractAn important source causing vibration and noise of machines with amorphous metal cores (AMCs) is magnetostriction effect of the magnetic material. In order to calculate the vibration due to magnetostriction, an analytical model for AMCs is set up based on piezomagnetic equations. Taking the vibration displacement as variable, the oscillatory differential equations are solved by the variable separation method. This analytical model can be used to predict vibration displacement and vibration acceleration of AMCs. Then the effect of producing processes including stacked and wound, dipped and annealed on vibration in AMCs was examined using measurements of vibration acceleration in AMCs, and related coefficients were also obtained. The outcomes lay a solid foundation for research on vibration and noise of machines with AMCs.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2016(031)020【总页数】10页(P73-82)【关键词】磁致伸缩;非晶合金铁心;振动;解析计算;叠压和卷绕;浸漆和退火【作者】吴胜男;唐任远;韩雪岩;佟文明;赵森磊【作者单位】国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳工业大学沈阳 110870;国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳工业大学沈阳 110870;国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳工业大学沈阳 110870;国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳工业大学沈阳 110870;国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳工业大学沈阳 110870【正文语种】中文【中图分类】TM301节能环保、发展绿色、低碳经济已受到人们的广泛重视。
非晶Fe_78_Si_9B_13_合金结构对磁性的影响
非晶Fe78Si9B13合金结构对磁性的影响*支起铮1,丁丹1,杨大勇1,李长生2,张侠3,连法增1(1.东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室,辽宁沈阳110004;2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;3.沈阳天荣电缆材料有限公司,辽宁沈阳110027)摘要:研究了普通退火对非晶Fe78Si9B13合金磁性能和结构的影响。
实验发现:经不同温度退火1h后,试样的静态磁性能在T a=390e呈现最佳值;损耗则在T a=440e呈现最低值;在T a=440e经不同时间退火后,试样在t a=2h呈现横向感生磁各向异性。
由退火后试样的初始磁导率与温度的关系及磁致伸缩系数的变化结果表明,当有极少量的A-Fe(Si)晶体相析出时,可明显改善合金的动态磁性能;当A-Fe(Si)晶体相进一步析出时,可使合金呈现良好的恒导磁特性。
关键词:非晶合金;晶化;磁性;居里温度;磁导率中图分类号:TB383文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2007)06-0914-031引言铁基非晶合金器件是非晶材料一个新的应用领域[1~5],由于具有优异的磁性能和低廉的成本,制成的铁芯和电感元件在电力和电子工业中得以广泛的应用[6,7]。
尽管国内外已有许多这方面研究报道[8,9],这类采用急冷法制备的非晶态合金可经低于晶化温度的退火处理获得高饱和磁感应强度和高磁导率,也可采用弥散析出相法降低高频损耗,以及采用表面晶化法可获得恒导磁性能等,但很少注意具有不同性能的Fe 基非晶合金在结构上的差别。
为了探索有应用价值的生产工艺,本实验研究了普通退火对非晶Fe78Si9B13合金磁性能的影响,讨论了普通退火后合金微观结构的变化。
2实验方法实验用非晶Fe78Si9B13合金带材采用单辊熔体急冷法制备,约宽10mm,厚30L m。
将条带绕成外径20m m,内径16m m的环状铁芯与约450mm长的条带在Ar气保护下进行不同温度的等时(t a=1h)和不同时间的等温(T a=440e)退火处理。
非晶窄带饱和磁致伸缩系数小角磁转法测量
0 引言 磁致伸缩是指铁磁质的磁畴在外磁场作用下会定向排列，
从而引起介质中晶格间距的改变，致使铁磁体发生长度的变化 的现象被称为磁 致 伸 缩 效 应，并 随 着 所 加 磁 场 的 大 小 不 同，形 变也可以不同。由于非晶态合金不存在磁晶各向异性，所以磁 致伸缩就成了影响磁特性的主要因素之一。非晶态合金与晶 态合金相比，在物 理 性 能、化 学 性 能 和 机 械 性 能 方 面 都 发 生 了 显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和 磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性，非晶态合金材 料在电子、航空、航 天、机 械、微 电 子 等 众 多 领 域 中 具 备 了 广 阔 的应用空间。自 1980 年，日本的 K． Narita 等发明了用小角转 动法（ Small Angle Magnetization Rotation） 测量丝状非晶合金的 饱和磁致伸缩系数以来，人们对丝状非晶合金的饱和磁致伸缩 系数的测量进行了广泛而深入的研究。目前，国内关于非晶带 的饱和磁致伸缩系数的测量报道很少。该法通过对应力感生 各向异性场的补偿及各向异性等因素的修正，采用小角转动间 接 测 量 了 窄 带 非 晶 合 金 的 磁 致 伸 缩 系 数，并 且 制 备 了 测 量 装 置，对铁基非晶带的饱和磁致伸缩系数进行了测量。 1 原理
YANG Yun-ji，BAO Bing-hao （ School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）
Abstract： A new method was developed to measure the saturation magnetostriction of a thin amorphous ribbon． It is based on the use of small-angle magnetization rotation to measure the change in anisotropy field caused by the tensile stress． By a self-made instrument，the dependence of the voltage of second harmonic wave on bias magnet and tensile stress and alternating current was measured． The saturated magnetostriction coefficient （ λs ） of Fe18 B13 Si9 amorphous ribbon was measured and the λs of 5. 6 × 10 － 5 was obtained． Key words： saturation magnetostriction； thin amorphous ribbon； small angle rotation