^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1 '782'781 '784:537.623
КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕРМОМАГНИТНАЯ И ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
© 2011 г. Ю. Н. Драгошанский, В. В. Губернаторов, В. И. Пудов, Т. С. Сычева
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 10.09.2010 г.; в окончательном варианте — 05.10.2010 г.
Изучены проблемы существенного улучшения функциональных характеристик магнитомягких сплавов на основе Бе—3% и Бе—70% N1. Разработаны эффективные виды комплексной термомагнитной и ионно-лучевой обработок. Они обеспечивают оптимизацию магнитных доменов и существенное (до 15—20%) снижение магнитных потерь в анизотропных трансформаторных сталях, коэрцитивной силы в пермаллоях (до 60%) и повышение линейной магнитострикции насыщения сплавов Бе—7% А1—1% 81 и Бе—6% А1—2% Со до уровня высококобальтовых сплавов (40—60) х 10-6.
Ключевые слова: магнитомягкие сплавы и материалы, доменная структура, магнитные потери, линейная магнитострикция, термомагнитная обработка, ионно-лучевая обработка.
ВВЕДЕНИЕ
Современные разработки электротехники, электроники, приборостроения связаны с уменьшением энерго- и металлоемкости конструкций и изделий. Эти требования относятся и к магнитопроводам, значительный объем которых составляют широко эксплуатируемые в переменных магнитных полях магнитомягкие сплавы на основе железа и никеля — анизотропные электротехнические стали (сплавы Ре—3% 81), пермаллой (сплавы Бе—70% N1), магни-тострикционные сплавы (альферы Бе—7% А1, Бе— 6% А1—1% 81, Бе—6% А1—2% Со), аморфные сплавы (на основе Ре—81—В).
Экспериментально показано, что значительно улучшить их электромагнитные, магнитоупругие и другие функциональные характеристики возможно при использовании комплекса деформационно-текстурующих воздействий, в частности термомагнитной и локально-лазерной обработок [1]. При разных механизмах воздействия на магнитную доменную структуру материалов эти обработки, выполненные последовательно одна за другой, создают суммарный эффект по увеличению их магнитной проницаемости по снижению коэрцитивной силы Ис и магнитных потерь Р. В то же время постоянное расширение областей применения магнитомяг-ких сплавов, миниатюризация изделий и возрастающие требования к улучшению их функциональных свойств не позволяет в полной мере решать данные задачи за счет термомагнитной и локально-лазерной обработок. В частности, одной из важных задач является обеспечение массового производства магни-тострикционных материалов, состоящих из наиболее простых и доступных элементов и не уступаю-
щих по магнитоупругим свойствам известным сплавам класса пермендюр со значительным содержанием дефицитного кобальта. Дальнейшее же повышение магнитострикции, магнитной проницаемости и снижение магнитных потерь в трансформаторных сталях и сплавах типа пермаллой и альфер, определяющих эффективность работы электрогенераторов, трансформаторов, магнитострикторов, не только повысит качество важнейших технических установок и изделий, но и обеспечит значительную экономию металла.
Рассматривается возможность разработки новых видов комплексного воздействия с целью улучшения электромагнитных, магнитоупругих и других функциональных характеристик магнитомягких сплавов на основе железа, никеля и кобальта за счет термомагнитных и ионно-лучевой обработок в постоянных и переменных магнитных полях.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ
Ионно-лучевая обработка (ИЛО) — облучение (бомбардировка) потоком ускоренных ионов аргона Аг+ с энергией ~50 кэВ — вносит структурные дефекты и вызывает появление механических напряжений в приповерхностном слое облучаемого материала. Кроме этого, ИЛО оказывает существенное радиа-ционно-динамическое воздействие, инициирующее аномально высокую низкотемпературную подвижность атомов в стали уже при низких дозах облучения (1014—1015 ион/см2). При этом химический состав сплава не изменяется, в то время как глубина изменения его структуры и свойств составляет несколько десятков микрон при длине пробега ионов, равной сотым долям микрона [2].
Таблица 1. Магнитные свойства образцов из аморфных лент Ре8^17В12, после термической (Т = 410°С) и термомагнитной обработок в постоянном и переменных магнитных полях
ТМО йо йтах Br /Bm Р1.0/400 Р02/10000 Р07/10000
Вт/кг
Отжиг, H = 0 2400 71500 0.65 2.04 7.7 74
В Н = const 3500 120000 0.82 1.62 6.4 64
В Н ~ 50 Гц 5500 300000 0.77 1.23 5.5 57
В Н ~ 80 кГц 10800 550000 0.57 0.56 2.2 31
Примечание. Вг/Вт определялось при Н = 60 А/м, хотя на аморфном сплаве на основе кобальта Со7оРе58115Вю получена магнитная проницаемость дтах = 1.2 х 106 [3].
Термомагнитная обработка (ТМО) — выдержка при температуре, не превышающей точку Кюри, и охлаждение в присутствии постоянного магнитного поля — усиливает одноосную магнитную анизотропию, а в высокочастотном переменном поле — дестабилизирует доменную структуру, улучшая магнитные свойства материала (табл. 1). Как видно из этой таблицы, ТМО в высокочастотном поле дает наилучшие магнитные характеристики. В частности, отношение остаточной индукции Br к максимальной Bm становится наименьшим. Малая величина этого отношения, в случае перемагничивания одноосно текстурованного материала вдоль оси текстуры путем смещения, в основном, 180° границ, отражает легкость перестройки доменной структуры, однородное и плавное смещение доменных границ. При этом снижаются удельные электромагнитные потери при перемагничивании в широкой области частот и коэрцитивная сила [4, 5].
Значительный вклад в формирование магнитных свойств материалов во время ТМО вносит деформационное старение на стадии упорядочения — взаимодействие компонентов сплава со свежевве-денными дефектами кристаллической решетки [6, 7]. При этом образуются кластеры с повышенным содержанием атомов растворенных элементов и сверхструктурой, например, анизотропного типа В2 (рис. 1) [8]. Использование деформационного старения (при создании свежих дефектов ускоренным охлаждением после высокотемпературного отжига) позволило снизить Нс в сплаве Fe—70% Ni на 44%, по сравнению с тщательно отожженным и затем медленно охлажденным сплавом [7].
Исследования проводили на магнитомягких сплавах железа — анизотропных электротехнических сталях Fe—3 мас. % Si, сплавах альферов Fe—7% Al, Fe-6% Al—1% Si, Fe-6% Al-2% Co, аморфных лентах Fe81Si7B12, Fe81Si4B13Co2, пермаллое Fe—70 мас. % Ni, и пермендюре Fe—49% Co—2% V Образцы альферов имели размер 0.2 х 5 х 50 мм, текстура (110)[001], анизотропной трансформаторной стали — размер 0.3 х 5 х 100 мм, зерно 4—6 мм, текстура (110)[001], аморфная лента имела ширину 5 мм и толщину
20 мкм, а пермаллой имел размер 0.07 х 5 х 100 мм, величина зерна 0.2 мм, текстура (100)[001].
Образцы вышеуказанных сплавов со свежими дефектами, созданными ускоренным охлаждением после заключительного высокотемпературного отжига, облучали ионами Аг+ с целью внесения дополнительных дефектов и увеличения низкотемпературной подвижности атомов. Для облучения использовали ионный источник на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом [9], обеспечивающий им-пульсно-периодический режим генерации широких ионных пучков с энергией 30—50 кэВ, со средней плотностью ионного тока 0.36—0.72 мА/см2, длительностью импульса 0.5 и 1 мс, частотой повторения импульсов 1.25 Гц. Предотвращение разогрева образцов ионным пучком во время ИЛО обеспечивалось за счет использования импульсно-периоди-ческого, а также прерывистого режима облучения, когда требуемая доза набиралась суммарно, в несколько этапов, паузы между которыми не позволяли образцам разогреваться. Набиравшиеся таким
[001]
Рис. 1. Смещение соседних атомов Fe к паре атомов Si—Si, ориентированной вдоль оси легкого намагничивания [001] в части кристаллической поверхности (110) после ТМО в магнитном поле H. Штриховая кривая ограничивает дефектную область — анизотропный _82-кластер.
Таблица 2. Режимы ИЛО образцов из пермаллоя Бе— 70% N1
Номер образца Доза, 2 ион/см2 Температура, °С Время, мин
1 1015 45 7.3
2 1016 60 73
3 1017 55 360
4 Контрольный (без облучения)
образом дозы облучения, длительности ионно-лу-чевой обработки и предельные температуры нагрева образцов во время воздействия ионных пучков приведены в табл. 2.
После облучения образцы подвергали ТМО: нагреву, выдержкам от 15 до 120 мин при 500°С и последующему охлаждению в переменном магнитном поле с частотой 50 Гц и амплитудой 10 кА/м, направление которого совпадало с направлением (001) текстурованных поликристаллов. После каждой обработки определяли наиболее важные характеристики исследуемых материалов: для пермаллоя — Нс по петлям магнитного гистерезиса, снятым с помощью прибора на основе фотогальванометрического компенсационного микровеберметра Ф-190; для трансформаторной стали — Р ваттметровым методом в замкнутой магнитной цепи. Относительные погрешности измерений при доверительной вероятности 0.95 составляли: для индукции и коэрцитивной силы — не более ±2%, для проницаемости — не более ±7%, для удельных потерь — не более ±4%. Наблюдения магнитной доменной структуры выполняли методами магнитных суспензий и продольного эффекта Керра.
15 мин 30 мин 45 мин 120 мин
Рис. 2. Изменение коэрцитивной силы и магнитных потерь при различных обработках сплавов (номера кривых соответствуют номерам образцов, табл. 2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Повышение Нс пермаллоя (рис. 2а) указывает на то, что в результате ИЛО происходит наполнение материала дефектами (чем дефектнее материал, тем больше Нс ). Как можно судить по поведению Нс, зависимость степени дефектности от дозы облучения немонотонна. Максимальная степень дефектности получена при дозе облучения 1016 ион/см2, при более высоких дозах количество вносимых дефектов снижается, что можно объяснить их аннигиляцией.
В трансформаторной стали наблюдается снижение Р на 3—5% при всех дозах облучения (рис. 2б). Это связано с измельчением магнитных доменов вследствие наличия дефектов и накопления высоких статических напряжений, возникающих в приповерхностных слоях материалов при внед
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.