Co元素添加对Fe83Ga17合金结构及磁性能的影响*

张光睿，姚 特，，龚 沛，乔 禹，王婷婷，梁雨萍，郝宏波

(1. 包头稀土研究院 白云鄂博稀土资源研究与综合利用国家重点实验室，内蒙古 包头 014010;2. 内蒙古工业大学 材料科学与工程学院，呼和浩特 010062)

0 引 言

近些年在磁性材料的研究中，Fe-Ga合金因其在低磁场下具有高磁致伸缩性能、优良的机械性能和延展性，成本低廉[1-3]等优点而备受关注，并且开始了广泛应用，特别是在传感器领域发挥了重要作用[4]。

Clark等[3]发现Fe-Ga合金具有良好的磁致伸缩性能，并且测得该合金单晶态λ100达到300·10-6。当元素配比及热处理等条件改变时，Fe-Ga合金中会产生A2相、D03相、L12相等相结构，从而对合金磁致伸缩性能产生影响，并且发现只有A2相是无序结构，并且其磁致伸缩性能最好[5-7]。此外，研究学者们还试图通过添加第三元素来提升Fe-Ga合金磁致伸缩性能，研究结果显示，Fe-Ga合金中添加V、Cr、Mn、Mo等过渡元素时对合金磁致伸缩性能产生不利影响，但在同时也肯定了无序体心立方结构是促进Fe-Ga合金磁致伸缩的一个主要因素[8-10]。在Fe-Ga铸态合金中，用Co元素取代Fe元素，可以对合金体心立方结构、金属间化合物产生影响，少量添加则可以提升合金磁致伸缩和磁性能[11]。

Co元素与Fe元素属于同周期同主族，具有相近的原子半径。添加Co元素可以提高合金热稳定性，使其具有更宽泛的使用温度[12]；在Fe和一些磁性材料中加入适量的Co元素可以提升材料磁性能，通过增加Fe原子磁矩，提升合金饱和磁化强度，甚至改变合金磁各向异性[13-16]。有学者制备了Fe-Co-Ga合金薄膜，发现Fe62Co19Ga19合金薄膜相比于Fe81Ga19合金薄膜不仅提升了磁性能，还增加了饱和磁致伸缩值。能够添加较高含量的Co元素而不降低合金磁致伸缩性能，这可能与薄膜的取向及结构不同于铸态合金有关[17-19]。

研究人员对Fe-Ga合金的研究主要集中在了如何提升磁致伸缩性能方面[20]，但是对Fe-Ga合金的磁性能的关注度并不高。在不降低合金磁致伸缩性能的同时提升Fe-Ga合金的磁性能，使材料具有高饱和磁化强度、低矫顽力、提升居里温度具有重要意义，本文主要探究了Co元素对Fe83Ga17铸态合金的微观结构、磁致伸缩性能、磁性能及硬度的影响。

1 实 验

1.1 Fe83-xCoxGa17系列合金的制备

选用Fe、Co、Ga(纯度>99.95%)按Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列成分配料，采用非自耗真空电弧炉熔炼合金铸锭(每个铸锭为80g)，熔炼前先将真空度抽到 5×10-3Pa，再用氩气洗炉两次。为防止钨极头对材料的污染，熔炼时应在远离料区起弧。以氩气为保护气，通过控制电流大小控制电弧，熔炼合金凝固后翻转，再熔炼，重复熔炼3次，得到成分均匀、形态良好的合金铸锭。

1.2 合金样品性能测试方法

首先制备规格为10 mm×8 mm×2 mm的合金试样，试样长度方向为合金水冷方向，利用电阻应变片法测试Fe83-xCoxGa17系列合金试样的磁致伸缩，测试时磁场施加方向与合金水冷方向平行。利用X-Pert Pro型X射线衍射仪分析合金物相并确定晶体结构。利用S-3400N扫描电子显微镜观察合金显微组织结构。采用Lake Shore7407型振动样品磁强计测试Fe83-xCoxGa17系列合金磁性能，分析Co元素对合金磁性能的影响。利用HVA-10A小型维氏硬度计对合金硬度打点计算，通过测量压痕对角线，得到对应维氏硬度值，分析Co元素对合金硬度的影响。

2 结果与讨论

Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金磁致伸缩性能测试结果如图1所示，由图1(a)可以看出，当外磁场达到1.6×105A·m-1时，该系列合金磁致伸缩值(λ)均已达到饱和。随着Co元素增加，该系列合金饱和磁致伸缩值(λs)先增加后降低，并且在x=1.5时，合金在低场下具有高磁致伸缩率。图1(b)为该系列合金饱和磁致伸缩值测试结果，x=1.5时，合金λs最大，为195·10-6；当x>1.5时，随着Co元素增加，合金λs急剧下降，x=3.5时，合金的λs只有59·10-6，相比x=0的合金λs降低58%。这一结果表明，加入适量的Co元素可以提升Fe-Ga合金磁致伸缩性能。

图1 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金磁致伸缩Fig 1 The magnetostriction of Fe83-xCoxGa17 (x=0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5) series alloys

图2为Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金的XRD衍射图谱，可以看出该系列合金均具有(110)、(200)、(211)、(220)、(310)衍射特征峰，表明该系列合金均为无序α-Fe体心立方结构，图谱中特征峰随x增加有所偏移，说明随着Co元素增加，合金内部产生晶格畸变。

图2 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金的XRD谱Fig 2 XRD spectra of Fe83-xCoxGa17(x=0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5) series alloys

表1给出了XRD图谱中各合金特征峰的角度变化并计算了晶格常数a。发现(110)特征峰的角度随Co元素增加有先向大角度偏移后回正的趋势；合金晶格常数先减小后增加，与(110)特征峰角度变化相对应，并且在x=1.5时，晶格常数达到最小值(a=0.29028 nm)。x=3.5时，合金晶格常数增加到0.29059 nm，仍小于x=0时的晶格常数(a=0.29077 nm)。

表1 Fe83-xCoxGa17 (x=0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5) 系列合金特征峰角度、晶格常数及相对峰强度

李纪恒等[21]通过研究FeGa合金中空位对合金磁致伸缩性能的影响，发现合金中存在的空位通过降低周边区域电子密度，改善Fe周围物理环境，进而提升合金磁致伸缩性能。该系列合金中，x在0～1.5范围时，合金晶格常数随x增加而减小，说明Co原子替换了体心立方中的Fe原子。晶格常数持续减小，晶格畸变程度增加，使合金晶体中产生类似空位的效应。晶格畸变以及产生的这种效应使合金磁致伸缩性能提高。而当x在1.5～3.5范围内时，合金的晶格常数开始增加，原因可能是加入的Co元素除替换体心立方中的Fe原子外，还开始作为间隙原子进入到因晶格畸变而产生的空隙中，削弱了这种类似空位的效应，同时也使合金磁致伸缩性能降低。

此外，从表1还可以看出随着Co元素加入，该系列合金特征峰相对强度的变化。x在0-3.5范围内，随着Co元素增加，合金特征峰相对强度增加，即Co元素加入使晶体择优取向。x=1.5时特征峰相对强度最高，达到40.6%，说明该成分的合金具有明显取向的晶粒数目最多，对提高合金磁致伸缩性能也更明显。

图3(a)～(e)为通过扫描电子显微镜得到的Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金形貌图。可以看出该系列合金晶粒都具有沿水冷方向的取向，但晶粒尺寸较大。利用Nano Measure软件计算晶粒横向尺寸，比较晶粒大小，计算结果如表2所示。其中x=0.5和1.5的合金，对应图3(b)、(c)，所测量的合金晶粒横向尺寸较小，而x=3.5时合金的晶粒横向尺寸最大，达到711.69μm。

图3 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金的SEM形貌图Fig 3 SEM morphology of Fe83-xCoxGa17(x=0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5) series alloys

表2 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金横向晶粒尺寸

在图3所示的合金SEM形貌图中均发现存在黑点，分别对x=0和x=1.5合金中的黑点进行EDS能谱分析，结果如图4(a)、(b)所示。该系列合金中，Ga元素的理论原子百分比均为17%。DES能谱分析结果显示，x=0和x=1.5合金形貌图中黑点处Ga元素的实际原子百分比远低于理论值水平。因此认为在该系列合金中，通过扫描电子显微镜所观察到的黑点是合金中Ga元素富集后脱落后所致。

图4 合金SEM形貌图中黑点处EDS能谱分析Fig 4 EDS energy spectrum analysis of the black spot in SEM morphology of the alloys

图5为 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金磁性能测试结果。其中图5-(a)为合金饱和磁化强度(Ms)测试结果，可以看出，加入Co元素后合金Ms提高，x=1.5时达到195.6 Am2/kg，比x=0时合金的Ms(160.31 Am2/kg)增加近19%；图5(b)为该系列列合金矫顽力(Hc)测试结果，x=0.5时合金的Hc大于x=0合金Hc，x在0.5～3.5范围内，随着Co元素增加，合金的Hc降低，在x=2.5和3.5时，合金Hc分别为12.96G和12.665G，均已小于x=0时的Hc。

Fe-Ga合金中加入Co元素可以降低Hc，但影响合金Hc变化的因素不仅与Co元素自身的性质有关，还与合金晶粒有关，晶粒越细小，合金Hc越大，并且晶粒取向也对剩磁和矫顽力有较大的影响[22-23]。x=0.5和1.5对应合金具有较高Hc，其原因一方面为合金中能够降低Hc的Co元素含量较少；另一方面，由表2结果看出，对应的合金晶粒尺寸较小，提供了较高的Hc。随着Co元素继续增加以及晶粒的增大，合金矫顽力降低；图5(c)为剩磁(Mr)的测试结果，合金的Mr与Ms有关，其变化趋势与Ms大体相同，在x=1.5时，Co元素提供了较高的Ms，同时也使合金Mr很高(2.1345 emu/g)。

图5 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金磁性能Fig 5 Magnetic properties of Fe83-xCoxGa17(x=0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5) series alloys

图6为该系列合金维氏硬度测试结果，x=0时合金的维氏硬度为165.3 Hv，加入Co元素后，该系列合金的硬度明显提升。有研究表明，除加入元素对合金硬度的影响外，晶粒尺寸的大小也会对其产生影响，晶粒越细小，则合金硬度越高[24]。对于该系列合金硬度的影响因素，一方面为Co自身的性质，即硬度大于Fe和Ga的硬度；另一方面，由图3看出，不同成分的合金，晶粒尺寸不同，细化的晶粒可以提升合金硬度。x=0.5，1.5时，合金中的Co元素和细化晶粒共同作用使硬度提高，分别达到了179.3，180.3 Hv；x=3.5时合金晶粒最大，但在该合金中Co元素含量最高，对合金硬度的影响更大，维氏硬度值最高，达到189.7 Hv，与x=0时合金相比，合金硬度提升近15%。

图6 Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金维氏硬度Fig 6 Vickers hardness of Fe83-xCoxGa17 (x=0, 0.5, 1.5, 2.5, 3.5) series alloys

3 结 论

(1)加入适量的Co元素可以提升Fe-Ga合金的磁致伸缩性能，在Fe83-xCoxGa17(x=0，0.5，1.5，2.5，3.5)系列合金中，随着Co元素的增加，合金饱和磁致伸缩值先增加后降低，x=1.5时合金饱和磁致伸缩值最高，可以达到195 ppm，同时在低场下具有高磁致伸缩率。

(2)该系列合金结构均为无序α-Fe体心立方结构，随着Co元素增加，合金的晶格常数先减小后增大，并且合金晶粒沿水冷方向择优取向。

(3)Fe-Ga合金中加入适量的Co元素后明显提升了合金的饱和磁化强度并降低了矫顽力，在x=1.5时，合金具有最高饱和磁化强度，为195.6 emu/g；x=3.5时，得到合金的最低矫顽力，为12.665G。

(4)Co元素的添加还使合金硬度有所增加，在x=3.5时，合金的维氏硬度值相比Fe-Ga合金提升了15%，达到189.7 Hv。