非晶和纳米晶的介绍

 2020-08-05    55  

一、非晶合金

1.1 什么是晶体

      物质就其原子排列方式来说,可以划分为晶体和非晶体两类。有些物质里面的原子排列是整齐有序的,就象阅兵式上的士兵,这叫做晶体,比如食盐、钻石、普通的钢铁就是这样。

1.2 什么是非晶体

      也有些物质的原子排列是混乱的,就象一堆钢球的混乱堆积,这叫做非晶体,比如液体、气体、玻璃、塑料等。

非晶和纳米晶的介绍

1.3 什么是非晶合金

      对于金属材料来说,通常情况下,金属及合金在从液体凝固成固体(例如炼钢后的钢水凝固成钢锭)时,原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列,即成为晶体。因为只有这样,其结构才最稳定。但是,如果金属或合金的凝固速度非常快(例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁-硼合金熔体凝固),原子来不及整齐排列便被冻结住了,最终的原子排列方式类似于液体,是混乱的,这就是非晶合金。因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃,所以又称为金属玻璃。

1.4 什么样的物质能够制造成非晶呢

      从理论上说,任何物质主要它的液体冷却足够快,原子来不及整齐排列就凝固,那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结,就可以形成非晶。但是,不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。例如,普通的玻璃只要慢慢冷却下来,得到的玻璃就是非晶态的。而单一的金属则需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。由于目前工艺水平的限制,实际生产中难以达到如此高的冷却速度,也就是说,普通的单一的金属难以从生产上制成非晶。

1.5 如何获得非晶态的金属

      为了获得非晶态的金属,一般将金属与其它物质混合。当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后,就形成了合金。这些合金具有两个重要性质:

      A 、合金的成分一般在冶金学上的所谓 “ 共晶 ” 点附近,它们的熔点远低于纯金属,例如 FeSiB 合金的熔点一般为 1200 度以下,而纯铁的熔点为 1538 度;

      B 、由于原子的种类多了,合金在液体时它们的原子更加难以移动,在冷却时更加难以整齐排列,也就是说更加容易被 “ 冻结 ” 成非晶。

      有了上面的两个重要条件,合金才可能比较容易地形成非晶。例如,铁和硼的合金只需要每秒一百万度的冷却速度就可以形成非晶。实际上,目前所有的实用非晶合金都是两种或更多种元素组成的合金,例如Fe-Si-B , FeNiPB , CoZr , ZrTiCuNi 等。

      迄今为止,国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。它们在化学成分上的一个共同点是:由两类元素组成:一类是铁磁性元素(铁、钴、镍或者他们的组合),它们用来产生磁性;另一类是硅、硼、碳等,它们称为类金属,也叫做玻璃化元素,有了它们,合金的熔点比纯金属降低了很多,才容易形成非晶。

非晶和纳米晶的介绍

1.6 目前,非晶软磁合金所达到的最好单项性能水平为:

初始磁导率μ0 = 14 × 104 钴基非晶

最大磁导率μm = 220 × 104 钴基非晶

矫顽力Hc = 0.001 Oe 钴基非晶

矩形比Br/Bs = 0.995 钴基非晶

饱和磁化强度4πMs = 18300 Gs 铁基非晶

电阻率ρ = 270 微欧厘米

常用的非晶合金的种类有:铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金。其国家牌号及性能特点见表及图所示,为便于对比,也列出晶态合金硅钢片、坡莫合金1J79 及铁氧体的相应性能。这几类材料各有不同的特点,在不同的方面得到应用。

牌号基本成分和特征:

1K101 Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金

1K102 Fe-Si-B-C 系快淬软磁铁基合金

1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬软磁铁基合金

1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬软磁铁基合金

1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬软磁铁基合金

1K106 高频低损耗Fe-Si-B 系快淬软磁铁基合金

1K107 高频低损耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬软磁铁基纳米晶合金

1K201 高脉冲磁导率快淬软磁钴基合金

1K202 高剩磁比快淬软磁钴基合金

1K203 高磁感低损耗快淬软磁钴基合金

1K204 高频低损耗快淬软磁钴基合金

1K205 高起始磁导率快淬软磁钴基合金

1K206 淬态高磁导率软磁钴基合金

1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬软磁铁镍基合金

1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬软磁铁镍基合金

二、纳米晶合金

      在上面所说的非晶合金中,原子的排列是宏观上混乱无序的。正是由于这种特殊结构,使得非晶合金具有一些独特的性质,其中优良的磁性能就是典型的例子。所以,以前的非晶合金在使用时,必须保证它们处于非晶态。下面将提到,一般的非晶合金存在着发生晶化的可能性,一旦在晶化温度以上退火,材料内部的原子排列就变成了有序的,也就是说成为晶体,而且晶粒组织很粗大,这时非晶合金原有的磁性能就会丧失。因此,一般的非晶合金都要在非晶状态下使用。

      但是,自从八十年代末,日本的吉泽克仁等发现,含有 Cu 和 Nb 的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时,会形成非常细小的晶粒组织,晶粒尺寸仅有 10 - 20 纳米。这时材料磁性能不仅不恶化,反而非常优良。这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金(以前也曾称为超微晶合金)。铁基纳米晶合金的磁性能几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相比,但是却不含有昂贵的钴,所以被广泛应用于高频变压器铁芯,替代铁氧体和坡莫合金等。

  •  标签: