成分变化、快淬速度及热处理温度对Sm%28Co_%281-x%29Zr_%28x%29%29_%287%29合金薄带的微观组织及磁性能的影响.pdf

电工材料 2023 No.4罗琳等：成分变化、快淬速度及热处理温度对Sm(Co1-xZrx)7合金薄带的微观组织及磁性能的影响成分变化、快淬速度及热处理温度对Sm(Co1-xZrx)7合金薄带的微观组织及磁性能的影响罗琳1，杜玉松1，李林1，2，陈德康1，陆高毅1，饶光辉1，2（1.桂林电子科技大学 材料科学与工程学院，广西桂林 541004；2.桂林电子科技大学 广西电子信息材料构效关系重点实验室，广西桂林 541004）摘要：采用电弧熔炼和熔体快淬的方法，制备了不同成分与不同快淬速度的 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金薄带。使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、振动样品磁强计（VSM）等实验设备，测试了合金快淬薄带的相组成、相结构以及磁性能。实验结果表明：在Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金薄带中，合金薄带的矫顽力随着x含量的增加逐渐变大，在x=0.08（快淬速度为45 m/s）时，合金薄带获得最大矫顽力（Hcj）为7.34 kOe；当快淬速度为45 m/s时，Sm(Co1-xZrx)7(x=0.08)合金薄带在623 K的环境下热处理 2 h，合金薄带可获得最优的综合磁性能，其矫顽力（Hcj）为 7.67 kOe，剩磁（Br）为 2.81 kGs，最大磁能积(BH)max为7.64 MGOe。关键词：合金薄带；成分变化；快淬速度；热处理；磁性能中图分类号：TM273；TB34 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.004Effect of Composition Change,Wheel Speed and Heat Treatment Temperature on the Microstructure and Magnetic Properties of Sm(Co1-xZrx)7 Melt-spun RibbonLUO Lin1,DU Yusong1,LI Lin1,2,CHENG Dengkang1,LU Gaoyi1,RAO Guanghui1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guangxi Guilin 541004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Structure-Activity Relationship for Electronic Information Materials,Guilin University of Electronic Technology,Guangxi Guilin 541004,China)Abstract:Sm(Co1-xZrx)7(x=0.02 0.08)melt-spun ribbon were prepared by arc melting and melt-spun methods.The microstructure of the melt-spun ribbon and magnetic properties were investigated using scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction(XRD),and vibrating sample magnetometer(VSM).The experimental results show that the coercivity of Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)melt-spun ribbon gradually increases with the increase of x content,and the maximum coercivity(Hcj)of 7.34 kOe is obtained at x=0.08(wheel speed of 45 m/s).when the Sm(Co1-xZrx)7(x=0.08)melt-spun ribbon of wheel speed is 45 m/s and heat treatment at 623 K for 2 hrs,the melt-spun ribbon has the best comprehensive magnetic properties(coercivity(Hcj)of 7.67 kOe,remanence(Br)of 2.81 kGs,and maximum magnetic energy product(BH)max of 7.64 MGOe).Key words:melt-spun ribbon;wheel speed;heat treatment;magnetic properties作者简介：罗琳（1995-），男（汉族），江西吉安人，硕士，主要从事磁性材料的研究；通信作者：李林（1985-），男（汉族），四川通江人，硕士，助理研究员，主要从事磁性材料及功能薄膜研究。收稿日期：2022-05-1913电工材料 2023 No.4罗琳等：成分变化、快淬速度及热处理温度对Sm(Co1-xZrx)7合金薄带的微观组织及磁性能的影响0引言SmCo7相是亚稳相，很难通过相平衡过程得到。电弧熔练制备的SmCo7合金，因为其晶粒尺寸太大，所以性能通常很差1-5。利用熔体快淬技术使熔融状态下的合金快速喷射至高速旋转的铜辊上，快速凝固形成合金薄带，从而细化晶粒提高SmCo7合金薄带的磁性能。另外，SmCo7合金很容易在高温下分解为Sm2Co17相和SmCo5相，因此，添加Zr元素来稳定SmCo7相，并增强其磁晶各向异性场6-8。合金的成分、快淬速度及热处理温度的变化都影响着SmCo7合金的磁性能，通过对Sm(Co1-xZrx)7合金(x=0.020.08)(x=0.02，0.04，0.06，0.08)快淬速度为10 m/s、45 m/s，进行了成分对合金磁性能的影响实验分析，选定了 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.08)合金薄带为性能最优成分，在这之后分别对 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.08)合金薄带快淬速度为 10 m/s、25 m/s、35 m/s、45 m/s和Sm(Co1-xZrx)7(x=0.08)合金薄带热处理温度为623 K、823 K、923 K、1023 K及时间热处理2 h的磁性能进行对比分析，进而分析影响Sm(Co1-xZrx)7合金微观组织与磁性能的关系要素。1试验用纯度99.99%的Sm、Co和Zr金属原料，按设计的成分配比熔炼成铸态合金样品。取约5 g的熔炼成型的铸态合金样品对半切开，将表面的氧化皮用砂纸处理，再用超声机清洗干净。将清洗后的样品用吸水纸擦干，再放置于特制的石英管中，石英管装进甩带机的加热部位，最后将甩带机炉腔中的气压抽至 3.010-3 Pa 后充入保护气。启动熔炼开关，合金逐渐熔化成液态，当样品处于完全熔化状态时，利用空压机的气压冲力，将液态合金喷到正在旋转的铜辊上，快速冷却后的液态合金在真空甩带机中快速拉成薄带条，按照设计的铜辊转速 10 m/s、25 m/s、35 m/s、45 m/s依次快淬出薄带样品，收集合金薄带并储藏于装有无水乙醇的样品瓶中，防止薄带被氧气污染，并在样品瓶上贴上标签纸。将制备的薄带样品取一部分用研钵研磨成粉末用于XRD衍射分析，可以分析薄带样品的物相组成；另选取较亮较平整的薄带，背辊面贴于导电胶进行SEM观察，可寻找薄带微观组织的形成规律；再挑取亮而平整的薄带用VSM进行测试，可测得薄带的磁滞回线，分析SEM图像与磁滞回线，探索成分、快淬速度以及热处理温度对合金薄带磁性能的影响。2结果与讨论图 1 为 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金在 45 m/s的辊速下甩出的合金薄带制备成的XRD图谱。使用Jade 9对XRD的图谱进行物相检索分析，发现XRD 图谱中的峰相只与 PDF卡片中 TbCu7的卡片对应，也就是说 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金在45 m/s时，Zr的含量不同都只会生成TbCu7型的1 7相，并且没有其他的相出现。从XRD的峰位分析可以发现（200）峰位随着Zr含量的增加而向小角度的方向偏移，（002）峰位向大角度的方向移动，如图1(b)所示。故可通过布拉格方程分析2dsin=n9,10，当入射波长不变的情况下，晶面间距d会改变峰位角度让其发生偏移，通常发生晶面间距的变化，往往是原子进入晶胞中发生了元素替换引起晶格畸变所导致的。在Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金中Zr原子进入了TbCu7相的晶体结构中，晶格发生畸变，晶体的晶面间距变大，XRD峰位偏移。在XRD的图谱中观察到峰位的偏移，用Jade 9 软件计算了Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金在不同成分下的晶格常数，如表 1所示。在 x=0.02时，a=4.8562，c=4.0813，V=93.35 3，再到成分变大到(a)(b)图1Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金薄带粉末的XRD衍射图14电工材料 2023 No.4罗琳等：成分变化、快淬速度及热处理温度对Sm(Co1-xZrx)7合金薄带的微观组织及磁性能的影响x=0.08时，a=4.9513，c=4.0112，V=94.75 3。可以发现随着x的成分变大晶格常数也呈现出增大的趋势，晶胞体积也不断增大，c/a的轴比也呈现逐渐较小的趋势。这是因为Zr（160 pm）的原子半径较大，当Zr原子进入Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金，其替代了一部分的Co原子，占据了Co原子的2e晶位，导致晶格膨胀，XRD 峰位偏移，此计算结果与Feng等11的精修结果一致。图 2 是 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金在不同Zr成分下甩带速度为45 m/s的条件下制备成的薄带，选择背辊面拍摄的SEM图片。观察图2发现，随着Zr的比重逐渐增加，晶粒尺寸逐渐减小，并且薄带中的晶粒随着Zr的比例分数变大而变得更加均匀，这是因为Zr的掺杂进Sm-Co合金中，合金熔体滴落至铜辊上，由铜辊切向速度甩出冷却形成的合金薄带，在这个冷却的过程中较高熔点的Zr会被先析出，而 Zr的析出就可以看作出现了新的形核点，这样，主相SmCo7相的生长被抑制了，晶粒就会变得小而均匀12-14。因此，Zr含量的增加具有细化晶粒和均匀组织的作用。图 3 是 Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金薄带在甩带速度分别为10 m/s和45 m/s时的磁滞回线。实验结果见表 2。在 10 m/s 时，Sm(Co1-x)Zrx(x=0.020.08)合金薄带的磁滞回线表现为矫顽力低，方形度差，磁能积小；从磁滞回线图与表中数据发现，微量的Zr元素添加对甩带速度10 m/s时的合金薄带的矫顽力(Hcj)、剩磁(Br)以及最大磁能积(BH)max的影响较小；当Zr添加到了最大值，即x=0.08时，其矫顽力(Hcj)仅为1.41 kOe，剩磁(Br)仅为2.42 kG，最大磁能积(BH)max仅为4.86 MGOe，这是因为在低速辊下，Zr的添加会抑制形核，晶粒的生长变得迅速，合金薄带中的 TbCu7型的 SmCo7相会分解成 SmCo5相和Sm2Co17相，因此合金薄带中会形成形核机制和畴壁钉扎机制15-17，所以在10 m/s时，Sm(Co1-xZrx)7(x=0.020.08)合金薄带的矫顽力和方形度都较低。当在45 m/s时，快淬形成的合金薄带中只存在TbCu7型的SmCo7相，随着Zr的含量逐渐增多，合金薄带中的各向异性场也在增强，合金薄带的矫顽力从 x=0.02 时的 0.89 kOe 增加到 x=0.08 时的 7.34 kOe；但是，合金薄带的饱和磁化强度