^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.213.2:537.622/4
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ТИПА ФАЙНМЕТ С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЖЕЛЕЗА
© 2015 г. Н. В. Мушников*, А. П. Потапов*, Д. А. Шишкин*, А. В. Протасов*, О. А. Головня*, Н. Н. Щеголева*, В. С. Гавико*, К. Ю. Шуняев**, В. А. Быков**, Ю. Н. Стародубцев***, В. Я. Белозеров***
*Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт металлургии УрО РАН, 620016Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 ***ООО НПП "Гаммамет", 620028Екатеринбург, ул. Кирова, 28 e-mail: mushnikov@imp.uran.ru Поступила в редакцию 16.12.2014 г.; в окончательном варианте — 28.01.2015 г.
Изучено влияние состава и температуры отжига на структуру и магнитные свойства нанокристал-лических магнитомягких сплавов Fe—Cu—Nb—Mo—Si—B. Показано, что увеличение содержания железа по сравнению с его количеством в традиционном сплаве Файнмет позволяет увеличить магнитную индукцию на 18% при уровне коэрцитивной силы менее 6 А/м. Установлено, что в быстро-закаленных лентах сплавов, обогащенных Fe, наряду с аморфной фазой присутствуют выделения кристаллической фазы на основе a-Fe, в которой кристаллографические направления типа (100) ориентированы перпендикулярно плоскости ленты. С использованием термомагнитного анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии для сплавов с различным содержанием железа определены температуры структурных и магнитных фазовых переходов. Установлено, что в быстро-закаленных лентах, обогащенных железом, выпадению наноразмерных зерен магнитомягкой фазы Fe—Si предшествует расслоение однородной аморфной матрицы на аморфные области различного состава.
Ключевые слова: нанокристаллический сплав, аморфный сплав, кристаллизация, магнитомягкий материал, коэрцитивная сила, намагниченность, электронная микроскопия, рентгеновская дифракция.
БО1: 10.7868/80015323015070104
ВВЕДЕНИЕ
Быстрозакаленные ленты сплавов Fe—Cu—M— Si—B (M = Nb, Mo, Ta, W, Zr) c нанокристалличе-ской структурой, под общим названием "Файнмет" (Finemet) [1], обладают уникальным сочетанием высокой магнитной проницаемости (~105 на частоте 1 кГц), низкой коэрцитивной силы (Нс менее 1 А/м) и высокой магнитной индукции (~1.2 Тл). Нанокристаллическое состояние в них формируется в процессе отжига быстрозакален-ного аморфного сплава Fe—Cu—M—Si—B при температурах 770—870 K. При этом каждый элемент, входящий в исходный сплав, выполняет определенную роль в процессе кристаллизации [2].
При повышении температуры в аморфной матрице возникают медные кластеры, которые служат зародышами формирования нанозерен магнито-мягкой фазы a-(Fe-Si) с типичным размером 10— 15 нм. Наличие кремния в нанокристаллитах в количестве 15—20% позволяет уменьшить магнито-
стрикцию практически до нуля, и тем самым значительно повысить магнитную проницаемость. Бор и ниобий (или другой металл М) преимущественно остаются в аморфной матрице, которая занимает 20—30% объема материала и образует прослойки толщиной 1—2 нм, разделяющие Fe—Si кристаллиты с произвольной ориентацией осей легкого намагничивания [3]. Вследствие межкри-сталлитного обменного взаимодействия через ферромагнитную аморфную прослойку возникает состояние со случайной анизотропией [4], которое приводит к резкому снижению результирующей анизотропии материала и улучшению маг-нитомягких свойств.
Магнитные свойства и структура сплава Файнмет не очень чувствительны к температуре нано-кристаллизующего отжига. Тугоплавкий металл М в аморфной фазе затрудняет рост зерен фазы Fe—Si и в то же время препятствует образованию кристаллических боридных фаз. Наноструктура
Таблица 1. Составы исследованных сплавов Fe—Cu-Nb-Mo-Si-B
Элемент
Содержание элементов, ат. %
1 2 3 4 5
Fe 72.3 73.7 74.9 76.4 78.0
Cu 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
Nb 1.9 1.6 1.6 1.6 1.6
Mo 1.5 1.3 1.3 1.3 1.3
Si 14.2 13.3 12.0 9.6 7.0
B 9.1 9.1 9.2 10.1 11.1
формируется за очень короткое время (от 15 мин до 1 часа при 770—870 К) и остается стабильной при продолжительных отжигах. Однако повышение температуры выше 870 К приводит к выделению боридных фаз Ре2Б или Ре3Б с типичными размерами 50—100 нм и росту коэрцитивной силы. Отжиг при температурах выше 970 К вызывает рекристаллизацию и укрупнение зерен фаз, что сопровождается дальнейшим ростом Нс.
Минимальные значения коэрцитивной силы удается получить для состава Ре73 5Си1МЪ38113 5Б9 (здесь и далее использованы атомные проценты). Однако для ряда технических приложений предпочтительно иметь материалы с более высоким значением магнитной индукции, даже в ущерб коэрцитивной силе. Очевидно, что для этого необходимо увеличивать концентрацию железа в сплаве. В [2] сообщается, что сплав Ре77Си0.6МЪ2.48111Б9 обладает индукцией 1.45 Тл при высокой магнитной проницаемости и низкой коэрцитивной силе. Еще более высокие значения магнитной индукции, до 1.85 Тл, получены в [5] на сплавах Ре8265Си13581хБ16- х, для которых, однако, коэрцитивная сила оказывается на уровне 10 А/м. Для достижения наилучших маг-нитомягких свойств изменение концентрации железа должно сопровождаться оптимальным изменением концентрации других элементов, а также оптимизацией режимов термообработки [6]. Поэтому потенциал улучшения функциональных свойств сплавов типа Файнмет представляется достаточно высоким. В данной работе изучены магнитные свойства и структура, а также магнитные и структурные фазовые превращения в сплавах Ре—Си—№—Мо—81—Б с различным содержанием железа (72—78 ат. %). В сплавах в качестве элементов М использованы МЪ и Мо, поскольку, как было показано в [7, 8], добавление тугоплавкого молибдена в дополнение к традиционному ниобию способствует повышению температурной стабильности нанокристаллических сплавов. Кроме того, молибден, введенный в сплав, уменьшает окисление образцов при быстрой закалке и отжиге [9, 10].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплавы были выплавлены в индукционной печи в атмосфере аргона в тиглях из Al2O3. Составы сплавов приведены в табл. 1. Состав контролировали с помощью химанализа; погрешность содержания элементов в сплавах не превышает 0.1%. В изученной серии сплавов концентрация Cu и соотношение между количеством Nb и Mo были фиксированы, возрастание содержания железа и небольшое возрастание количества вводимого бора компенсировали уменьшением содержания кремния.
Ленты быстрозакаленного сплава были получены разливкой расплава на вращающийся металлический барабан диаметром 200 мм. При скорости вращения барабана 2700 об./мин линейная скорость его поверхности составляла 30 м/с. Получаемые ленты имели ширину 4-8 мм и толщину около 20 мкм. Для формирования нанокри-сталлического состояния ленты отжигали при температурах 770-820 K в течение 1 ч.
Квазистатические петли магнитного гистерезиса измеряли при комнатной температуре на образцах в форме полосок длиной 80-100 мм. Динамические магнитные характеристики материалов изучали на образцах замкнутой формы в виде то-роидов при частоте намагничивающего поля 1 кГц. Удельную намагниченность насыщения измеряли на вибрационном магнитометре Lake Shore 7404 в магнитных полях до 1.4 МА/м. Погрешность измерения намагниченности и индукции не превышала 3%. Температурные зависимости начальной магнитной восприимчивости измеряли методом скомпенсированного трансформатора в разомкнутой цепи в магнитном поле амплитудой 320 А/м и частотой 800 Гц в интервале температур 290-1050 K.
Фазовый анализ и рентгеноструктурные исследования были выполнены при комнатной температуре с использованием рентгеновского аппарата ДРОН-6 в Cr Za-излучении с монохроматором. Электронно-микроскопические исследования выполнены с использованием электронного микроскопа JEM-200СХ. Для определения температур структурных фазовых превращений был использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC). Измерения были выполнены на термоанализаторе NETZSCH STA 409 PC в потоке аргона. Скорость нагрева образца - 10 K/мин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сплав Файнмет оптимального состава с 73.5 ат. % Fe, 1 ат. % Cu, 3 ат. % Nb, 13.5 ат. % Si, 9 ат. % B в нанокристаллическом состоянии в магнитном поле 800 А/м обладает максимальной магнитной индукцией 1.24 Тл [2], что при плотности 7300 кг/м3 соответствует удельной намагни-
180
Б, Тл
160
140 -
120
Литой сплав БЗС
БЗС + отжиг
72
73
74
75 76
Бе, ат. %
77
78
Рис. 1. Зависимости удельной намагниченности насыщения при комнатной температуре от концентрации железа для сплавов в литом, быстрозакаленном (БЗС) и нанокристаллизованном состояниях. Штриховая линия — намагниченность ОЦК-Бе с учетом его концентрации в сплаве.
ченности 135 Ам2/кг. На рис. 1 приведены зависимости удельной намагниченности насыщения (М8) исследованных сплавов от концентрации железа в литом, быстрозакаленном и нанокристал-лическом состояниях. Видно, что для каждого состояния Мв возрастает с ростом концентрации железа. Максимальные значения намагниченности насыщения имеют литые сплавы. Однако практически для всех сплавов М8 оказывается ниже, чем намагниченность чистого ОЦК-Бе, приведенная к концентрации Бе (штриховая линия на рис. 1). Быстрая закалка приводит к дополнительному уменьшению намагниченности на ~5%, а нанокристаллизующий отжиг частично восстанавливает М8. Поскольку усредненный состав сплава при этом постоянен, изменение намагниченности может быть связано с перераспределением немагнитных атомов в локальном окружении атомов Бе [11]. Для быстрозакаленных сплавов средний магнитный момент железа возрастает от 1.63 до 1.74 |В/атом с ростом содержания Бе от 72.3 до 78%. Близкие значения магнитного момента Бе (1.67 ||В/атом) были определены ранее для аморфного сплава Ре73 5Си1.1МЪ2.98116.1В64 [12].
Сплав с 72.3% Бе непосредственно после быстрой закалки имеет коэрцитивную силу 25 А/м. Для получения наилучших магнитомягких свойств ленты этого сплава были отожжены при различных температурах. Минимальное значение коэрцитивной силы Нс = 1.0 А/м получено после отжига при 818 К. Нагрев до 873 К приводит к резкому возрастанию Нс до значений, превышающих 400 А/м. На рис. 2 предста
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.