ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 4, с. 44-55
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1'3'293'781:539.219:537.622
НАВЕДЕННАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ И СТРУКТУРА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА РеСи1ЧЬВ
© 2004 г. Н. М. Клейнерман, В. В. Сериков, В. А. Лукшина, А. П. Потапов, Е. Г. Волкова
Институт физики металлов УрО РАН, 620219 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 29.03.2004 г.; в окончательном варианте - 11.05.2004 г.
Изучены особенности формирования нанокристаллической структуры и наведения магнитной анизотропии в сплаве РеСи№ЪБ в процессе различных термических и термомеханических обработок. Показаны основные отличия этого сплава от сплава РеСи№ЪБ81 в динамике процесса расслоения исходного аморфного состояния, конечных фазовых компонентах и величине и знаке наведенной магнитной анизотропии.
ВВЕДЕНИЕ
В течение 15 лет нанокристаллические материалы являются объектом многочисленных исследований, в которых задействованы различные физические методы. Изначально интерес к ряду материалов был обусловлен тем, что они обладают привлекательным комплексом магнитомяг-ких свойств (низкая анизотропия, нулевая магни-тострикция, высокая намагниченность и т.д.). Реализуются такие свойства в соединениях, структура которых представляет собой мелкие (порядка 10 нм) зерна в аморфной матрице. Подробности формирования такой структуры и являются в большинстве случаев объектами исследования.
На первой волне авторы ряда работ [1, 2] представили результаты изучения структуры формирующейся в ходе отжига аморфного материала РеСи№Ъ81Б при температурах кристаллизации (порядка 500-600°С), и эти результаты хорошо согласовывались друг с другом. Зерна, содержащие железо и весь кремний, имели ОцК-структу-ру, а матрица, в состав которой относили все остальные элементы, оставалась аморфной. В последующих работах различными методами было оценено соотношение объемов структурных компонентов, был уточнен состав кристаллитов, а именно, Ре-20%81 и определен состав матрицы Реост№Ъ5-15Б30 [3], а электронно-микроскопически было зафиксировано присутствие кластеров меди [4]. Причем результаты работы [5] позволили авторам сделать вывод, что для реализации такой структуры достаточно малых выдержек, порядка 300 с. В ряде случаев было зафиксировано выделение боридов (Ре2Б, Ре3Б, Ре23Б6) [6, 7, 8]. Наличие таких разночтений было связано с тем, что параметры нанокристаллизующего отжига (температуры и времена выдержки) различались, и соот-
ветственно авторы имели дело с различными стадиями процесса расслоения исходной структуры.
Кроме того, в ряде работ внимание было сосредоточено на возможностях вариаций исходного состава с целью влияния на структуру и свойства конечных продуктов распада аморфного сплава. Так, работа [8] была посвящена изучению влияния колебаний исходного состава по ниобию в пределах 3-7 ат. % на фазовый состав и размер зерна выпадающих фаз при различных температурах. Далее было проведено исследование сплава, не содержащего кремний, и с помощью различных методов (дилатометрия, магнитные измерения, электронная микроскопия) было подтверждено наличие двух стадий кристаллизации: выделение первичных зерен альфа-железа при температурах 400-600°С и вторичное расслоение аморфной матрицы на Ре2Б мелкокристаллическую фазу и аморфный остаток при температурах 600-800°С [9].
Отдельно отстоят работы, посвященные исследованию возможностей влияния на магнитные свойства и структуру данных объектов таких хорошо известных методов воздействия, как термомагнитная (ТМО) и термомеханическая (ТМехО) обработки. В числе первых публикаций на эту тему стоят работы [10] и [11]. Как показали авторы [10], ТМО оказывает незначительное влияние на структуру сплавов Ре96 - гСи!№Ъ381(г - Х)БХ так, что наводится анизотропия лишь порядка 10-100 Дж/м3. Это связано с тем, что направленное упорядочение пар атомов кремния не может быть реализовано в кристаллических зернах Ре-20%81, упорядоченных по типу БО3. Термомеханическая обработка, напротив, оказалась эффективным способом наведения магнитной анизотропии в этих материалах. В результате нанокристаллизующего отжига под нагрузкой порядка 100 МПа были получены величины константы анизотропии Ки порядка 1000 Дж/м3. При этом особое внимание привлек
тот факт, что в сплаве с 13.5%Si анизотропия наводилась поперек оси ленты. Авторы [11] проанализировали различные механизмы и пришли к выводу, что за наведение магнитной анизотропии ответственно магнитоупругое взаимодействие зерен Fe-Si с аморфной матрицей. Рассматривая структуру соединения, состоящей только из двух фаз, авторы показали, что в материалах с различным соотношением содержания кремния и бора константы магнитострикции и наведенной магнитной анизотропии меняются в зависимости от исходного содержания кремния подобным образом, и такая зависимость может быть обусловлена поведением константы магнитострикции поликристаллических бинарных ОЦК-зерен, а неупруго деформированная аморфная матрица создает растягивающие напряжения. В наших работах, начало которым было положено еще в 1991 г. [12, 13], структура соединения после нанокристаллизую-щего отжига была исследована с помощью электронной микроскопии и мессбауэровской спектроскопии, и оба метода подтвердили наличие в такой структуре наряду с ОЦК Fe-Si зернами еще и фазы с решеткой Fe2B, в которой присутствует и ниобий, а также небольшое количество фазы FeNbB. Возникновение отрицательной магнитной анизотропии в такой системе можно было объяснить, полагая, что нулевую магнитострикцию обеспечивает смесь фаз с отрицательной (FeSi) и положительной (Fe2B) константами магнитострикции. В последующих работах было проведено исследование влияния параметров термомеханической обработки на особенности нанокристал-лической структуры и связанных с ней магнитных свойств [14, 15]. Методом мессбауэровской спектроскопии удалось показать, что растягивающие напряжения в процессе отжига влияют на глубину процесса расслоения исходной структуры на результирующие фазы, что проявляется в изменении их составов и объемных долей. Было установлено, что величина константы наведенной анизотропии и ее термостабильность зависят от этих структурных характеристик и что наиболее стабильная анизотропия с высокой константой наводится при таких параметрах отжига, когда в структуре не остается аморфной фазы, а прослойки фазы FeNbB отделяют не только ОЦК Fe-Si зерна, упорядоченные по типу DO3, но и вторично кристаллизованные зерна Fe2B. Естественно, что структура такого соединения отличается по фазовому составу от материала, который проходит нанокристаллизующий отжиг без нагрузки именно в том отношении, что аморфная матрица после выделения первичных зерен не испытывает дальнейшего превращения, т.е. без нагрузки процесс расслоения реализуется не полностью. Безусловно, нагружение при отжиге является одним из хорошо известных методов ускорения диффузионных процессов [16] и может привести
к результатам, которые нельзя получить, варьируя лишь параметры отжига.
Однако эффективность такого метода, в свою очередь, зависит от ряда факторов, среди которых исходный состав материала является одним из определяющих. В нашем случае отдельным вопросом для исследования является влияние содержания кремния на динамику процесса и его окончательные продукты. Мы обратили внимание на то, что в работе [9] в материале, не содержащем кремний, термообработка без нагрузки (нагрев со скоростью 3°С/мин) привела к выделению на второй стадии кристаллизации фазы Fe2B, а зерна основной фазы могли содержать лишь небольшое количество примеси растворенной в альфа-железе. Такая двухфазная система, в которой обе фазы имели положительные константы магнитострикции, могла бы послужить моделью для проверки роли собственных свойств фаз, образующихся при отжиге под нагрузкой в процессе формирования наведенной магнитной анизотропии, а также дать информацию о роли кремния в этих процессах.
В связи с этим мы провели исследование влияния параметров термомеханической обработки на структуру и магнитную анизотропию нанокри-сталлизующегося сплава FeCuNbB.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Сплав Fe82Cu!Nb4B13 получали способом быстрой закалки расплава на вращающийся медный барабан в виде аморфных лент толщиной 20 мкм и шириной 1 мм. Термомеханическую обработку (ТМехО) и нанокристаллизующий отжиг (ТО) осуществляли на воздухе при температуре T = = 350-650°С, растягивающая нагрузка при ТМехО а была до 440 МПа. Петли гистерезиса измеряли баллистическим методом с помощью микрове-берметра Ф-190 на образцах длиной 100 мм. Исследование ЯГР спектров проводили на спектрометре ЯГРС-4М в режиме постоянных скоростей при 20°С. Источник - 57Co в матрице хрома. Математический анализ спектров выполняли на ЭВМ с помощью пакета программ "Gamma" [17]. Методами просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения на микроскопе JEM-200CX была изучена микроструктура сплава после ТО и ТМехО.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для определения температурного интервала структурных изменений в этом сплаве на образцах, отожженных в течение 5 мин при различных температурах, была измерена коэрцитивная сила. Ее температурная зависимость показана на рис. 1, из которого видно, что существует два интервала возрастания коэрцитивной силы, причем ход кривой в этих интервалах свидетельствует о разной природе процессов, порождающих рост.
Н 8
Э
100 200 300 400 500 600
т °с
± ПТЖИГЯ5 ^
Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига образцов в течение 5 мин.
Полагая, что структурные изменения, проявляющиеся в таком поведении магнитной характеристики, могут оказаться слишком малыми для
прямых структурных наблюдений, мы провели первоначальное исследование посредством мес-сбауэровской спектроскопии. Образцы сплава были подвергнуты нанокристаллизующему отжигу в течение 10 мин и 2 ч при температурах, начиная от 350°С. На рис. 2 показаны спектры и функции распределения плотности вероятности сверхтонких полей (СТП), Р(Н), для трех различных обработок. Сравнивая полученные результаты с исходным аморфным состоянием (рис. 2а), мы может говорить
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.