具有优异软磁性能的高磁饱和感应强度Fe82Si3B13P2-xMox非晶合金

《Intermetallics》：High- B s Fe 82Si 3B 13P 2-xMo x amorphous alloys with excellent magnetic softness

　　

摘要

饱和磁化强度与软磁特性之间的固有折衷仍然是软磁非晶合金面临的基本挑战。当前突出的问题是，与硅钢相比，它们的饱和磁化强度仍然不足，这极大地限制了它们在大型变压器和电机中的应用。本研究旨在追求高饱和磁化强度的同时，在竞争性的磁性能之间保持更平衡的折衷。本研究系统研究了大原子 Mo 添加对 Fe₈₂Si₃B₁₃P_2-xMo_x (x?=?0, 0.5, 1, 1.5 和 2) 合金的热稳定性、非晶形成能力和磁性能的影响。结果表明，适当添加 Mo 能显著增强它们的非晶形成能力，并拓宽结晶温度区间。Mo 的掺入有利于提升磁性能。具体而言，Mo0.5 合金表现出最佳的软磁性能，饱和磁化强度为 1.66?T，矫顽力低至 2.6 A/m，有效磁导率达到 10,732。微观结构机理分析表明，Mo 促进局部结构有序化，同时提高带状合金的弯曲韧性。预计本研究方法可成为铁基非晶合金成分设计和性能优化的范式。

引言

软磁材料在电磁设备和电机功率系统中扮演着中心角色，促进能量的产生和转换。因此，它们对电气化世界至关重要。面对全球能源危机和严格的低碳减排标准，以电机、发电机和变压器为代表的现代电气设备正迅速向高频化、小型化和高效率化发展 [1,2]。在这种背景下，迫切需求开发具有卓越综合性能的新型软磁材料。理想材料应同时满足高饱和磁化强度 (B_s) 的要求，这有助于减小设备体积并增加功率密度，同时表现出低矫顽力 (H_c)、有效磁导率 (μ_e) 以及低磁致伸缩 (λ_s) 和铁损 [3,4]。

在所有开发的软磁材料中，硅钢自其发明以来一直是大型电机和变压器应用中的主导材料。这归因于其高 B_s 以及出色的加工和变形能力，如轧制和切割。然而，由于其相对较低的电阻率，硅钢因涡流导致铁损较高和能量转换效率低 [5]。

非晶和纳米晶合金因其卓越的软磁特性而备受推崇，被认为是最新的前沿软磁材料，包括适中的 B_s、低 H_c 和高 μ_e。软磁特性的根本原因在于非晶合金的磁各向同性。此外，非晶合金的长程无序原子排列结构对电子产生显著强烈的散射效应。另外，材料成分中存在高水平的类金属导致其电阻率相比硅钢更高。一个代表性的对比是，Metglas? 2605 非晶合金的电阻率约为硅钢的 3 到 4 倍，两者目前都是主流应用。铁基非晶合金的高电阻率和超薄叠片显著限制了交变磁场在磁芯中感应产生的涡流的尺寸和路径长度。直接结果是，它们的铁损，特别是涡流损耗，极低 [6]。此外，这些材料可以在几十千赫兹的频率范围内安全运行 [7]。

然而，铁基非晶合金的 B_s 水平相对于硅钢较低。商业主导的 Fe₇₈Si₁₀B₁₂ 非晶合金表现出 1.56?T 的 B_s，远低于常规 Fe-Si 磁性钢的那些（1.9-2.1?T）[8,9]。另一个问题是，非晶合金固有的脆性使其制造工艺极具挑战性，例如用于大型变压器的切割然后绕制，以及用于电机驱动系统的冲剪、浸漆然后叠片切割。非晶合金的这些缺点严重限制了它们在高功率密度场景中的应用 [10,11]，其中最突出的问题是当前可供商业生产的非晶合金仍然表现出相对较低的 B_s。

提高 B_s 的最直接策略是增加 Fe 含量 [[12], [13], [14]]。Inoue 等人开发了 B_s 接近 1.7?T 的富 Fe 非晶合金 [15]。然而，更高的 Fe 含量严重降低了非晶形成能力 (AFA)，使得通过常规退火实现低 H_c 变得困难 [16]。用 Co 取代 Fe 是另一种有效方法：Inoue 及其同事开发了一系列 (Fe,Co) 基非晶合金，B_s 达到 1.85-2.0?T [[17], [18], [19], [20]]。最近，Xie 等人进一步证明，在 Fe-Co-B-Si 非晶合金中，通过优化热处理和冷却条件，可以实现 1.78?T 的高 B_s 和 2.63 A/m 的低 H_c [21]。然而，Co 的高成本限制了实际应用。或者，通过控制退火对高 Fe 非晶前驱体进行纳米晶化可产生高 B_s 值，例如 B_s 高达 1.94?T 的 NANOMET 型合金 [22]。然而，苛刻的加工条件阻碍了它们的广泛采用 [22]。

添加过渡金属（例如 Nb、Zr、Mo）是一种广泛采用的策略，用于同时增强 AFA、定制热稳定性并改善软磁性能 [23]。Nb 促进细粒 α-Fe 沉淀并拓宽结晶区间 [24,25]，但其高熔点、成本以及在高添加量时降低 B_s 的倾向限制了其使用 [26]。Zr 提供类似的好处，但与氧气和耐火材料反应强烈，使工业加工复杂化 [27,28]。

现有报告表明，在铁基非晶合金中加入 Mo 主要旨在进一步减小退火结晶过程中软磁相 α-Fe 的粒径，从而增强其软磁性能 [[29], [30], [31]]。E.N. Zanaeva 等人研究了 Fe-Si-B-P-Mo-Cu 非晶和纳米晶合金的磁性能。非晶相的 B_s 和 H_c 分别为 1.4?T 和 4.4 A/m，而纳米晶 bcc-Fe + 非晶相的分别为 1.8?T 和 2.5 A/m。Cheng 等人报告称，在 Fe_83-xB₈Si₄P₄Mo_xCu₁ 合金中获得了细纳米晶 - 非晶复合结构和优异的软磁性能。研究表明，Mo 可以有效改善 AFA，拓宽热处理加工窗口，并细化 α-Fe (Si) 晶粒尺寸 [30]。在该合金系统中，Fe₈₁B₈Si₄P₄Mo₂Cu₁ 表现出优异的软磁性，包括 1.61?T 的高 B_s，8.4 A/m 的低 H_c 和 1.65?×?10⁴ 的高 μ_e。最近，我们的工作证明，将 Mo 掺入 Fe-Si-B-P-Cu 合金可以触发超薄纳米晶合金的形成，并大大增强合金的磁性能，实现了 1.74?T 的高 B_s，17487 的高 μ_e 和 1.75 A/m 的低 H_c [31]。

然而，以前关于 Mo 添加效应的研究主要集中在其对热稳定性、结晶结构以及相应纳米晶合金磁性能的影响上。结晶温度以下热处理引起的软磁性能演变的潜在机制在含 Mo 非晶合金中研究仍不充分。这对于在非晶结构的框架内改善铁基非晶合金的软磁性能尤为重要。此外，添加微量 Mo (≤1?at.%) 对非晶合金结构和磁性能的影响鲜有报告，这种微量添加对铁基非晶合金短程有序结构的影响值得探索。

有趣的是，与结晶处理相比，添加微量元素和退火热处理并未改变合金的典型非晶结构；相反，它们导致了其磁性能的重大改变。带着这个好奇心，本研究对添加微量 Mo 和热处理工艺对非晶合金短程有序结构的影响进行了更深入的考察，从而阐明了这些效应的潜在机制。

章节片段

材料与方法

标称成分为 Fe₈₂Si₃B₁₃P_2-xMo_x (x?=?0, 0.5, 1, 1.5 和 2) 的合金铸锭通过感应熔炼制备，使用 Fe (99.99?wt%)、Si (99.99?wt%)、B (99.99?wt%)、Mo (99.99?wt%) 纯元素以及预合金化 P18%-Fe (99.99?wt%) 作为原料。宽约 0.9?mm、厚约 34-36?μm 的带状合金通过单辊熔旋技术在高纯度氩气气氛下生产，轮速为 40?m/s。的微观结构

非晶结构的形成

图 1 (a) 显示了标称成分为 Fe₈₂Si₃B₁₃P_2-xMo_x (x?=?0, 0.5, 1, 1.5 和 2) 的凝固带材的 XRD 图谱。所有衍射图谱均显示以 2θ?≈?44.6° 为中心的单一大而弥散的晕圈，没有任何可检测到的尖锐衍射峰，证实所有成分均形成了完全非晶相。铁基合金系统的 AFA 通常固有地较低。因此，在选择要掺入的合金元素时，影响

结论

本研究系统研究了大原子 Mo 添加对 Fe₈₂Si₃B₁₃P_2-xMo_x (x?=?0, 0.5, 1, 1.5 和 2) 合金的热稳定性、非晶形成能力、磁性能和微观结构的影响。主要结论如下：

• (1)
  合金中 Mo 的添加有利于非晶结构的形成，并有效改善了其软磁性能。Mo0.5 合金在 380°C 退火时表现出最佳的软磁性能，

CRediT 作者贡献声明

刘诗冉：写作 – 初稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。 张硕：验证，软件，形式分析。 王潭：调查，数据整理。 吴少杰：调查，数据整理。 李福山：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，经费获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

刘诗冉|张硕|王潭|吴少杰|李福山

郑州大学材料科学与工程学院，中国郑州，450001