^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.857'1'781:539.12.043:537.624
РАДИАЦИОННО-АМОРФИЗОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ Я^^ (Я = Ш, Eг)
© 2012 г. А. Е. Теплых*, Ю. Г. Чукалкин*, С. Г. Богданов*, Ю. Н. Скрябин*, Н. В. Кудреватых**, С. В. Андреев**, А. С. Волегов**, А. И. Козлов**, Е. Чой***, А. Н. Пирогов*
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ОМТТНИИФПМИЕНУрФУ, 620083 Екатеринбург, пр. Ленина, 51 ***Факультет инженерии современных материалов, Данкук университет, Чонан, Корея
Поступила в редакцию. 12.09.2011 г.; в окончательном варианте — 18.10.2011 г.
Методом спиннингования расплава получены быстрозакаленные сплавы (БЗС) состава Я12Ре82В6 (Я = Мё, Ег). Исследованы их магнитные свойства, структура и фазовый состав до, и после облучения быстрыми нейтронами флюенсом 1.2 х 1020 н/см . До облучения, при 295 К в БЗС присутствует в основном фаза типа Мё2Ре14В (пространственная группа Р42/тпт). Эта фаза в сплаве Мё12Ре82В6 обладает ферромагнитным типом магнитной структуры с магнитными моментами ионов Мё и Бе, ориентированными параллельно оси с, тогда как для БЗС Ег12Ре82В6 в фазе Ег2Ре^В реализуется ферримагнитный тип упорядочения магнитных моментов Ег и Бе параллельно базисной плоскости. В результате облучения оба БЗС перешли из кристаллического состояния в аморфное. Ферро- и ферримагнитный типы порядков в них сохранились, но температура Кюри понизилась на 100 К в сплаве с Мё и на 200 К в сплаве с Ег. Спонтанная намагниченность облученных БЗС при 5 К примерно равна их намагниченности в кристаллическом состоянии, а их коэрцитивная сила, на два порядка меньше, чем она была до облучения. Наблюдаемые эффекты объясняются дисперсией обменных взаимодействий Бе—Бе, возникающих как следствие дисперсии межатомных расстояний в аморфном состоянии.
Ключевые слова: постоянные магниты, облучение быстрыми нейтронами, ферро- и ферримагнит-ный порядок, рассеяние нейтронов.
ВВЕДЕНИЕ
Постоянные магниты, производимые из сплавов системы Мё—Ре—В с обогащенным на 5—10% содержанием Мё относительно стехиометрии фазы Мё2Ре14В обладают рекордными величинами максимального энергетического произведения ((ВН)тах > 50 МГсЭ [1, 2]). Такие значения (ВН)тах достигаются благодаря высокой одноосной магнитно-кристаллической анизотропии и относительно большой величине намагниченности микрозерен фазы Мё2Ре14В. В то же время удельная намагниченность материала этих магнитов [3] пока значительно уступает таковой для металлического железа. Если учесть, что ион неодима имеет магнитный момент, сравнимый с моментом атома железа, но ионный радиус неодима почти в три раза больше радиуса железа, а кроме того, атомы бора немагнитные, то следует ожидать, что намагниченность единицы объема фазы Мё2Ре14В почти на 30% меньше, чем у железа. Одна из идей увеличения намагниченности материала постоянных магнитов на основе сплавов Мё— Ре—В заключается в создании композитного ма-
териала, состоящего из нанозерен обменносвя-занных магнитотвердой (высокоанизотропной) и магнитомягкой (с большой спонтанной намагниченностью) фаз [3]. В настоящее время такие на-ноструктурированные обменносвязанные сплавы в товарных количествах получают только методом быстрой закалки. Однако они имеют существенный недостаток [4] — изотропное распределение осей легкого намагничивания нанозерен фазы Мё2Ре14В, что приводит в итоге к низкой величине остаточной индукции (Вг) магнитов на их основе (Вг < Ву2). В [5] была предпринята попытка получения анизотропного порошка из БЗС путем выделения из него дроблением областей (частиц порошка) с наличием в них текстуры нано-зерен фазы Мё2Ре14В. Однако степень их текстуры в сформированных таким способом порошковых ансамблях была невысокой.
Представляется, что более высокую степень текстуры можно реализовать путем получения материала Мё—Ре—В первоначально в полностью аморфном состоянии и последующей его обработкой посредством специальных физических
Рис. 1. Схема установки для получения быстрозака-
ленных сплавов.
воздействий, вызывающих однонаправленный когерентный рост нанозерен фазы Мё2Ре14Б. В этой связи актуальным является поиск новых способов аморфизации таких сплавов, изучение возникшего структурного состояния и исследование их магнитных свойств.
Согласно рентгенографическим данным [6— 8], аморфное состояние материалов на основе Мё—Ре—Б можно получить быстрой закалкой их расплава, интенсивной пластической деформацией кручением массивных образцов, облучением потоком электронов и т.д. Возможно, что аморфное состояние в сплаве Мё—Ре—Б авторам [6—8] действительно удалось реализовать, но следует отметить, что рентгенографические измерения дают информацию о структуре лишь поверхностного слоя из-за слабой проницаемости рентгеновских лучей в глубь частиц фазы Мё2Ре14Б. Более надежные данные о наличии аморфного состояния в исследуемом образце могут быть получены из нейтронографических исследований.
В данной работе аморфное состояние БЗС Мё12Ре82Б6 и Ег12Ре82Б6 реализовано с помощью облучения быстрыми нейтронами. Присутствующие в БЗС-фазы Мё2Ре14Б и Ег2Ре14В различаются типами магнитного порядка: первый интерметал-лид — ферромагнетик, тогда как во втором интер-металлиде реализуется ферримагнитное упорядочение магнитных моментов ионов эрбия и железа. Поэтому, изучая данные сплавы можно выяснить влияние аморфизации на магнитные свойства материалов Я—Ре—Б в зависимости от типа магнитного порядка.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Слитки сплавов Я12Ре82Б6 (Я = Мё, Ег) были получены индукционной плавкой соответствующих компонент в тиглях из плавленого кварца под защитой газовой среды (высокочистый аргон) в количестве 50 г. Затем сплав подвергался процедуре спинингования в установке для получения быстрозакаленных сплавов.
Схема этой установки приведена на рис. 1. Куски кристаллического сплава массой около 20 г помещаются в тигель с соплом, диаметр отверстия которого 0.8 мм. В нижней части тигля расположен нагреватель, позволяющий расплавлять сплав и перегревать его на 573 К выше температуры плавления (около 1473 К). Контроль температуры (с точностью не хуже ±1.0%) расплава осуществляется с помощью вольфрамрениевой термопары. Расплав выдавливается на внутреннюю поверхность барабана, вращающуюся с линейной скоростью закалочной, поверхности (V,) до 40 м/с. Весь металлургический процесс проводится в защитной атмосфере аргона.
БЗС Я12Ре82Б6 (где Я = Мё, Ег) были получены при V, = 20 м/с и по внешнему виду представляли собой куски (флейксы) металлической ленты толщиной 30—50 мкм шириной 2—5 мм и длиной до 4 см. Последние были размолоты в порошок для проведения магнитных и нейтронографических измерений.
Для достижения аморфного состояния порошки БЗС Я12Ре82Б6 облучали флюенсом быстрых (Еея- > 1 МэВ) нейтронов 1.2 х 1020 н/см-2 при температурах не выше 340 К в герметичных алюминиевых ампулах в водной полости реактора ИВВ-2М (Заречный, Россия).
Магнитные измерения выполнены на вибромагнитометре в интервале температур (5-300) К в полях до 2 Тл. Погрешность в определении величин намагниченности ±1.5%, а температуры не хуже ±1 К.
Нейтронографические исследования структурного состояния БЗС до и после облучения нейтронами были проведены при комнатной (295 К) температуре на дифрактометре Д-2, смонтированном на одном из горизонтальных каналов реактора ИВВ-2М. Длина волны падающих нейтронов (Х) была равна 1.805 х 10-1 нм. Зависимости интенсивности малоуглового рассеяния нейтронов от переданного импульса были получены с помощью ди-фрактометра поляризованных нейтронов Д-6 (реактор ИВВ-2М). Средняя длина волны нейтронов составляла 4.8 х 10-1 нм, разрешение — АХ/Х = 30%. Расчет нейтронограмм выполнен с помощью программного пакета РиПргоГ [9].
12
£ 8 о
А Н О
О ® 4
« 4 Я о К
cd
(а)
х
И
20
40
60 29,град
80
100
Рис. 2. Экспериментальные и расчетная нейтронограммы БЗС Nd^Fe82B6 до (а) и после (б) облучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2а и 3а приведены экспериментальные (точки) и расчетные (линия) нейтронограммы БЗС Nd12Fe82B6 и Er12Fe82B6 до облучения быстрыми нейтронами. Из расчета получено, что главная фаза в сплавах имеет тетрагональную кристаллическую структуру типа Nd2Fe14B (пространственная группа P42/mnm), вторая фаза — a-Fe. Различие в интенсивностях рефлексов на нейтроно-граммах Nd12Fe82B6 и Ег1^82В6 в области углов 10°—40° связано с различием во взаимной ориентации магнитных моментов и их ориентациями относительно кристаллографических осей. Ин-терметаллид Nd2Fe14B имеет ферромагнитную структуру с волновым вектором к = 0 и магнитными моментами ионов Nd и Fe, ориентированными вдоль с-оси. Магнитная структура соединения Er2Fe14B является ферримагнитной с к = 0, в которой моменты эрбиевых и железных ионов анти-параллельны между собой и параллельны a-b-плоскости. Расчетные нейтронограммы получены при значениях структурных и магнитных параметров, представленных в таблице. Эти значения удовлетворительно согласуются с приведенными в литературе [10, 11]. Слабый по интенсивности диффузный максимум в области углов 40°—70° указывает на наличие небольшой доли аморфной фазы.
Чтобы определить размеры частиц аморфной фазы, были получены зависимости сечения малоуг-
лового рассеяния нейтронов от переданного импульса — (q) во внешнем магнитном поле ц0Н= й О
= 0.4 Тл и без поля. Полагая, что поле 0.4 Тл достаточно для насыщения аморфной фазы, мы рассмат-
йа, ч
ривали разность между зависимостями —(q) в пой О
ле и без поля, как магнитное рассеяние нейтронов на флуктуациях намагниченности аморфной фазы. При расчете была использована модель случайного распределения вещества однородной плотности и интерполяционная формула Дебая— Порода [12, 13]. В этой модели сечение рассеяния в сферическом приближении описывается интерполяционной формулой
d2 d Q
о 2 3 8 пр cr
6 - ds
(1 + A ( qr)2) 2
(1)
где г — радиус корреляции, с — концентрация частиц, А — интерполяционный коэффициент, определяемый как
A
6 - D 2
Г(5 - Ds) sin(J(Ds - 1)
(2)
где Г(х) — гамма-функция. Корреляционный радиус г в (2) по определ
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.