微合金化的Fe-Si-B-P-Cu非晶合金纳米晶化行为及其软磁性能的研究

The present proposal is devoted to a comprehensive study of the alloying effects of a minor amount of transition metals (Mo, Nb, Zr, V, etc.), a small amount of ferromagnetic like-elements (Co, Ni or Mn) and metalloid C on the thermal stability, amorphous-forming ability (AFA) as well as the soft magnetic properties of the Fe-Si-B-P-Cu alloys with high Fe concentrations (>80 at.%). The correlation between the composition, critical thickness for amorphous formation, and magnetic properties is to be established first for the amorphous alloys, and the optimal amorphous alloy compositions are proposed. The roles of alloying elements on the AFA will be clarified. The crystallization behaviors of these precursor amorphous alloys are then examined to reveal the underlying mechanism of minor alloying on the nano decomposition, and the nanocrystallization models will be put forth. Finally, the influence of the various control parameters of heat treatment on changing the crystallization kinetics as well as the crystallization products, and hence the magnetic properties of the nanocrystalline alloys with different grain sizes will be systematically investigated, from which the correlation of composition - microstructure - soft magnetic properties is to be established for these soft magnetic nanocrystalline alloys. The present study would provide theoretical and technical guidelines for the development of industrially applicable soft magnetic nanocrystalline alloys with high saturation magnetization.

以高Fe浓度（＞80 at.%）的Fe-Si-B-P-Cu合金为对象，研究微量过渡金属（Mo、Nb、Zr、V等）、少量相似强磁性（Co、Ni、Mn）及非金属C元素的添加对其非晶合金的热稳定性、非晶形成能力以及磁性能的影响，建立合金成分、非晶形成临界尺寸及磁性能间的关联，揭示添加元素对合金非晶形成能力影响规律与内在机制，获得高非晶形成能力的合金成分。利用组织结构表征与相变动力学分析等手段，研究添加元素对Fe-Si-B-P-Cu非晶合金晶化行为的影响，阐明添加元素影响非晶合金晶化行为的机理，建立相应的纳米晶化模型。通过系统研究热处理工艺参数对非晶合金的晶化组织结构及磁性能影响规律，澄清其软磁性能、组成和组织结构间的相关性，阐明合金元素影响合金晶化组织结构与软磁性能的机理。为发展具有工业实用性的高饱和磁感应强度纳米软磁合金提供理论依据和工艺技术支撑。

高饱和磁感应强度（Bs）的Fe-(Si，B，P)-Cu系纳米晶合金具有优异的软磁性能，但其非晶形成能力低和热处理工艺需高升温速率，是生产应用的瓶颈。本项目系统研究了微量过渡金属（TM）和少量相似的强磁性（Co、Ni）及非金属C元素等添加对该系非晶合金前驱体的热稳定性、非晶形成能力、低升温速率热处理结晶化行为及磁性能的影响，澄清了合金元素影响其纳米晶形成的机制；揭示了合金软磁性能与其成分、组织结构的相关性，进而阐明了合金元素影响其软磁性能的机理。为发展具有工业实用性的高Bs纳米晶软磁合金提供了理论依据。主要研究结果如下：.（1）添加微量（2 at.%）TM元素均提高了Fe-(Si，B，P)-Cu系合金的非晶形成能力和热稳定性；阐明了TM是通过抑制结晶化过程中α-Fe晶粒的生长、细化纳米晶组织结构而改善软磁性能。其中，原子尺寸较大且与合金中主要组元的化学亲和力较强的Nb、Mo、Hf、Ta、W元素的效果明显。.（2）添加适量（5 at.%）Ni或Co元素不仅可提高合金的非晶形成能力，还可通过延迟Cu团簇化进程增加α-Fe相形核质点，而细化纳米晶合金中α-Fe晶粒，改善软磁性能。此外，发现添加微量Nb、Mo、Hf、Ta等TM元素或适量Ni元素均可通过细化纳米晶组织结构而降低合金的退火脆性倾向。.（3）发现高Cu含量（1.7-2.0 at.%）的Fe-(Si，B，P)-Cu系急冷合金经低升温速率热处理也可获得微细的α-Fe纳米晶组织结构，并具有优异的软磁性能。阐明了高Cu量促使大量Cu团簇在非晶基体析出而诱发高密度α-Fe微晶形成；这种既存微晶和热处理晶化生成的α-Fe晶核间的竞争生长有效地抑制了α-Fe的不均衡生长，是形成微细、均匀的α-Fe纳米晶组织结构，提高软磁性能的主要原因。建立了该类合金的纳米晶形成模型。澄清了添加TM元素对高Cu量纳米晶合金组织结构和软磁性的影响机理。