铁基合金薄带多次等温回火特性的研究*

许校嘉 方峥 陆轩昂 叶慧群 范晓珍 郑金菊 何兴伟 郭春羽 李文忠 方允樟4)†

1)(浙江师范大学物理与电子信息工程学院,金华 321004)

2)(浙江师范大学浙江省固态光电器件重点实验室,金华 321004)

3)(浙江旅游职业学院,杭州 311231)

4)(新疆大学科技学院阿克苏校区,阿克苏 843100)

1 引 言

铁基合金材料以其优异的软磁性能被广泛应用在各个领域[1−4].为了满足各个领域不同的需求,人们对材料的结构和磁性能进行调控,常用的方法有磁场退火[5,6]和应力退火[7,8].应力退火相比于磁场退火具有一定的优势,1992年,Kraus等[7]用应力退火的方式对Fe基合金薄带进行处理,得到的磁各向异性数倍于磁场退火的软磁薄带.从此,应力退火调控磁结构技术受到广泛关注[7−11].但直到目前,人们对应力退火感生磁各向异性的机理还存在颇多争议[9−11].其中,最具代表性的有Herzer[9]提出的磁弹耦合相互作用模型,Hofmann和Kronmüller[12]的基于Néel原子对方向有序模型.后者提出除Herzer等认为的磁弹耦合相互作用外,Fe-Si原子对方向有序也可能是产生磁各向异性的原因.后来,Ohnuma等[11,13,14]利用透射X射线衍射技术直接观测到应力退火引起了Fe基合金的晶格各向异性,主张晶格各向异性是感生磁各向异性的直接证据,并且认为应力退火感生的磁各向异性可以通过长时间或多次等温回火完全消除.纳米晶材料的磁性能和它的微结构密切相关[15−18],Fang等[19,20]采用原子力显微镜断口观测技术研究了应力退火Fe基合金薄带的介观结构,主张纳米晶定向团聚也是应力退火感生磁各向异性的重要原因,并认为纳米晶定向团聚不能用等温回火方法完全消除.由此引出了一个争议问题: 应力退火在Fe合金薄带中感生的磁各向异性是否能通过回火方式完全消除? 该问题的回答不但具有科学意义,而且对于生产实际具有重要指导作用.

本文采用同步辐射X射线衍射(XRD)技术观测Fe基合金薄带的微观结构在多次回火过程中的变化情况,对比分析微结构、宏观应变及磁各向异性与回火次数的关系,研究分析应力退火感生磁各向异性是否能够通过回火方法完全消除.

2 实 验

本文所用样品为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9(Fe基合金)非晶薄带,长22 cm,宽1 mm,厚38 µm.实验中应力退火所加应力为沿薄带的长度方向(纵向)的394.7 MPa张应力,退火保温温度为540 ℃,保温时间为30 min.回火过程无应力,保温温度也为540 ℃,保温时间为30 min,重复回火4次.

本文观测合金薄带中a-Fe(Si)晶粒微观结构的实验采用上海光源(SSRF)BL14U-硬X射线微聚焦及应用光束线站测得透射XRD谱,实验中所用的X射线波长为0.0688 nm.利用SupereyesB011型显微摄像机记录薄带的纵向宏观伸长量,采用HP4294A型阻抗分析仪以纵向驱动模式测量样品的巨磁阻抗(GMI)曲线,并根据GMI曲线测得磁各向异性场.

样品中a-Fe(Si)晶相的晶面间距,由XRD曲线衍射峰位置获得2q后,根据布拉格方程算出

其晶格各向异性由

算出,其中dk为晶格各向异性,d//为平行于应力方向的a-Fe(Si)晶相晶面间距,d⊥为垂直于应力方向的晶面间距.

薄带样品的宏观应变为薄带的伸长量与原长的比值:

其中 ∆l为薄带的伸长量,l0为薄带的原长.

使用HP4294型阻抗分析仪在纵向驱动模式下测量样品的巨磁阻抗比曲线,巨磁阻抗比定义如下:

其中ZH(ex)为样品在外加磁场H(ex)下的阻抗值,ZH(max)为样品在最大外加磁场H(max)下的阻抗值.

磁各向异性场的计算公式为

其中H+与H−为样品GMI曲线半高宽处对应的磁场强度.

3 结果与讨论

图1是经过应力退火和回火的Fe基合金薄带的XRD谱,394.7 MPa退火后薄带中a-Fe(Si)晶粒在平行于拉应力方向和垂直于拉应力方向的衍射峰位间距较大; 在回火之后,两个方向的衍射峰位间距有所下降,随着回火次数的增加衍射峰位间距逐渐减小.

图1 经应力退火和回火的Fe基薄带的XRD谱Fig.1.XRD peaks map of stress annealing and tempering ribbons.

对XRD谱进行分析并计算后可知,合金薄带应力退火后产生了较大的晶格各向异性,4次回火后样品的晶格各向异性是逐渐减小的.应力退火后的晶格各向异性为0.002084 nm,第一、二、三和第四次回火后的晶格各向异性分别为0.000623,0.000463,0.000401和0.000373 nm.

定义薄带中a-Fe(Si)晶粒的残余晶格各向异性为

其中dk为薄带的晶格各向异性;n为回火次数(n取0,1,2,3,4),n为0时代表未回火.

图2是Fe基合金薄带的残余晶格各向异性与回火次数的关系曲线,对图中实验数据点进行最小二乘法拟合后得到残余晶格各向异性和回火次数的关系式:

由(7)式可见,当n∝∞时,薄带中的残余晶格各向异性α随着回火次数的增加而减小,并最终趋近于19.04%.

定义薄带残余宏观应变为

其中ε为薄带的宏观应变,由(3)式算出,n为回火次数(n取0,1,2,3,4),n为0时代表未回火.

图2 Fe基合金薄带残余晶格各向异性与回火次数的关系曲线Fig.2.Relationship between the residual structure anisotropy and tempering times.

图3为合金薄带样品的纵向残余宏观应变与回火次数的关系曲线,未回火前薄带的残余宏观应变为100%,第一、二、三和第四次回火后的残余宏观应变分别为98.48%,98.32%,98.27%和98.25%.对图中实验数据点进行最小二乘法拟合后,得到Fe基合金薄带残余宏观应变与回火次数的关系式:

从(9)式可见,当n∝∞时,薄带的残余宏观应变δ随着回火次数的增加逐渐减小,并最终趋近于98.27%.

图3 Fe基合金薄带残余宏观应变与回火次数的关系曲线Fig.3.Relationship between the residual macroscopic strain and tempering times of the ribbon.

图4为合金薄带样品394.7 MPa应力退火和4次回火后的GMI巨磁阻抗比曲线图.可以看出,394.7 MPa应力退火后薄带的最大巨磁阻抗比从1077%减小到了55%,并感生出一个10226 A/m的较大的磁各向异性场; 每次回火后薄带的最大巨磁阻抗比都有所增大,分别为126%,150%,166%和175%,感生的磁各向异性场逐渐减小,分别为4350,3657,3248和3108 A/m.每次回火后的磁各向异性场相较回火前分别减小了57.46%,6.78%,4.00%和1.36%.可以看出,在第二次回火之后合金薄带的最大巨磁阻抗比和感生的磁各向异性场变化较小并趋于稳定.

图4 薄带应力退火和多次回火的GMI曲线Fig.4.GMI curves of stress annealing and multiple tempering ribbons.

定义薄带残余磁各向异性为

其中HK为薄带的磁各向异性,由(5)式算出,n为回火次数(n取0,1,2,3,4),n为0时代表未回火.

图5为合金薄带样品残余磁各向异性与回火次数的关系曲线,未回火前薄带残余磁各向异性为100%,每次回火之后其残余磁各向异性分别为42.54%,35.76%,31.76%和30.40%.对图中实验数据点进行最小二乘法拟合后得到薄带残余磁各向异性与回火次数的关系式:

从(11)式可见,当n∝∞时,薄带的残余磁各向异性γ随着回火次数的增加逐渐减小,并最终趋近于31.65%.

图5 Fe基合金薄带残余磁各向异性与回火次数的关系曲线Fig.5.Relationship between the residual magnetic anisotropy and tempering times of the ribbon.

从表1中可以看出关系式可以分为与回火次数无关的常数项和与回火次数有关的指数项.在多次回火之后指数相逐渐衰减并趋近于0,而常数项不变,此时常数项即为在多次回火后残余的晶格各向异性、宏观应变和磁各向异性.可以看出在多次回火之后,薄带的晶格各向异性、宏观应变和磁各向异性相较回火前分别减小了80.96%,1.75%和68.35%.这3个关系式表明: 多次回火后不能被消除的晶格各向异性有19.04%,不能被消除的宏观应变有98.27%,不能被消除的磁各向异性有31.65%.宏观应变可分为薄带应力退火过程产生的滞弹性形变部分和塑性形变部分,滞弹性形变部分可以通过回火消除,而塑性形变部分不能被消除.多次回火后被消除的1.75%的宏观应变对应被消除的80.96%晶格各向异性和68.35%的磁各向异性,这是由于应力退火过程中薄带弹性和滞弹性形变可逆; 而不能被消除的98.27%宏观应变对应不能被消除的19.04%晶格各向异性和31.65%的磁各向异性,这是由于应力退火过程中薄带非晶相的蠕变引起的塑性形变不可逆.应力退火感生的磁各向异性场有68.35%来源于可以被回火消除的80.96%的晶格各向异性[12],而不能被消除的31.65%的磁各向异性来源于19.04%的晶格各向异性和不能被回火消除的非晶相蠕变塑性形变部分而加强的纳米晶横向定向团聚[20]产生的效应.

表1 (7),(9)和(11)式的参数比较Table 1.Comparison of parameters between equation(7),(9)and(11).

图6 Fe基合金薄带残余磁各向异性与残余晶格各向异性的关系Fig.6.Relationship between the residual magnetic anisotropy and the residual structure anisotropy of the ribbon.

图6为经应力退火的Fe基合金薄带多次等温回火过程中残余晶格各向异性和残余磁各向异性的关系曲线,从右往左的两个数据点之间的间隔为一次等温回火,从图中可以看出薄带的残余磁各向异性与残余晶格各向异性之间有较好的线性关系.对图中实验数据点进行线性拟合后可以得到关系式

从(12)式可以看出,薄带的残余磁各向异性随着残余晶格各向异性的增大而增大,即薄带的磁各向异性随着晶格各向异性的增大而增大,而且呈正比关系,这是由于薄带中的晶格各向异性感生了磁各向异性[12].由该曲线的反向延长线在纵坐标轴上的截距可以发现,当残余晶格各向异性减小为0时,仍有16.36%的残余磁各向异性.这部分磁各向异性的产生是由于薄带中非晶相的蠕变使得薄带中的a-Fe(Si)晶相的晶粒发生了定向团聚[20],从而加强了晶粒之间的横向磁耦合效应.因此,虽然应力退火过程的残余应力引起的晶格各向异性是产生磁各向异性的主要原因,但不是唯一原因,在应力退火过程中非晶基底的蠕变引起的纳米晶晶粒定向团聚,也是应力退火感生磁各向异性的重要原因; 而且,即使因残余应力引起的晶格各向异性和感生的磁各向异性可以用回火方法完全消除,因应力退火过程中非晶基底的蠕变引起纳米晶晶粒团定向团聚感生的磁各向异性也无法用回火方法消除.

4 结 论

根据以上研究,可以得出以下结论:

1)外加394.7 MPa应力,经540 ℃保温30 min退火的Fe基合金非晶薄带进行多次回火,其晶格各向异性、宏观应变和磁各向异性随着回火次数的增加呈负指数衰减,最终分别剩余19.04%,98.27%和31.65%;

2)多次回火不能完全消除应力退火感生的晶格各向异性、宏观应变及磁各向异性;

3)薄带的磁各向异性与晶格各向异性具有线性关系,但该关系曲线的反向延长线与纵坐标的截距不为零,当晶格各向异性为零时仍有16.36%的磁各向异性,这与Ohnuma等认为的“晶格各向异性是产生磁各向异性的直接原因”结论不同;

4)虽然应力退火过程的残余应力引起的晶格各向异性是产生磁各向异性的主要原因,但不是唯一原因,在应力退火过程中非晶基底蠕变塑性形变部分引起的纳米晶晶粒定向团聚,也是应力退火感生磁各向异性的重要原因; 而且,因应力退火过程中非晶基底蠕变塑性形变部分引起纳米晶晶粒团定向团聚感生的磁各向异性无法用回火方法完全消除.