鐵基合金薄帶多次等溫回火特性的研究*

許校嘉 方崢 陸軒昂 葉慧群 范曉珍 鄭金菊 何興偉 郭春羽 李文忠 方允樟4)?

1)(浙江師范大學物理與電子信息工程學院,金華 321004)

2)(浙江師范大學浙江省固態光電器件重點實驗室,金華 321004)

3)(浙江旅游職業學院,杭州 311231)

4)(新疆大學科技學院阿克蘇校區,阿克蘇 843100)

1 引 言

鐵基合金材料以其優異的軟磁性能被廣泛應用在各個領域[1?4].為了滿足各個領域不同的需求,人們對材料的結構和磁性能進行調控,常用的方法有磁場退火[5,6]和應力退火[7,8].應力退火相比于磁場退火具有一定的優勢,1992年,Kraus等[7]用應力退火的方式對Fe基合金薄帶進行處理,得到的磁各向異性數倍于磁場退火的軟磁薄帶.從此,應力退火調控磁結構技術受到廣泛關注[7?11].但直到目前,人們對應力退火感生磁各向異性的機理還存在頗多爭議[9?11].其中,最具代表性的有Herzer[9]提出的磁彈耦合相互作用模型,Hofmann和Kronmüller[12]的基于Néel原子對方向有序模型.后者提出除Herzer等認為的磁彈耦合相互作用外,Fe-Si原子對方向有序也可能是產生磁各向異性的原因.后來,Ohnuma等[11,13,14]利用透射X射線衍射技術直接觀測到應力退火引起了Fe基合金的晶格各向異性,主張晶格各向異性是感生磁各向異性的直接證據,并且認為應力退火感生的磁各向異性可以通過長時間或多次等溫回火完全消除.納米晶材料的磁性能和它的微結構密切相關[15?18],Fang等[19,20]采用原子力顯微鏡斷口觀測技術研究了應力退火Fe基合金薄帶的介觀結構,主張納米晶定向團聚也是應力退火感生磁各向異性的重要原因,并認為納米晶定向團聚不能用等溫回火方法完全消除.由此引出了一個爭議問題: 應力退火在Fe合金薄帶中感生的磁各向異性是否能通過回火方式完全消除? 該問題的回答不但具有科學意義,而且對于生產實際具有重要指導作用.

本文采用同步輻射X射線衍射(XRD)技術觀測Fe基合金薄帶的微觀結構在多次回火過程中的變化情況,對比分析微結構、宏觀應變及磁各向異性與回火次數的關系,研究分析應力退火感生磁各向異性是否能夠通過回火方法完全消除.

2 實 驗

本文所用樣品為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(Fe基合金)非晶薄帶,長22 cm,寬1 mm,厚38 μm.實驗中應力退火所加應力為沿薄帶的長度方向(縱向)的394.7 MPa張應力,退火保溫溫度為540 ℃,保溫時間為30 min.回火過程無應力,保溫溫度也為540 ℃,保溫時間為30 min,重復回火4次.

本文觀測合金薄帶中a-Fe(Si)晶粒微觀結構的實驗采用上海光源(SSRF)BL14U-硬X射線微聚焦及應用光束線站測得透射XRD譜,實驗中所用的X射線波長為0.0688 nm.利用SupereyesB011型顯微攝像機記錄薄帶的縱向宏觀伸長量,采用HP4294A型阻抗分析儀以縱向驅動模式測量樣品的巨磁阻抗(GMI)曲線,并根據GMI曲線測得磁各向異性場.

樣品中a-Fe(Si)晶相的晶面間距,由XRD曲線衍射峰位置獲得2q后,根據布拉格方程算出

其晶格各向異性由

算出,其中dk為晶格各向異性,d//為平行于應力方向的a-Fe(Si)晶相晶面間距,d⊥為垂直于應力方向的晶面間距.

薄帶樣品的宏觀應變為薄帶的伸長量與原長的比值:

其中 ?l為薄帶的伸長量,l0為薄帶的原長.

使用HP4294型阻抗分析儀在縱向驅動模式下測量樣品的巨磁阻抗比曲線,巨磁阻抗比定義如下:

其中ZH(ex)為樣品在外加磁場H(ex)下的阻抗值,ZH(max)為樣品在最大外加磁場H(max)下的阻抗值.

磁各向異性場的計算公式為

其中H+與H?為樣品GMI曲線半高寬處對應的磁場強度.

3 結果與討論

圖1是經過應力退火和回火的Fe基合金薄帶的XRD譜,394.7 MPa退火后薄帶中a-Fe(Si)晶粒在平行于拉應力方向和垂直于拉應力方向的衍射峰位間距較大; 在回火之后,兩個方向的衍射峰位間距有所下降,隨著回火次數的增加衍射峰位間距逐漸減小.

圖1 經應力退火和回火的Fe基薄帶的XRD譜Fig.1.XRD peaks map of stress annealing and tempering ribbons.

對XRD譜進行分析并計算后可知,合金薄帶應力退火后產生了較大的晶格各向異性,4次回火后樣品的晶格各向異性是逐漸減小的.應力退火后的晶格各向異性為0.002084 nm,第一、二、三和第四次回火后的晶格各向異性分別為0.000623,0.000463,0.000401和0.000373 nm.

定義薄帶中a-Fe(Si)晶粒的殘余晶格各向異性為

其中dk為薄帶的晶格各向異性;n為回火次數(n取0,1,2,3,4),n為0時代表未回火.

圖2是Fe基合金薄帶的殘余晶格各向異性與回火次數的關系曲線,對圖中實驗數據點進行最小二乘法擬合后得到殘余晶格各向異性和回火次數的關系式:

由(7)式可見,當n∝∞時,薄帶中的殘余晶格各向異性α隨著回火次數的增加而減小,并最終趨近于19.04%.

定義薄帶殘余宏觀應變為

其中ε為薄帶的宏觀應變,由(3)式算出,n為回火次數(n取0,1,2,3,4),n為0時代表未回火.

圖2 Fe基合金薄帶殘余晶格各向異性與回火次數的關系曲線Fig.2.Relationship between the residual structure anisotropy and tempering times.

圖3為合金薄帶樣品的縱向殘余宏觀應變與回火次數的關系曲線,未回火前薄帶的殘余宏觀應變為100%,第一、二、三和第四次回火后的殘余宏觀應變分別為98.48%,98.32%,98.27%和98.25%.對圖中實驗數據點進行最小二乘法擬合后,得到Fe基合金薄帶殘余宏觀應變與回火次數的關系式:

從(9)式可見,當n∝∞時,薄帶的殘余宏觀應變δ隨著回火次數的增加逐漸減小,并最終趨近于98.27%.

圖3 Fe基合金薄帶殘余宏觀應變與回火次數的關系曲線Fig.3.Relationship between the residual macroscopic strain and tempering times of the ribbon.

圖4為合金薄帶樣品394.7 MPa應力退火和4次回火后的GMI巨磁阻抗比曲線圖.可以看出,394.7 MPa應力退火后薄帶的最大巨磁阻抗比從1077%減小到了55%,并感生出一個10226 A/m的較大的磁各向異性場; 每次回火后薄帶的最大巨磁阻抗比都有所增大,分別為126%,150%,166%和175%,感生的磁各向異性場逐漸減小,分別為4350,3657,3248和3108 A/m.每次回火后的磁各向異性場相較回火前分別減小了57.46%,6.78%,4.00%和1.36%.可以看出,在第二次回火之后合金薄帶的最大巨磁阻抗比和感生的磁各向異性場變化較小并趨于穩定.

圖4 薄帶應力退火和多次回火的GMI曲線Fig.4.GMI curves of stress annealing and multiple tempering ribbons.

定義薄帶殘余磁各向異性為

其中HK為薄帶的磁各向異性,由(5)式算出,n為回火次數(n取0,1,2,3,4),n為0時代表未回火.

圖5為合金薄帶樣品殘余磁各向異性與回火次數的關系曲線,未回火前薄帶殘余磁各向異性為100%,每次回火之后其殘余磁各向異性分別為42.54%,35.76%,31.76%和30.40%.對圖中實驗數據點進行最小二乘法擬合后得到薄帶殘余磁各向異性與回火次數的關系式:

從(11)式可見,當n∝∞時,薄帶的殘余磁各向異性γ隨著回火次數的增加逐漸減小,并最終趨近于31.65%.

圖5 Fe基合金薄帶殘余磁各向異性與回火次數的關系曲線Fig.5.Relationship between the residual magnetic anisotropy and tempering times of the ribbon.

從表1中可以看出關系式可以分為與回火次數無關的常數項和與回火次數有關的指數項.在多次回火之后指數相逐漸衰減并趨近于0,而常數項不變,此時常數項即為在多次回火后殘余的晶格各向異性、宏觀應變和磁各向異性.可以看出在多次回火之后,薄帶的晶格各向異性、宏觀應變和磁各向異性相較回火前分別減小了80.96%,1.75%和68.35%.這3個關系式表明: 多次回火后不能被消除的晶格各向異性有19.04%,不能被消除的宏觀應變有98.27%,不能被消除的磁各向異性有31.65%.宏觀應變可分為薄帶應力退火過程產生的滯彈性形變部分和塑性形變部分,滯彈性形變部分可以通過回火消除,而塑性形變部分不能被消除.多次回火后被消除的1.75%的宏觀應變對應被消除的80.96%晶格各向異性和68.35%的磁各向異性,這是由于應力退火過程中薄帶彈性和滯彈性形變可逆; 而不能被消除的98.27%宏觀應變對應不能被消除的19.04%晶格各向異性和31.65%的磁各向異性,這是由于應力退火過程中薄帶非晶相的蠕變引起的塑性形變不可逆.應力退火感生的磁各向異性場有68.35%來源于可以被回火消除的80.96%的晶格各向異性[12],而不能被消除的31.65%的磁各向異性來源于19.04%的晶格各向異性和不能被回火消除的非晶相蠕變塑性形變部分而加強的納米晶橫向定向團聚[20]產生的效應.

表1 (7),(9)和(11)式的參數比較Table 1.Comparison of parameters between equation(7),(9)and(11).

圖6 Fe基合金薄帶殘余磁各向異性與殘余晶格各向異性的關系Fig.6.Relationship between the residual magnetic anisotropy and the residual structure anisotropy of the ribbon.

圖6為經應力退火的Fe基合金薄帶多次等溫回火過程中殘余晶格各向異性和殘余磁各向異性的關系曲線,從右往左的兩個數據點之間的間隔為一次等溫回火,從圖中可以看出薄帶的殘余磁各向異性與殘余晶格各向異性之間有較好的線性關系.對圖中實驗數據點進行線性擬合后可以得到關系式

從(12)式可以看出,薄帶的殘余磁各向異性隨著殘余晶格各向異性的增大而增大,即薄帶的磁各向異性隨著晶格各向異性的增大而增大,而且呈正比關系,這是由于薄帶中的晶格各向異性感生了磁各向異性[12].由該曲線的反向延長線在縱坐標軸上的截距可以發現,當殘余晶格各向異性減小為0時,仍有16.36%的殘余磁各向異性.這部分磁各向異性的產生是由于薄帶中非晶相的蠕變使得薄帶中的a-Fe(Si)晶相的晶粒發生了定向團聚[20],從而加強了晶粒之間的橫向磁耦合效應.因此,雖然應力退火過程的殘余應力引起的晶格各向異性是產生磁各向異性的主要原因,但不是唯一原因,在應力退火過程中非晶基底的蠕變引起的納米晶晶粒定向團聚,也是應力退火感生磁各向異性的重要原因; 而且,即使因殘余應力引起的晶格各向異性和感生的磁各向異性可以用回火方法完全消除,因應力退火過程中非晶基底的蠕變引起納米晶晶粒團定向團聚感生的磁各向異性也無法用回火方法消除.

4 結 論

根據以上研究,可以得出以下結論:

1)外加394.7 MPa應力,經540 ℃保溫30 min退火的Fe基合金非晶薄帶進行多次回火,其晶格各向異性、宏觀應變和磁各向異性隨著回火次數的增加呈負指數衰減,最終分別剩余19.04%,98.27%和31.65%;

2)多次回火不能完全消除應力退火感生的晶格各向異性、宏觀應變及磁各向異性;

3)薄帶的磁各向異性與晶格各向異性具有線性關系,但該關系曲線的反向延長線與縱坐標的截距不為零,當晶格各向異性為零時仍有16.36%的磁各向異性,這與Ohnuma等認為的“晶格各向異性是產生磁各向異性的直接原因”結論不同;

4)雖然應力退火過程的殘余應力引起的晶格各向異性是產生磁各向異性的主要原因,但不是唯一原因,在應力退火過程中非晶基底蠕變塑性形變部分引起的納米晶晶粒定向團聚,也是應力退火感生磁各向異性的重要原因; 而且,因應力退火過程中非晶基底蠕變塑性形變部分引起納米晶晶粒團定向團聚感生的磁各向異性無法用回火方法完全消除.