非晶态精密合金

[拼音]：feijingtai jingmi hejin

[外文]：amorphous precision alloys

原子排列不呈长程有序并具有特殊物理性能的一类精密合金(见非晶态金属)。1950年布伦纳 (A.Brenner)等用化学沉积法得到Ni-P和Co-P非晶态合金。1959年美国小克莱门特(W.Klement Jr.)、维伦斯(R.H.Willens)和杜威兹(P.Duwez)报道，利用液态金属快冷法得到Au-Si非晶态合金；此后，由于快冷技术的发展，制备出条带和丝材，为全面测定技术性能和开展应用研究创造了条件。1971～1974年发现这类合金有极高的强度，还有相当好的韧性、软磁特性和优异的耐蚀性。1976～1977年发现铁基非晶态合金具有因瓦特性(见低膨胀合金)和艾林瓦特性（见恒弹性合金）。近年来发现有些非晶态合金的电阻在一定的温度范围内基本恒定，形成了一类具有特殊物理性能的非晶态精密合金。目前，美国、日本和联邦德国已有商品出售。中国于70年代开始研制非晶态合金。1980年制备出丝材、条带和 200mm宽的带材。一些非晶态合金已经在磁选、磁头和传感器等器件中试用。

非晶态软磁合金

非晶态软磁合金是非晶态精密合金领域中最活跃的一个分支。这类合金主要有高磁导率型和高饱和磁感型。它们共同的特点是，都具有低的矫顽力和铁芯损耗，高的磁导率和电阻率。其典型合金的性能和用途见表1。

图1

Fe40Ni38Mo4B18、Fe3.5Co71.5 Mn2Si14B9和Co81.5Mo9.5Zr9.0属于高磁导率型非晶态合金。这类合金的矫顽力和磁导率可以和超坡莫合金媲美，而电阻率、高频特性和硬度则远优于后者，因此，可以取代坡莫合金制作各种电子器件，特别适于制作磁头。制作开关电源变压器时，非晶态合金性能也优于铁氧体，而且体积小、重量轻（表2）。

图2

Fe81B13.5Si3.5C2、Fe78B13Si9和Fe67Co18B14Si1属于高饱和磁�行头蔷辖稹Ｕ饫嗪辖鸬谋ズ痛鸥猩缘陀谌∠�硅钢片，但铁芯损耗仅为后者的1/3至1/10，是性能优良的软磁材料。表3列出用取向硅钢片和非晶态合金制造的配电变压器性能。

图 镍基非晶态合金

选择适当成分，可使居里温度接近室温，如图1所示。在某个窄小的温区内(居里温度附近)磁导率急剧变化。例如 Ni40Co27Fe7Si10B16非晶态合金，当温度从15℃变化到0℃时，磁导率由1急剧变化到55×103。这比晶态Fe-Ni-Cr合金的相应变化高10倍左右，是一种良好的热磁补偿材料。

图1 Fe-B系非晶态合金

显示出典型的因瓦特性和艾林瓦特性（图2和图3）。 Fe83B17非晶态合金在低于居里温度(Tc)的一个很宽的温度范围内，具有优异的因瓦特性。Fe84B16非晶态合金在0～50℃温度范围内，热膨胀系数为+2.3×10-7℃-1，是一种很好的低膨胀合金。图3示出Fe79B21、Fe82B18和Fe85B15非晶态合金的弹性模量 (E)随温度的变化。这几种合金在低于Tc的一个较宽的温度范围内，都显示出艾林瓦特性。在Fe-B系中添加少量铬的非晶态合金也显示出艾林瓦特性。例如(Fe0.925Cr0.075)85B15非晶态合金在0～45℃范围内，弹性模量温度系数为+5×10-6℃-1，是很好的恒弹性合金。

图 图2

有些Fe-B系非晶态合金同时显示出因瓦和艾林瓦特性；具有很大的ΔE效应、很高的机电耦合系数(k)和高的饱和磁致伸缩 (λs)，例如 Fe78B12Si10 非晶态合金的ΔE/E、k和λs分别为1.9、约 0.8和41×10-6；具有高的强度、小的声衰和一定的耐蚀性，很适于制作超声延迟线、换能器和传感器。

非晶态精密电阻合金

据研究，有些非晶态合金在很宽的温度范围内能显示出精密电阻合金的特征。例如Fe25Ni25Co20Cr10B20非晶态合金的室温电阻率为170μΩ·cm，在25～200℃温度范围内电阻率温度系数为+2.0×10-6℃-1，在150℃经100小时时效后，电阻率温度系数的变化仅为0.4％。这种合金很适于制作精密电阻器。

制备

非晶态合金的制备方法可分为原子沉积法、液态金属快冷法和粒子撞击法三类；每一类又包括若干种方法，每种方法都有它的优点和局限性。比较引人注目的是属于液态金属快冷法的单辊法和属于原子沉积法的溅射法。单辊法（图4）的工艺过程是：熔融金属在压力下通过喷嘴喷射到高速旋转辊的外表面，液态金属与冷的高速旋转辊接触时冷凝而形成连续的条带。旋转辊用导热性良好的材料制成，一般采用内部通水冷却。这种方法的冷速可达106℃/s。此法所制成的条带厚度受冷速限制，一般为 50μm 左右。溅射法用的高频溅射装置（图5）。此法是用高速惰性气体（如氩气）轰击母材靶子，将其原子溅出并沉积在一基板上而形成非晶态材料。在理论上，此法制备非晶态材料的尺寸不受限制。用溅射法制备非晶态合金，不受母材各组元蒸气压不同的影响，制品的稳定性较好。此法最突出的特点是，能把稀土族金属-过渡族金属合金和纯金属制成非晶态材料。

图5　高频溅射装置示意 图4　单辊法示意

非晶态精密合金是70年代发展起来的一类新型功能材料。在制备工艺、实际应用和基础研究方面，有待探讨。例如非晶态合金稳定性的改善，产品尺寸向厚、宽方面的发展，都是急需解决的问题。

参考书目
  1. F. E. Luborsky，P. G. Frischmann，L.A.Johnson，J.Magnetism and Magnetic Materials，Vol.19，No.1～3，1980.
  2. K. Fukamichi，T. Masumoto，IEEE Trans.Magnetics，Vol.15，No.6，pp.1405～1409，1979.
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