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Fe_（84）（NbV）_7B_9纳米晶软磁材料的制备及其相关基础问

题的研究

本文结合国家十五攻关项目“非晶合金粉末固化成型——磁力控制退火晶化

法制备大块状FeMB合金纳米晶的研究”（编号2001BA310A03-1），研究了Fe-M-B

纳米晶软磁块体材料的制备方法及其所涉及的基础问题。首先，根据合金热力学

知识，计算了Fe和B与相关元素各自形成二元有序合金或固溶体时混合焓的大

小，发现最大的负混合焓均分别出现于Fe-Nb系和B-Nb系，其次为Fe-V系和

B-V系，并且形成有序合金时能量最低。

在此基础上，进一步考虑了应变能、弹性能和结构能的影响，并结合

Slater-Pauling关系，预测了利用机械合金化法或利用快速凝固—非晶晶化法

制备Fesub84/sub（NbV）sub7/subBsub9/sub高磁通密度的纳米晶

软磁材料的可行性。在此基础上，采用机械合金化-高压成形法制备了

Fesub84/sub（NbV）sub7/subBsub9/sub纳米晶块体材料。

研究表明，在机械合金化过程中，随着球磨时间的增加，Fe、Nb（V）、B混

合粉末合金化程度逐渐升高，晶粒尺寸逐渐减小，最终形成了具有bcc结构和微

纳层状组织的、晶粒为10～15nm的Fesub84/sub（NbV）

sub7/subBsub9/sub非平衡纳米晶固溶体。V元素的添加可加速合金化

过程。

完全合金化的粉末，其Msubs/sub可达150～170Amsup2/sup／kg。

粉末边缘生成的非晶层有利于交换耦合作用的进行，改善了合金的矫顽力。

在退火过程中，随着退火温度的升高，Fesub84/sub（NbV）

sub7/subBsub9/sub纳米晶粉末晶粒尺寸逐渐长大，内应力逐渐松弛。

但在750℃以下退火，纳米晶长大速度很慢，且无新相生成。

对于Fesub84/subNbsub3/subVsub4/subBsub9/sub合金，

其晶粒尺寸可保持在10～20nm范围内。当退火温度高于750℃以后，纳米晶尺

寸急剧长大，并且产生了NbFeB等杂质相。

在机械合金化过程中，位错泵机制和层状结构为元素间原子扩散提供了快速

通道。机械合金化使粉末内产生了大量的微纳层状结构，原子可以通过层间界面

扩散形成非平衡固溶体。

机械合金化过程中，大量位错积累的结果导致位错胞的形成，并最终发展为

纳米晶。当晶格畸变和位错密度增至系统自由能足够高时可获得非晶结构。

在上述工作基础上，采用5.5GPa的成形压力和1530w加热功率的高压成形

条件，成功制备了相对密度大于97％的Fesub84/sub（NbV）

sub7/subBsub9/sub纳米晶块体，晶粒尺寸约为10～15nm，饱和磁化强

度约为150Amsup2/sup／kg，矫顽力约为0.85KA／m。退火时，纳米晶块体

晶粒长大，应力松弛以及新相形成的规律与纳米晶粉体基本相同。

研究发现，提高超高压压形压力，不但能有效抑制Fe-Nb、Fe-B等杂质相生

成，而且能有效防止块体纳米晶尺寸的长大。这一结论对今后纳米晶软磁块体材

料超高压成形技术的发展具有重要的指导意义。

本文还采用水冷铜模快速凝固法首次成功制备了具有非晶与纳米晶双相结

构的Fesub84/sub（NbV）sub7/subBsub9/sub块体材料，其晶粒尺

寸约在10～20nm之间，且均匀分布在非晶基体中。退火时，块体中的非晶部分

逐渐产生晶化现象，同时，块体材料的软磁性能逐步提高。

550℃退火可获得最佳综合软磁性能：Bsubs/sub=1.52～1.54T，

Hsubc/sub＜5.0～8.0A／m，μsube/sub（1KHz，0.4A／m）=18000～

20000。本文研究的水冷铜模快速凝固+非晶晶化法是一种非常有前途的制备高性

能纳米晶软磁块体材料的短流程方法，该方法制备的Fesub84/sub（NbV）

sub7/subBsub9/sub纳米晶块体材料软磁性能远优于目前报导的各种方

法制备的纳米晶软磁块体材料的软磁性能，甚至不逊于快速凝固非晶薄带+非晶

晶化法制备的二维带状纳米晶软磁材料，其前景是非常诱人的。

根据Hill微系统热力学理论，本文还建立了一个同时包含尺寸和形状效应

的磁性纳米颗粒的居里温度模型，该模型对自由态和嵌入态Fe