Fe-（Co）-Nd-B-Nb块体非晶合金磁性和晶化行为的研究

与晶态合金相比，非晶合金具有优异的力学性能、物理性能和耐腐蚀性能，但通常需要很高的冷却速度才能制得，因而样品的尺寸受到限制。近年来，人们相继制备出了多种体系的新型块体非晶合金，为非晶合金的研究开发注入了新的活力，块体非晶合金已成为目前材料科学的热点研究领域之一。铁磁性材料是应用最为广泛的一种功能材料，Fe基块体非晶合金因具有优异的软磁性能而备受关注。部分Fe基块体非晶合金通过非晶晶化的方法，可以获得硬磁性能。利用Fe基块体非晶合金晶化法制备的永磁合金，具有高密度、高精度、低成本和优良的可加工性等优点，应用前景广阔。但该类合金的非晶形成能力通常较差，晶化后制得的磁体的内禀矫顽力较低，且晶化过程中的微观结构与磁性能的变化规律还不清楚。本文选取Fe–（Co）–Nd–B–Nb体系块体非晶合金，对其非晶形成能力、磁性能和晶化行为做了较为深入的研究，制备出了多种具有较好非晶形成能力的Fe基块体非晶合金，并通过非晶晶化法获得了具有很高内禀矫顽力的块体永磁合金。主要实验结果如下：在Fe68-xNd7B925)Nbx（x=06）块体合金中，适量的Nb元素能有效的提高其非晶形成能力。Nb含量为4at%时，可以制得一种具有较好软磁性能的块体非晶合金Fe64Nd7B25Nb4，其饱和磁化强度可达95.8Am2/kg。在Fe64Nd7B25Nb4块体非晶合金中调整Nd元素的含量，发现当Nd含量为510at%时，Fe71-xNdxB25Nb4（x=5,7,10）合金具有较好的非晶形成能力和软磁性能，饱和磁化强度随Nd含量的增加而降低。Fe71-xNdxB25Nb4（x=5,7,10）块体非晶合金中，Nd元素的含量在很大程度上影响了该合金的晶化过程。Fe66Nd7B25Nb4（x=5）块体非晶合金的晶化过程分为三步，完全晶化后内禀矫顽力非常小，合金中含有软磁相α-Fe、Fe3B和非磁性相，没有发现硬磁相Nd2Fe14B。Fe64Nd7B25Nb4（x=7）块体非晶合金的晶化过程分为两步，完全晶化后内禀矫顽力明显增大，该合金中除了非磁性相以外，还有软磁相α-Fe、Fe3B和硬磁相Nd2Fe14B。当进一步提高Nd含量至10at%时，Fe61Nd7B25Nb4（x=10）块体非晶合金的晶化过程一步完成，完全晶化后获得很高的内禀矫顽力，合金中含有非磁性相和硬磁相Nd2Fe14B。该系列块体非晶合金退火后，随着Nd含量的增加，对应的磁性相的变化：软磁相→软磁相+硬磁相→硬磁相。值得注意的是，Fe61Nd7B25Nb4块体非晶合金在943K退火20min后，内禀矫顽力高达1191.1kA/m，剩磁和最大磁能积分别为0.42T和31.72kJ/m3。该合金主要由NdFe4B4、Nd2Fe14B和少量的NbFeB相组成。透射电镜（TEM）分析发现，铸态合金样品中，含有少量晶粒尺寸为500nm左右的NbFeB相，这将引起非晶基体中贫Nb，Nb元素在合金晶化过程中没有起到细化晶粒的作用，因而非晶相晶化后生成的NdFe4B4和Nd2Fe14B相的晶粒尺寸较大。Fe64Nd7B25Nb4合金中由Co部分替代Fe后，Fe64-xCoxNd7B25Nb4（x=10,20,30,40）合金仍具有较好的非晶形成能力。与Fe64Nd7B25Nb4合金相比，Fe64-xCoxNd7B25Nb4（x=10,20,30,40）合金退火后剩磁和最大磁能积下降，但内禀矫顽力得到显著提高。当Co含量为20at%时，合金在1003K退火20min后，内禀矫顽力高达1164.3kA/m。在研究冷却速度对Fe64Nd7B25Nb4和Fe61Nd7B25Nb4合金的磁性能和晶化行为的影响时发现，Fe64Nd7B25Nb4合金块体样品的饱和磁化强度高于薄带样品，而Fe61Nd7B25Nb4合金块体样品的饱和磁化强度低于薄带样品。退火后，两种合金的块体样品的硬磁性能均优于薄带样品。值得注意的是，Fe64Nd7B25Nb4块体样品和薄带样品在晶化过程中均出现了亚稳相Fe23B6。在较高温度下退火后，块体样品中的Fe23B6相消失，薄带样品中的Fe23B6相却仍然存在，这可能是由于薄带样品中的Nb原子更容易地取代Fe原子占据晶格中8c的位置，从而使Fe23B6相的结构更加稳定。