保护气氛中氧对Fe-Si-B-P合金非晶形成能力促进作用的机理研究及对软磁性能的影响

An unusual dependence of glass-forming ability (GFA) on casting atmosphere species is observed for Fe-Si-B-P glassy alloy system, the critical diameter of Fe-Si-B-P glassy alloy system is successfully improved from 1 mm to 3 mm by only replacing argon with oxygen as the casting atmosphere. In addition, the glassy alloy exhibits excellent soft magnetic properties i.e., high saturation magnetization of 1.51 T and low coercivity of about 1.6 A/m, regardless of the applied casting atmosphere. Although the underlying reasons for such beneficial effect of oxygen in casting atmosphere are still unclear, we consider that the results provide a novel method to improve the GFA of Fe-Si-B-P glassy alloys without alloying any elements, which is very important for Fe-Si-B-P glassy alloys to simultaneously achieve higher saturation magnetization, enhanced GFA and excellent soft magnetic properties.

在合金的熔炼和非晶合金的制备过程中，环境气氛中的氧易与合金中的某些元素结合形成氧化物，这些氧化物作为非均匀形核的质点将极大降低非晶合金的非晶形成能力，因此，高纯原料、超高真空度铸造、Fluxing提纯等手段在块体非晶合金制备的过程中被广泛使用。我们在研究Fe-Si-B-P合金的非晶形成能力的过程中发现使用氧气作为保护气氛可以有效提高合金的非晶形成能力，制备出的非晶合金具有优异的软磁性能。本项目拟从热力学、晶化动力学和微结构等方面阐明保护气氛中的氧对Fe-Si-B-P合金非晶形成能力促进作用的影响机制，为氧对该合金系非晶形成能力的"正作用"提供理论依据；结合保护气氛中的氧对Fe-Si-B-P非晶合金磁性能影响的研究，使环境气氛中通常被认为的有害元素"氧"成为制备高饱和磁感应强度铁基块体非晶合金的有效手段之一。

Fe基块体非晶合金，因其优异的软磁性能以及丰富的自然资源和低廉的成本，引起了广泛关注。随着科学技术的迅速发展，电磁元件趋向于制备简单化和体积小型化，这就要求Fe基块体非晶软磁材料具有高非晶形成能力和高饱和磁化强度。通常，为了获得高非晶形成能力的Fe基块体非晶合金需要在合金中添加非铁磁性元素，然而非磁性元素的加入，会降低合金的饱和磁化强度或者恶化其它软磁性能。因此，解决非晶形成能力与饱和磁化强度这对矛盾，制备出兼具高非晶形成能力和高饱和磁化强度的Fe基块体非晶合金就具有十分重要的学术和应用价值。.我们首先报道了气氛对Fe76Si9B10P5 块体非晶合金非晶形成能力和成分的影响，发现合金非晶形成能力依赖于气氛种类及其压力，但是成分不随气氛种类的变化而改变。从晶化模式出发，给出了合金非晶形成能力对气氛种类依赖性的可能解释。最后，考察了气氛对Fe76Si9B10P5 非晶合金磁性能的影响。这不仅有助于加深我们对合金非晶形成能力的理解，并且找到了一种简便的，不改变合金磁性能的提高Fe 基块体非晶合金非晶形成能力的方法。具体结果如下：.(1) Fe76Si9B10P5 合金在Ar，N2，Air 和O2 中铸造时，其临界直径分别为1.0，1.5，2.5 和3.0 mm。而在He 中铸造时，其临界直径不超过1.5 mm，证明该合金非晶形成能力不是受气氛导热能力影响才改变的。.(2) 通过O/N 分析得知，Fe76Si9B10P5 合金在Ar，N2，Air 和O2 中铸造时，其合金中的O/N 含量都维持在一个十分低的水平，不超过15 ppm，O/N 没有进入合金成分中。Fe76Si9B10P5 合金在Ar，N2，Air 和O2 中铸造的非晶样品的DSC 曲线没有大的不同，也说明合金的成分没有受气氛影响而发生改变。.(3) 我们认为，含P 合金表面聚集的P 原子由于被O 和N 元素污染而大量减少，提高了合金的表面张力，增加了其形核功，减小了形核率，进而提高了合金的非晶形成能力。由于只是合金表面几个nm 范围内的P 元素被O/N 污染，因此当进行O/N 分析和DSC 测试时，看不出合金成分的变化。.(5) 在不同气氛中制备的Fe76Si9B10P5 块体非晶合金具有相同的饱和磁化强度、矫顽力和磁导率，表明块体非晶合金的磁性能不受气氛影响。