文章编号：1004-0609(2007)03-0406-04

富铁Fe-Nd-Al系大块非晶合金的制备及其性能

陈  鼎^{1, 2}，陈振华¹，A. Inoue ²

(1. 湖南大学 材料学院，长沙 410083;

2. Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan)

摘  要：利用普通的铜模铸造制备了一系列富Fe的Fe-Nd-Al块状非晶合金，采用X射线衍射仪、差示量热扫描仪、振动样品磁场仪和Instron万能材料试验机研究了Fe-Nd-Al块状非晶合金的热稳定性、室温磁性和力学性能。结果表明：Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅和Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的ΔT_m (ΔT_m=T_m-T_x)和晶化开始温度(T_x)与熔点(T_m)的比值分别为106、90和64 K及0.88、0.90和0.93；其临界尺寸分别为1.5、3和4 mm。此外，随Fe含量的减少，大块非晶的非晶形成能力和硬磁性能提高，但其力学性能有所下降。

关键词：Fe-Nd-Al合金；大块非晶合金；非晶形成能力；热稳定性；硬磁性能；力学性能

中图分类号：TF 649　　     文献标识码：A

Preparation and properties of Fe-rich bulk Fe-Nd-Al amorphous alloys

CHEN Ding^{1, 2}, CHEN Zhen-hua¹, A. Inoue²

(1. School of Materials Science, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai 980-8577, Japan)

Abstract: Fe-rich Fe-Nd-Al bulk amorphous alloys with hard magnetic properties were produced by copper mold casting method. The amorphous forming ability, thermal stability, magnetic properties and mechanical properties of these alloys were investigated by XRD, DSC, VSM and Instron type tester. The results show that ΔT_m (ΔT_m=T_m-T_x) and reduced crystallization temperature (T_x/T_m) of Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅, Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅ and Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅ bulk amorphous alloys are 106 K, 90 K, 64 K and 0.88, 0.90, 0.93, respectively. And the maximum diameters of these alloys are 1.5, 3 and 4 mm, respectively. Moreover, with decreasing Fe atom content, the amorphous-forming ability and hard magnetic properties of Fe-Nd-Al alloys are improved, but the mechanical properties are decreased. These Fe-Nd-Al bulk amorphous alloys with hard magnetic properties and high amorphous-forming ability are promising for future progress as a new type of Fe-based magnetic material.

Key words: Fe-Nd-Al alloy; bulk amorphous alloy; amorphous-forming ability, hard magnetic properties; mechanical properties

自从1996年日本东北大学Inoue等^[1-5]成功地开发了具有硬磁性能的最大直径达15 mm 的 Nd-Fe-Al系大块非晶以来，该类大块非晶合金系因其显著的非晶形成能力(AFA)和独特的室温硬磁性而成为块状非晶领域一个研究的热点。随后各国学者对该系大块非晶合金进行了广泛的研究^[6-14]，其中Kong等^[6]和Chau等^[7]研究了在Nd₆₀Fe₃₀Al₁₀中加入B对合金非晶能力的影响。Wei等^[8]、Fan等^[9]和Kumar等^[10]研究了加Co的作用，Qiu等^[11]和Sun等^[12]研究了在Nd-Fe-Al中加Y的作用，Chiriac等^[13]和Chau等^[14]研究了加Si、Ti和V的作用。但现有的研究工作基本上还停留在对Nd-Fe-Al块状非晶合金的微观结构的探索方面：如硬磁机理以及第四合金组元对合金非晶形成能力以及磁学性能的影响，而未对合金成分进行了大改进。另一方面，由于现有的合金体系中Nd含量过高(60%~70%，摩尔分数)，这既在性能上限制了该类大块非晶合金的磁化强度，又导致该类大块非晶合金的成本偏高，所以在保持高的非晶形成能力(AFA)前提下，开发出高Fe含量的Fe-Nd-Al大块非晶具有重要的实际意义。本文作者已开发出一系列室温下表现出硬磁性能的富Fe Fe-Nd-Al大块非晶^[15-16]，并对该类新型稀土大块非晶硬磁材料的非晶形成能力、热稳定性、室温磁性性能以及力学性能进行了初步研究。

1  实验

用真空电弧炉在高纯氩气的保护气氛下配置出Fe-Nd-Al母合金,原料均为高纯的Fe, Nd, Al 单质金属(＞99.9%)。Fe-Nd-Al合金成分范围的选定基于前期的快速凝固Nd-Fe-Al非晶合金薄带的有关实验数  据^[1]。母合金破碎成小块后在石英管内重熔，利用普通的铜模铸造设备制备出直径1~5 mm、长度50~70 mm的棒材，同时利用单辊甩带设备制备出20~30 μm左右的合金带材用于对比实验。对于制备出的合金棒材和带材，采用RIGAKU-B型X射线衍射仪(Cu靶)对样品进行晶体结构分析，用SⅡEXSTR6000系列DSC6300微分扫描量热器对样品进行热分析(升温速度为0.67 K/S)，用VSM振动样品磁强仪测量样品的室温磁学性能，外加磁场强度为1 432 kA/m,用Instron－型万能材料试验机测量非晶样品的力学性能(应变速率5.0 ×10^-4 s^-1)。

2　结果和讨论

图1所示是采用普通铜模铸造方法制备的不同直径的Fe-Nd-Al合金的X射线衍射谱。如图所示，所有的X射线衍射谱上除在25?~40?出现非晶胞外，并未出现其他明显的晶态峰。所以通过普通的铜模铸造方法可以分别得到最大临界尺寸为1.5、3和4 mm的Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅和 Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金。图2和表1所示分别为直径1 mm 的上述3种Fe-Nd-Al大块非晶合金的DSC 曲线以及相关的热稳定性能数据。从图2可知，与Nd-Fe-Al大块非晶类似，Fe-Nd-Al大块非晶的DSC曲线上没有明显的玻璃转变点，且在熔化吸热峰出现之前只有一个结晶放热峰出现。根据文献[1]可以认为，该类块状非晶的玻璃转变温度(T_g)高于结晶开始温度(T_x)，因此衡量此类块状非晶合金的热稳定的参数，可以沿用Nd-Fe-Al块状非晶中的约化晶化温度T_x/T_m(T_x和T_m分别为合金的晶化和熔化开始温度)以及这两温度之间的差值?T_m(?T_m＝T_m-T_x)。从图2和表1可知，在Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅和Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的T_x与T_m值分别为774、790和813与 880、880和877 K时，相应的T_x/T_m值分别为0.88、0.90和0.93，?T_m分别为120、90和64 K。综合XRD与DSC实验结果，发现在Fe-Nd-Al块状非晶合金系中随着T_x/T_m值的增大和?T_m值的下降，合金的非晶形成能加大，这种趋势与Nd-Fe-Al大块非晶中表现出来的趋势一致，同时也说明在DSC曲线中未出现玻璃转变点T_g 或者T_g温度不明显时，T_x /T_m和?T_m作为非晶形成能的一个替代判据具有一定的合理性。

图1  直径不同的Fe-Nd-Al块状非晶的X射线衍射谱

Fig.1  XRD patterns of as-cast bulk Fe-Nd-Al amorphous alloys with different diameters

图2  直径1 mm 的Fe-Nd-Al块状非晶的DSC曲线

Fig.2  DSC curves of as-cast bulk Fe-Nd-Al amorphous alloys with diameters of 1 mm

表1  Fe-Nd-Al系块状非晶合金的热稳定性能

Table 1  Thermal stability of Fe-Nd-Al bulk amorphous alloys

图3所示为样品直径均为1 mm 的Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅ 和 Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的J-H磁滞回线图。从图中可知，3种Fe-Nd-Al块状非晶合金均表现出典型的硬磁性能，Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅ 和 Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的剩磁(B_r)与矫顽力(H_ci)分别为0.115、0.124和 0.137 T以及36、175和182 kA/m。关于块状非晶出现硬磁性能的原因，现在还没有统一的解释，但一般认为是因为块状非晶中存在各向异性的短程有序的原子团簇，以及这些团簇相互之间及其与非晶基体间相互耦合作用所导致^[3]。图4所示为不同直径的Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的J-H磁滞回线图，相应的磁性能数据见表2。综合图4和表2 的数据，可以看出Fe-Nd-Al 块状非晶中，从非晶薄带到块状非晶，磁学性能出现了从软磁→硬磁转变的趋势，但随着样品直径的增加，硬磁性能有下降的趋势。我们认为，在制备不同直径的非晶带材和棒材时，不同的冷却速度会引起显微结构变化，从而产生了这种变化趋势，但具体的显微结构变化规律还有待进一步的研究。

图3  直径为1 mm 的Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅ 和 Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的J-H磁滞回线图

Fig.3  Hysteresis J-H loops of as-cast Fe-Nd-Al bulk amorphous alloys with diameter of 1 mm

图4  不同直径的Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金的J-H磁滞回线图

Fig.4  Hysteresis J-H loops of as-cast Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅ bulk amorphous alloys with different diameters

表2  Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅系大块非晶合金的磁性性能

Table 2  Magnetic properties of as-cast bulk Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅ amorphous alloys

图5所示为3种Fe-Nd-Al块状非晶的压缩应力—应变曲线，其中Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅块状非晶压缩试样的直径为1.5 mm，其他两种Fe-Nd-Al系块状非晶的试样直径为2 mm。从图中可以看出，随合金成分中Fe含量的增加，合金的断裂强度(σ_f)从880 MPa 增加到　　1 150 MPa，合金的弹性模量E从45 GPa增加到58 Gpa，说明Fe含量的增加可以提高块状非晶的断裂强度和弹性模量。

图5  Fe-Nd-Al块状非晶的压缩应力应变曲线

Fig.5  Compressive stress—strain curves of the bulk Fe-Nd-Al amorphous alloys with different diameters.

3  结论

1) 利用普通铜模铸造工艺得到了最大临界直径分别为1.5、3和4 mm的Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅ 和Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金。

2) Fe₅₀Nd₃₅Al₁₅、Fe₄₅Nd₄₀Al₁₅ 和 Fe_42.5Nd_42.5Al₁₅块状非晶合金表现出典型的硬磁性能，它们的剩磁(B_r)与矫顽力(H_ci)分别为0.115、0.124和 0.137 T以及36、175和182 kA/m。

3) 随着合金中Fe含量的增高，合金的断裂强度σ_f从880 MPa 增加到1 150 MPa，合金的弹性模量E从45 GPa增加到58 GPa。

REFERENCES

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收稿日期：2006-08-25；修订日期：2006-12-13

通讯作者：陈  鼎，博士；电话：0731-8821648; 传真: 0731-8821648; E-mail: chending38@hotmail.com

(编辑　龙怀中)