научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ТЕРМОМАГНИТНОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ТЕРМОМАГНИТНОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКАХ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 1, с. 31-37

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 6691 782:537.638

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ СПЛАВОВ ПРИ ТЕРМОМАГНИТНОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКАХ

© 2004 г. В. В. Губернаторов, Т. С. Сычева, Ю. Н. Драгошанский

Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 13.01.2004 г.

Рассмотрены условия и механизм образования кластеров в железокремнистых сплавах. Проведен анализ изменений структуры и расположения кластеров при наложении внешних воздействий на сплав во время термической обработки и их влияния на эффекты термомагнитной и термомеханической обработок.

Одним из способов управления магнитными свойствами ферромагнитных сплавов с кубической симметрией кристаллической решетки является их отжиг (выдержка при некоторой повышенной температуре и охлаждение до более низкой) в присутствии внешнего магнитного поля -термомагнитная обработка (ТМО) или одноосных растягивающих напряжений - термомеханическая обработка (ТМехО) [1, 2]. При ТМО и ТМехО в ферромагнетиках возникает наведенная магнитная анизотропия; происходит перестройка магнитной доменной структуры, ее стабилизация или дестабилизация; что сказывается на их магнитных свойствах. Так, в железокремнистых сплавах < 6.5 мас. %) с решеткой объемноцентриро-ванного куба и железоникелевых (N1 > 35 мас. %) с кубической гранецентрированной решеткой, прошедших ТМО и ТМехО, в направлении внешнего воздействия повышаются: максимальная магнитная проницаемость |тах, остаточная индукция Вг и снижаются: коэрцитивная сила Нс, удельные электромагнитные потери при перемагничива-нии Р. Перечисленные эффекты ТМО и ТМехО зависят от предшествующего им обычного (без внешних воздействий) низкотемпературного отжига, чистоты сплава и содержания в нем растворенного (легирующего) элемента. В частности, для железокремнистого сплава определенного состава существует свой оптимальный режим предшествующего низкотемпературного отжига, после которого эффективность ТМО максимальна [3, 4]; чем чище сплав, тем выше эффективность ТМО [5]; при ТМО наибольший прирост |тах наблюдается при 6.5% [6].

Повышение |тах и Вг в сплавах Бе с < 3.5% связывают с магнитной анизотропией (магнитной одноосностью), которая наводится при ТМО и

ТМехО за счет переориентации осей пар ближайших атомов кремния (направленное упорядочение) в объемах с повышенным содержанием кремния и со сверхструктурой типа В2 (FeSi, атомы кремния находятся в центрах кубических ячеек), а снижение Нс и P - с дестабилизацией магнитной доменной структуры [2]. При этом авторы не объясняют: почему и каким образом возникают пары ближайших атомов кремния (т.е. объемы со сверхструктурой FeSi) в неупорядочивающемся сплаве (возможность атомного упорядочения появляется лишь при Si > 3.5% [2]); каков атомный механизм переориентации осей этих пар при наложении магнитного поля; в чем суть повышения и дестабилизации магнитной доменной структуры.

Появление наведенной магнитной однооснос-ти при ТМО в сплаве Fe с 6-7% Si объясняют анизотропией формы выпадающих частиц упорядоченной фазы типа ДО3 - Fe3Si (частицы вытянуты вдоль направления намагниченности) в матрице, имеющей из-за недостатка кремния неполный порядок FeSi [2, 7, 8]. Однако, согласно диаграмме состояния системы Fe-Si, фаза Fe3Si выделяется в сплавах с содержанием кремния более 11.5% [9], близких по составу к стехиометрическому с 14.3% Si.

Возникает вопрос: каковы причины перераспределения кремния в гомогенизированных сплавах при обычном низкотемпературном отжиге, приводящем, по мнению [6], к увеличению количества пар ближайших атомов кремния (или объемов с повышенным содержанием кремния и со сверхструктурой FeSi) в сплаве Fe-3% Si и выделению фазы Fe3Si в сплаве Fe c 6-7% Si, существенно отличающемся от стехиометрического состава.

Итак, несмотря на то, что эффекты ТМО и ТМехО обнаружены давно [10, 11] и их широко

32

ГУБЕРНАТОРОВ и др.

Т

4

Н, кЛ/м

Рис. 1. Кривые намагничивания образцов, охлажденных после ВТО с различными скоростями: 1 - медленно; 2 - ускоренно; 3 - быстро.

Нс, Л/см

0.4

0.3

0.2

0.1

О

Е

и

ет

и и

О о о

н н н

еч ер ер

и

о +

о и ер

Медленно Ускоренно Быстро

Охлаждение после ВТО

Рис. 2. Изменение коэрцитивной силы сплава Бе-3% 81 при различных обработках.

используют в настоящее время, до сих пор не решены многие вопросы по существу этих обработок, что не позволяет в полной мере управлять магнитными свойствами ферромагнитных сплавов с помощью ТМО и тМехО. В данной работе сделана попытка ответить на некоторые из них с позиции деформационного старения (СД). В основе СД лежит взаимодействие атомов растворенных элементов со "свежими" дефектами кристаллической решетки, введенными в материал

каким-либо способом, например, деформацией или ускоренным охлаждением. Результатом СД является изменение расположения атомов растворенных элементов в материале, причем распределение растворенных атомов в основном следует имеющейся дефектной (в том числе дислокационной) структуре. При этом СД имеет четыре стадии (в порядке очередности): упорядочение, образование атмосфер, образование сегрегаций, выделение [12].

Образцы сплава Бе - 3% размером 0.33 х 5 х х 100 мм с кристаллографической текстурой (110}(011) и диаметром сквозных кристаллитов (зерен) 2-4 мм после высокотемпературного отжига при 1000°С в течение 30 мин (ВТО), при котором происходят снятие последствий предыдущей обработки и дополнительная гомогенизация, охлаждали медленно (0.5-1.0°С/мин), ускоренно (60-100°С/мин) и быстро (~10000°С/мин). Охлаждение с различными скоростями проводили с целью получения материала с разной степенью дефектности. Далее образцы последовательно подвергали СД при 400°С 10 часов и ТМО при 400°С в течение 15 мин в низкочастотном магнитном поле (50 Гц) и амплитудой 10 кА/м. После каждой обработки на образцах снимали кривые намагничивания с помощью прибора на основе фотогаль-ванометрического компенсационного микрове-берметра Ф-190 и определяли Нс.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Медленно и ускоренно охлажденные после ВТО образцы имеют обычную характерную для магнитомягких железокремнистых сплавов кривую намагничивания (кривые 1 и 2 на рис. 1); а быс-троохлажденные - ломаную (кривая 3 на рис. 1), аналогичную обнаруженным в [13, 14] кривым с изломом. Очевидно, при быстром охлаждении (в отличие от медленного и ускоренного) повышенная плотность дефектов сплава уменьшает величину перемещений растворенных атомов и увеличивает коэффициент диффузии, что позволяет за короткое время в процессе охлаждения сформироваться атмосферам и сегрегациям (вторая и третья стадии СД), которые и обусловливают появление магнитожесткой фазы и излом кривой намагничивания.

2. На рис. 2 приведены значения Нс в зависимости от режимов термообработки. После ВТО, естественно, Нс самая низкая у медленно охлажденных и самая высокая у быстро охлажденных образцов, потому что с увеличением скорости охлаждения дефектность сплава возрастает. СД снижает Нс на 19% в быстро и на 15% в ускоренно охлажденных образцах, в медленно охлажденных -оставляет без изменения. ТМО в быстро охлажденных образцах повышает Нс на 8% по сравне-

1

нию с СД, в ускоренно охлажденных - снижает на 54%, а в медленно охлажденных - оставляет на прежнем уровне.

Поскольку Нс существенно зависит от дефектности материала, то полученные результаты свидетельствуют о следующем. Дефектность медленно охлажденного сплава мала и остается на том же уровне при последующих обработках. СД в ускоренно и быстро охлажденных образцах приводит к уменьшению уровня дефектности сплава. Снижение Нс при СД обусловлено частичным снятием внутренних напряжений за счет сокращения количества дефектов, перераспределения оставшихся дефектов в мало энергетические конфигурации, а также за счет релаксации напряжений около дефектов при их взаимодействии с растворенными атомами [12]. Эффект ТМО неоднозначен и зависит от исходной степени дефектности сплава: в более дефектных (быстроох-лажденных) образцах Нс незначительно увеличивается, а в менее дефектных (ускоренно охлажденных) - снижается в 2 раза (и в 1.8 раза по сравнению с медленно охлажденными образцами). Тенденция некоторого повышения Нс при ТМО в быстро охлажденных образцах, по-видимому, связана с увеличением дефектности сплава в связи с интенсификацией процессов формирования атмосфер и сегрегаций магнитным полем, что подтверждается наличием излома на кривой намагничивания.

Значительный положительный эффект ТМО в ускоренно охлажденных и претерпевших СД образцах может быть обусловлен следующими процессами.

- При указанной обработке образцов излома кривой намагничивания нет, поэтому можно считать, что в данном случае в материале имеет место первая стадия СД - упорядочение. Вполне вероятно, что на этой стадии в сплаве нестехиомет-рического состава возникают микрообъемы типа зон Гинье-Престона (кластеры) с повышенным содержанием кремния и со сверхструктурой РеБ1, что согласуется с данными работы [15]. Образующиеся кластеры будут иметь или форму глобулей (если температура СД выше точки Кюри), так как такая форма отвечает состоянию с минимальным значением поверхностной энергии, или анизотропную форму (когда температура СД ниже точки Кюри), ориентированную согласно намагниченности доменов, подобно выпадающим частицам в [7, 8]. Они распределены по объему материала в соответствии с деформационной структурой (но достаточно хаотично) и имеют размер несколько ангстремов. Возникшие кластеры вносят существенный вклад в формирование магнитных свойств при воздействии ТМО (см. рис. 2).

- При ТМО магнитное поле переориентирует оси пар ближайших атомов кремния в кластерах,

при этом угол между осями и направлением поля становится минимальным [2]. Одним из возможных механизмов переориентации осей пар атомов кремния является перескок атомов кремния из центральных узлов кубической решетки в ее вершины. Этот процесс происходит благодаря неизбежному наличию "термических" вакансий [16]. Состояние, когда атомы

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»