ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 6, с. 563-570
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.25:537.622
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В СПЛАВЕ Co—19 ат. % Al-6 ат. % W
© 2015 г. Н. В. Казанцева*, Н. Н. Степанова*, М. Б. Ригмант*, Д. И. Давыдов*, Д. А. Шишкин*, С. Л. Демаков**, М. А. Рыжков**, Е. П. Романов*
*ИФМУрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина,
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: kazantseva-11@mail.ru Поступила в редакцию 11.08.2014 г. в окончательном варианте — 30.12.2014 г.
Проведено исследование сплава Co—19 ат. % Al—6 ат. % W, полученного двумя способами плавки в инертной среде: дуговая плавка с разливкой в медную водоохлаждаемую изложницу и плавка в индукционной печи с разливкой в керамическую изложницу (Al2O3). Обнаружено, что фазовый состав сплава и его магнитные свойства зависят от скорости охлаждения слитка после плавки. Образцы находятся в ферромагнитном состоянии до 800°C, сохраняя до ~700°C значение удельной намагниченности ст = 10 emu/g. Определены температуры Кюри всех обнаруженных в сплаве фаз. Обнаружено, что формирование в сплаве интерметаллидной фазы Co7W6 увеличивает коэрцитивную силу и снижает намагниченность насыщения в 1.5 раза.
Ключевые слова: магнитные свойства, кобальтовые сплавы, фазовые переходы. DOI: 10.7868/S0015323015060029
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время большое внимание привлечено к сплавам системы Co—AI—W. Эти сплавы рассматриваются как перспективные жаропрочные материалы, прочностные свойства которых не уступают никелевым сплавам [1—5]. В отличие от никелевых жаропрочных сплавов, которые являются парамагнитными во всем диапазоне рабочих температур, кобальтовые жаропрочные сплавы ферромагнитны [4—5]. Кобальт обладает самой высокой температурой Кюри (1121°C) из всех известных ферромагнетиков. Известно [6], что кобальт может использоваться для создания материалов с заданными магнитными свойствами — как магнитомягких, так и магнитотвердых.
Бинарные системы Co—W и Co—Al достаточно хорошо изучены [7]. Известно, что легирование вольфрамом снижает температуру Кюри твердого раствора на основе а-кобальта до 865°C при содержании 6 ат. % вольфрама в сплаве. В системе Co—Al присутствуют интерметаллидные фазы как парамагнитные (В 2—CoAl), так и ферромагнитные (твердый раствор на основе кобальта). Алюминий оказывает сильное влияние на магнитные свойства кобальта, снижая температуру Кюри твердого раствора на основе а-кобальта до 840°C при содержании 7 ат. % алюминия [8]. Тройная
система Со—А1—W изучена в меньшей степени. Известно, что система Со—А1—W содержит как твердый раствор на основе а-кобальта, так и многочисленные интерметаллические соединения [1]. Но границы областей гомогенности для этих фаз не определены, поскольку существующие изотермические разрезы диаграммы состояния относятся в основном к высокотемпературной области (900°С и выше) [1-2, 9-13].
Для разработки нового класса жаропрочных магнитных сплавов необходима информация как о низкотемпературных фазовых переходах, так и о магнитных превращениях, данные о которых в тройной системе Co—A1—W отсутствуют.
Сплавы системы Co—A1—W относятся к материалам с большим различием в температурах плавления и с разным удельным весом компонентов. В результате, в литом состоянии, наряду с дендритной ликвацией, также возможна неоднородность в распределении химических элементов по высоте слитка. Для повышения однородности образцов обычно используют механическую обработку (прокатка, ковка, гидроэкструзия и проч.) в сочетании с высокотемпературным отжигом. Однако, для многокомпонентного сплава со сложной диаграммой состояния, применение различных видов термомеханической обработки может су-
Рис. 1. Диффрактограммы исследованного сплава: а — образец 1; б — образец 2; в — образец 3; г — образец 4.
были исследованы в четырех различных состояниях: литой (1); литой + отжиг 12000C, 10 ч, закалка в воде (2); литой + свободная ковка нагретого до 12000C образца с уменьшением его диаметра на 15%, коэффициент уковки 1.17 (3); литой + ковка + отжиг 12000C, 10 ч, охлаждение с печью (4). Для получения образцов в индукционной печи была предварительно приготовлена CoAl-лигатура, к которой при дальнейшем плавлении добавляли вольфрам. При дуговой плавке чистые металлы (Co, W, Al) закладывали в печь одновременно.
Исследования структуры проведены в отделе электронной микроскопии Испытательного центра нанотехнологий и перспективных материалов ИФМ УрО РАН с использованием сканирующего микроскопа JSM 6490 с приставками для энергодисперсионного и волнового микроанализа Oxford Inca. Рентгеноструктурный анализ был выполнен с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3, излучение CuZa. Термический анализ был выполнен с помощью термического анализатора STA 449 C Jupiter, позволяющего определять теплофизиче-ские свойства материалов (теплоемкость, энтальпию превращений), температурные интервалы фазовых переходов и изменения массы при нагреве от комнатной температуры до 16000C, выбранная скорость нагрева составила 80°/мин. Измерения проводились в атмосфере аргона при динамическом режиме нагрева и охлаждения.
Для измерений намагниченности образца использован вибрационный магнитометр Lake Shore 7407, обеспечивающий высокую точность измерений в малых магнитных полях. Измерения проведены в магнитных полях до 17 кЭ в температурном диапазоне от комнатной температуры до 10000C в инертной атмосфере на частоте 82 Гц, амплитуда вибраций составляла 1.5 мм. Относительная погрешность измерений не более 1%.
щественно повлиять на его фазовый состав и свойства.
Целью данной работы является исследование влияния способов получения и различных видов термомеханической обработки на магнитные свойства и структурно-фазовое состояние сплава Со—19 ат. % А1—6 ат. % ТО
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплав состава Со—19 ат. % А1—6 ат. % ТО был получен двумя различными способами плавки в инертной среде: дуговая плавка с разливкой в медную водоохлаждаемую изложницу (образцы 1, 2) и плавка в индукционной печи с разливкой в керамическую А1203-изложницу (образцы 3, 4). Полученные цилиндрические слитки диаметром 18 мм
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Данные рентгеноструктурного анализа
По данным РСА фазовый состав сплава зависит от скорости охлаждения слитка после плавки и термомеханической обработки. На рис. 1 приведены данные РСА для 4 исследованных состояний. После дуговой плавки сплав в литом состоянии имеет трехфазный состав: у-твердый раствор на основе Со, интерметаллидные фазы типа СоА1 (В2) и типа Со3ТО (0019) (рис. 1а).
После термической обработки при 1200°С и последующей закалки образца в воде, фазовый состав сплава меняется (рис. 1б): линии фазы D019 исчезают.
Согласно равновесной диаграмме состояния температура 1200°С для данного состава соответствует двухфазной области у + B2 [9, 10]. После
плавки в индукционной печи с более медленным охлаждением слитка, чем в случае дуговой плавки, фазовый состав сплава также трехфазный, но с наличием другой интерметаллидной фазы: у + + СоА1 (В2) + Со^6 (ц). После проведения высокотемпературной пластической деформации литого образца и последующего медленного охлаждения на воздухе в сплаве обнаружен также трехфазный состав у + В2 + ц (рис. 1в). После проведения дальнейшего отжига этого деформированного образца при 1200°С и последующего медленного охлаждения образца с печью до комнатной температуры сплав сохраняет трехфазное состояние, количество ц-фазы в сплаве увеличивается (рис. 1г).
2. Результаты термического анализа
В методе дифференциального сканирующего калориметрического анализа (ДСК) регистрируется изменение тепловых потоков между образцом и эталоном одновременно с изменением массы образца. Полученные данные позволяют определить энтальпию фазовых переходов и температуры соответствующих реакций. Начало пика на ДСК-термо-граммах характеризует начало процесса, максимум (минимум) пика - конец процесса, площадь пика определяет энтальпию процесса. Воспроизводимость пиков при охлаждении и последующем нагреве образца свидетельствует об обратимости фазового перехода [11]. На рис. 2 приведены результаты дифференциальной сканирующей калориметрии при нагреве (а) и при охлаждении образцов (б). На термограммах всех исследованных образцов можно отметить несколько экзотермических эффектов, связанных с фазовыми переходами.
На термограммах нагрева образцов, полученных дуговой плавкой с последующим быстрым охлаждением (1), и после термической обработки также с последующей закалкой образцов в воде (2), можно выделить четыре температурных диапазона: 380-400°С, 500-550°С, 700-750°С, 950-1000°С. На термограммах образцов, полученных в индукционной печи с термомеханической обработкой и медленным охлаждением (3) и после термомеханической обработки и отжига также с медленным последующим охлаждением (4), можно видеть сильные экзотермические эффекты, связанные с фазовыми переходами в диапазоне температур 550-650°С, 700-750°С, 850-900°С и 950-1000°С. На термограммах охлаждения образцов низкотемпературный переход в районе 400°С отсутствует. Такое поведение может свидетельствовать о необратимости низкотемпературного (380-400°С) фазового перехода, связанного, например, с распадом высокотемпературной нестабильной фазы, предположительно ^019, сохранившейся в сплаве благодаря быстрому охлаждению из высокотемпературной области.
(а)
100.5 100.4 100.3 100.2 100.1 100.0 99.9
1 экзо
^3]
0.01 0.02 -0.03 § -0.04«
к
-0.05 3 -0.06^ -0.07 -0.08 0.09
200 400 600 800 1000 1200 Т, °С
(б)
0.04
1-е
0.02
«
к
% 0
"а
—0.02
—0.04
+ экзо
1 // \\\
- 2// \\\
3 \\\
4 \
\ У А
- \ и/ \ /У
' 1 1 1 I4-—1
400
600
800 Т, °С
1000 1200
Рис. 2. Результаты ДСК-анализа исследованных образцов, 1, 2 — дуговая плавка (1 — образец 1; 2 — образец 2), 3—4 — индукционная плавка (3 — образец 3; 4 — образец 4):
а — нагрев (а®), справа термограммы, слева — изменение массы образцов (т, %); б — термограммы охлажде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.