快淬FeSiCo磁性材料结构研究

课程名称：磁性材料 专业班级：金材普11-01 学生姓名：吴 昊 学 号：2011440867 成 绩：

快淬FeSiCo磁性材料结构研究

吴 昊

摘要 采用快淬工艺制备Fe80xSi20Cox（x=10、15、20、25）磁性合金，高能球磨后使用SEM、XRD分析快淬合金的微观形貌与相组成，通过VSM测量快淬合金的磁性能。研究结果表明：经高能球磨后的FeSiCo合金粉末具有扁平状的疏松结构；Co含量的变化未改变合金粉末的相结构，都为α-Fe(Co)结构，随着Co含量的增加，矫顽力Hc先增大后减小，饱和磁化强度Ms亦先增大后减小

关键词 快淬 球磨 磁性材料 磁性能 0 引言

FeCo基合金是一种性能优良、应用前景广阔的软磁材料，它既保持了Co基合金优异的磁性能，又降低了成本。FeCo基合金与Fe基、坡莫合金相比具有更高的饱和磁化强度、磁导率、居里温度以及较低的矫顽力等特点，因此广泛用于民用领域。在FeCo基合金中添加Si元素，可以提高合金的非晶形成能力与饱和磁化强度，且有利于阻碍Fe与其他元素形成化合物并提高材料的易破碎能力。同时，有实验表明，Co含量的增加能有效提高纳米晶软磁材料的居里温度和软磁性能。为了进一步改善Fe—Co基合金的磁性能及吸波特性，并增加球磨过程中合金的易碎性，本实验通过掺杂Si（20%，原子分数）并调节Co在FeSiCo合金中的含量，采用真空快淬法制备Fe80xSi20Cox（x=10、15、20、25）合金，利用SEM、XRD、VSM等测量手段，系统研究Co含量对FeSiCo合金微观形貌、相组成、磁性能。 1 实验

将高纯铁棒（99.9%，质量分数，下同）、纯钴片（99.8%）FeSi合金（Si 70%，Fe30%），按各元素在合金中所占的百分比配成名义成分为Fe80xSi20Cox（x=10、15、20、25）的4种合金。将合金放入高频感应熔炼炉内，在氩气保护状态下熔炼得到合金铸锭，反复熔炼3次确保成分的均匀性。把所得合金放入真空快淬炉快淬甩成合金薄带，快淬速度为40m/s 。将合金薄带用粉碎机粗碎100 S成粉末后，加入无水乙醇在摆振球磨机细磨，细磨时间为2h，转速为500r/min，钢球与粗碎后的粉末的质量比为10:1，大、中、小球数量比为3:4将细磨后的粉末放人烘箱烘干。最后将烘干后的磨料按一定质量比与25%的石蜡粘合剂混合均匀，用手动成型模具制成尺寸为Φ7mm×Φ3.04mm×(3-6)mm的圆环形电磁测量样品。使用Ｘ射线衍射仪测量不同组分的FeSiCo合金粉末的相结构；使用扫描电镜对粉末进行形貌观察；通过VSM分析样品的磁性能。

2 结果与讨论

2.1 SEM形貌

由于金属磁性材料的高导电率，需将金属磁性粉末的颗粒控制在微米量级，以提高磁性材料的有效体积，进而提高材料的微波磁导率。但微米量级的颗粒极易团聚，导致磁性材料的介电常数增大，不利于入射电磁波的阻抗匹配。因此，要求采用的工艺既要使获得的颗粒尺寸及形状达到高微波磁导率及磁损耗的要求，又可使颗粒实现高度分散。分析快淬FeSiCo合金经高能球磨后在扫描电镜下的微观形貌图片。可得，FeSiCo合金粉末在高能球磨后与其他类型的软磁材料一样，呈扁平状的疏松结构，这是由于在球磨过程中，钢球与粗碎后的粉末发生剧烈碰撞，产生的应力使粉末进一步破碎，当粉末的厚度薄到一定程度后不再变小，而造成面破碎，因此粉末粒度会越变越小。这样扁平状的疏松结构表现出各向异性，有效地抑制了材料的涡流损耗，有利于削弱趋肤效应。 2.2 相结构

对于软磁材料来说，为了降低材料的矫顽力，选材应注意两点：一是选择单相材料，尽量降低各种缺陷的密度以减少磁畴壁的钉扎；二是选择晶体对称性高的材料，以降低磁晶各向异性系数。

分析快淬Fe80xSi20Cox（x=10、15、20、25）合金粉末的XRD衍射图谱。可以得出，不同Co含量的FeSiCo合金粉末在44.5°、65°、82.5°附近均有明显的衍射峰，对于立方晶系的ａ—Fe相结构。随着Co含量的增加，衍射峰的强度并无明显变化，这说明Co含量的改变不会明显影响ａ－Fe晶相的形成。但在XRD图谱中，较为明显的是ａ－Fe(110)晶面的衍射峰，原因可能是其晶化能力较强。随着FeSiCo合金中Co含量的增加，Co固溶到ａ－Fe晶格点阵中，形成体心立方的ａ－Fe（Co）相置换固溶体。当溶质原子与溶剂原子 小存在差别时，固溶体的晶格会发生改变。Co原子半径小于Fe原子半径，当Co原子取代Fe原子形成体心立方的置换固溶体时，将引起晶格收缩，点阵常数变小，形成一种性能优异的bcc结构的晶粒软磁合金。理论上讲，Co原子取代Fe原子的数量越多，引起的晶格收缩就会越严重，因而点阵常数越小。当Fe和Co完全合金化后，局部高温使固溶体有序化，点阵常数接近Fe的点阵常数。

根据计算出的结论，合金粉末的平均晶粒尺寸随着Co含量的增加而减小，而晶粒尺寸的减小会使软磁性相晶粒间的交换基耦合作用增强，最终使磁体的磁性能得到改善。在x=25 时，合金的平均晶粒尺寸最小值为119nm，小于磁交换作用长度，导致平均磁晶各向异性很

小，同时通过对Co含量的调整，可以使合金粉末磁滞伸缩趋近于零，并使其具有更大的表面积，以提高粉末的吸波性能。 2.3 磁性能

饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc是评价材料软磁性能的重要物理量。其中，材料的Ms主要与材料的化学成分和温度有关。而Hc为结构敏感磁性，它除与化学成分和温度有关外，还与晶粒取向、晶粒尺寸、晶体缺陷及内应力等因素有关。根据所测得的材料磁滞回线，不同Co含量合金的矫顽力Hc，都非常小。其变化趋势为：矫顽力Hc，随Co含量的增加先增大后减小。这是由于Co含量的增加使软磁合金的各向异性场增大，从而造成矫顽力减小。

因此，添加Co有利于提高合金的饱和磁化强度Ms，并且通过调节Fe与Co的原子比，可获得最佳的磁性能。基于这种变化，体系的饱和磁化强度随着Co含量的增加先升时，当Fe与Co的原子比为60：20时，Fe原子和Co原子间的铁磁耦合效应达到最佳，饱和磁化强度Ms最大。

3 结 论

（1）以高纯铁棒、分析纯钴片和FeSi合金去除表面杂质后配成Fe80xSi20Cox（x=10、15、20、25）磁性合金，经快淬并通过高能球磨后得到合金粉末，该粉末具有扁平状的疏松结构，有利于提高粉末的吸波性能。

（2）Co含量的不同未改变FeSiCo合金粉末的相结构，随着Co含量的增加，矫顽力Hc先增大后减小，在x=25时，其具有最小值；饱和磁化强度Ms；亦先增大后减小，在x=20时，其具有最大值。 参考文献

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