Магнитные свойства и состояние поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ
|
Степанова, Елена Александровна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Екатеринбург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.11
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Степанова Елена Александровна
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕНТ АМОРФНЫХ МАГНИТОМЯГКИХ СПЛАВОВ
Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Екатеринбург 2004
Работа выполнена s Уральском госуларовснпом университете им.А.М. Горького на кафелре физики мапшшых явлений.
Научный руководитель: старший научный сотрудник,
кандидат физико-математических наук Н.А. Скулкина
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор Ю.Н.Драгошанский
доктор физико-математических наук, профессор Л.В.Спивак
Ведущая организация: Институт физики им. Л.В. Киренского
СО РАН (г. Красноярск)
Защита состоится 14 октября 2004 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.286.01 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора физико-математических наук при Уральском государственном университете им. А.М.Горького по адресу: 620083, г. Екатеринбург, пр. Ленина, д. 51, ком. 248.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного \ниверситета им. А.М.Горького.
Автореферат разослан
£
сентября 2004 года
Ученый секретарь диссертационного совет доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник
.В. Кудреватых
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.
Аморфные и нанокристаллические сплавы, по сравнению с традиционными кристаллическими материалами, являются сравнительно новым классом магнитных материалов. Аморфные магни-томягкие материалы представляют собой сплавы 75-85 % одного или нескольких переходных металлов1(Ре, Со, N'0 и 15-20 % металлоида
Большое, по сравнению с кристаллическими материалами, содержание немагнитных элементов в аморфных магнитных сплавах (~20 ат.%) понижает индукцию насыщения этих материалов, но является необходимым условием для получения аморфного состояния. Вариации состава этих сплавов и применение различных обработок позволяет получить такое сочетание магнитных и электрических свойств, которое дает возможность на их основе создать магнитные материалы, имеющие широкие области использования в технике. Поэтому изучение магнитных свойств быстрозакаленных магнитомягких материалов имеет определенный практический интерес. Но не менее интересно исследование магнитных свойств данного класса материалов и с научной точки зрения. Сверхбыстрое охлаждение расплава при получении аморфных металлических сплавов приводит к подавлению кристаллографической анизотропии и позволяет выявить влияние других факторов, второстепенных для кристаллических материалов, (например, магиитоупру-гой энергии, энергии наведенной анизотропии и т.п.) на процессы намагничивания и перемагничивания, следовательно, и формирование магнитных свойств. Учет влияния таких факторов, как структурно-морфологические особенности, состояние поверхности ленты, высокая диффузионная активность атомов металлоида дает более широкие возможности изучения физических механизмов, влияющих на процессы намагничивания и перемагничивания, следовательно, и на формирование магнитных свойств данного класса материалов. Немаловажным является выявление физических причин влияния поверхностного слоя ленты на магнитные свойства аморфных сплавов при изменении его состояния в результате специальных (термической, термомагнитной, локальной лазерной) об-
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СЙстчгбург акт
работок и взаимодействия с химически активными средами (электроизоляционными покрытиями различной морфологии, средой отжига, наводороживанием и оксидированием поверхности ленты).
Одной из основных характеристик магнитопроводов являются магнитные потери. Известно несколько механизмов возникновения магнитных потерь, однако в проводящих материалах определяющую роль играют макро- и микровихревые токи, возникающие при изменении магнитного потока. Расчеты показывают, что динамическая часть магнитных потерь имеет квадратичную зависимость от частоты. Полагают, что потери на гистерезис зависят от частоты линейно. Следовательно, динамические потери за цикл перемагни-чивания должны иметь линейную зависимость от частоты. Экспериментальная же зависимость является нелинейной, что объясняют наличием неоднородности смещения доменных границ, их амплитудным и фазовым изгибом и уменьшением ширины доменов с ростом частоты. Для аморфных сплавов было обнаружено ранее неизвестное резкое увеличение магнитных потерь при низких частотах перемагничивания. которое нельзя объяснить только динамическим изгибом доменных границ и дроблением доменной структуры [I]. Этот факт удовлетворительно объясняется в рамках теории магнитного последействия: увеличение поля вязкости при низких частотах, обусловленного перескоком диффузионно подвижных атомов, приводит к возникновению коррелированных скачков Баркгаузена и аномальному повышению скорости движения доменных границ в скачке. Однако, вопрос, касающийся механизмов формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь, не является окончательно решенным. Поэтому весьма важным является также изучение вопросов, связанных с выявлением физических причин формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь.
В соответствии с вышеизложенным, определены ЦЕЛИРАБОТЫ:
- исследование магнитных свойств аморфных магнитомягких сплавов при применении различных воздействий на состояние поверхности лент этих сплавов;
- выявление физических причин возникновения аномалии магнитных потерь за цикл при низких частотах перемагничивания.
Для этого в работе поставлены след\юих\\е ЗАДАЧИ:
- провести исследования влияния различных воздействий (термообработок (на воздухе и в вакчуме), нанесения электронюляци-онных покрытий различной морфологии, проведения локальной лазерной обработки, электролитического наводороживания и т.д.) на магнитные свойства аморфных магиитомягких сплавов на основе железа;
- выявить механизм влияния электроизоляционных покрытий на магнитные свойства аморфных быстрозакаленных сплавов;
- проанализировать влияние различных факторов (вариации маг-нитоупругой энергии: частичной крис(аллизации поверхности; типа доменных границ, участвующих в процессах перемагничивания; различных химически активных сред и т.п.) на вид частотной зависимости удельных магнитных потерь, приведенных к единице индукции и частоты.
ОБЪЕКТЫ' ИССЛЕДОВАНИЯХ образцы аморфных сплавов на основе железа и кобальта с положительной магнитострикцией насыщения. Исследуемые образцы имели форму полос размерами 130x10 мм и толщину 20-27 мкм.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
На основе совместных исследований магнитных свойств и Мес-сбауэровских спектров разработан экспресс-метод определения распределения намагниченности в объеме лент аморфных магни-томягких сплавов.
Исследование лент аморфных магнитомягких сплавов с разным структурным состоянием, уровнем магнитоупругой энергии, распределением намагниченности в ленте позволило выявить основные физические причины формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь. Показано, что наблюдаемое аномальное повышение магнитных потерь за цикл перемагничивания в области низких частот имеет вид резонансной кривой. Пик, наблюдаемый при частотах 20-40 Гц, формируется при участии смещения 90-градусных доменных границ в процессе перемагничивания, имеет сложную мультиплетную структуру и удовлетворительно объясняется релаксацией в процессе перемагничивания осей разных типов пар элементов (например, для сплава
В и т.п.).
Установлено, что процессы вращения намагниченности и смещения 180-градусных ломенных границ не приводят к формированию низкочастотной аномалии магнитных потерь за цикл перемагничи-вания. Аномалия существенно уменьшается со снижением магни-тоупругой энергии и объема, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ. Частичная поверхностная кристаллизация сплава, возрастание объема доменов с ортогональной намагниченностью способствуют усилению аномалии частотной зависимости магнитных потерь за цикл.
Проанализировано влияние внедрения элементов различных химически активных сред (наводороживание и оксидирование, поверхности, нанесение электроизоляционных покрытий, атмосфера отжига) в поверхность лент аморфных магнитомягких сплавов на распределение намагниченности и изменение магнитных свойств. Выявлен механизм влияния электроизоляционных покрытий разной морфологии на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов.
Показано, что вариация длительности изотермической выдержки при постоянной температуре во время термообработки приводит к соответствующей вариации толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя. Для получения высоких магнитных свойств в результате термической обработки и повышения их временной стабильности необходимо формирование аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины (например, для сплава Бе-Б-БьС толщиной 25 мкм глубина такого слоя составляет 30-50 нм).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНА ЧИМОСТЬ.
- Предложен и запатентован способ получения аморфной ленты с электроизоляционным покрытием, свойства которой не хуже ленты без ЭИП, прошедшей термообработку по оптимальному режиму. Этот способ состоит в совмещении формирования ЭИП с термомагнитной обработкой лент аморфных сплавов.
- Показано, что при локальной лазерной обработке лент аморфных магнитомягких сплавов в области прохождения лазерного луча имеет место частичная кристаллизация аморфного сплава, которая влияет на индуцируемые напряжения и. соответственно, на распределение намагниченности и процессы намагничивания и перемаг-
перем.н иичивания. Наибольшим эффект улучшения магнитных
свойств ленты достигается при совместном применении лазерной и термомаг ни шой обработок.
- Выявлены физические причины влияния химически активных сред (воды, ацетона, электроизоляционных покрытий, атмосферы отжига, электролитического наводороживания и оксидирования-поверхности) на магнитные свойства лент аморфных магнитомяг-кич сплавов. Псевдоодноосные растягивающие напряжения индуцируются за счет анизотропного внедрения элементов этих сред из-за анизотропии распределения намагниченности в исходном состоянии ленты.
- Установлено, что для получения высокого уровня магнитных свойств в результате термической обработки необходимо формирование поверхностного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Результаты исследований, составляющие основу диссертации, представлялись на следующих конференциях и семинарах:
- V Всесоюзная конференция «Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение» (Ростов Великий, 23-27 сентября 1991 г.);
- III межгосударственный семинар «Структурно-морфологичес-кие основы .модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 14-16 июня 1995 г.):
- Soft Magnetic Materials Conference (Cracov, 12-14 September, 1995):
- Российский семинар «Структурная наследственность в процессах сверхбыстрой закалки расплавов» (Ижевск, 26-28 сентября 1995 г.);
- Шестое международное совещание «Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение» (Боровичи. 19-20 сентября 1996 г.);
- 9th International conference on Rapidly quenched and metastable materials (Bratislava, August 25-30,1996);
-Soft Magnetic Materials 13 Conference (Grenoble, 24-26 September, 1997);
- Soft Magnetic Materials 14 Conference (Balatonfured, Hungary, September 8-10Л999);
- V межгосударственный семинар «Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 14-16 июня 1999 г.);
- IX Между народный семинар «Дислокационная структура и механиче-
ские свойства мета.нов и сплавов. Актуальные проблемы нанокристалличе-ских материалов: Наука и технология» (Екатеринбург. 18-22 марта 2002 г.). ПУБЛИКАЦИИ РАБОТЫ:
По результатам проведенных исследований опубликовано 13 на-ученых статей, 28 тезисов докладов, получен I патент на изобретение.
СТРУКТУРА. ДИССЕРТАЦИИ:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитированной литературы. Работа содержит 167 страниц, включая 62 рисунка и 33 таблицы. В списке литературы приведено 187 наименований.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы её цель и основные задачи, научная новизна и практическая значимость исследования, указаны результаты, выносимые на защиту.
Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены некоторые вопросы, касающиеся получения и структуры аморфных сплавов, их физических свойств. Рассмотрены методы улучшения магнитных свойств: термические и термомагнитные обработки, локальная лазерная обработка, нанесение электроизоляционных покрытий, электролитическое наводороживание поверхностного слоя ленты. Особое место в данной главе уделено механизмам удельных магнитных потерь и их зависимости от инд\кции и частоты. На основе представленной информации поставлены задачи исследования.
Во второй главе описаны исследуемые образцы, их состав, состояние, размеры, а также применяемые обработки и методики измерений магнитных свойств, погрешности измеряемых характеристик. Приводится оригинальная1 методика оценочного расчета распределения намагниченности в лентах аморфных магнитомяг-ких сплавов на основе совместных исследований Мессбауэров-ских спектров и магнитных свойств образцов эги\ сплавов. Получена корреляционная зависимость максимальной остаточной ИНДУКЦИИ (В„) и объема доменов с ортогональной намагниченностью
(рис. la). Поскольку в нашем сл>чае наиболее сильным фа к юром является магнитостатчеекая энергия, распределение наматичен-
ности в ленте связывали с осями симметрии, определяемыми геометрией образцов. V: - V. =100%. где V, - относительный объем доменов с планарной намагниченностью. В свою очередь. V; - Vnin+Vq,,, где Vl80 и Vo„ - относительные объемы образца с намагниченностью вдоль и поперек оси ленты в ее плоскости, а V, ¡=(100- V_._)%. Зависимость остаточной индукции, измеренной по частным петлям гистерезиса, от максимальной индукции позволяет
Рис.1, (а) - корреляционная зависимость В„ от объема доменов с намагниченностью, перпендикулярной плоскости ленты (б) -типичная зависимость остаточной индукции от максимальной для образцов магнитомягких аморфных сплавов.
определить распределение намагниченности в плоскости ленты. Эта зависимость, как правило, имеет вид кривой с насыщением (рис. 16). Участок насыщения определяет значение Brs и соответствует безгистерезисным процессам вращения намагниченности. Линейный участок от 0 до Bri8ü соответствует процессам смещения слабо стабилизированных 180-градусных доменных границ. Граничное значение этого участка ВГ|80 позволяет определить У|Н1)= Brl80/Br<, . V j |. Отклонение зависимости ВГ(В,„) от линейной на участке от Br|go До Brs характеризуется преобладающим смещением сильно стабилизированных 90-градусных доменных границ. Значе-
V ---- У i
02 0.05- / 1 ¡ 2 I 3
Q0;...... ^'ГГТг^ОДЖ' -'.......—.
о 10 2) 33 « s> ю 70 80 so ico 0,0 0,2 0.4 0.6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
V,% Вт.Тл
ние V90= V|| - Vlg0[12].
В третьей главе представлены результаты исследования влияния различных воздействий на состояние поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов и их магнитные свойства.
Исследование влияния термообработки показало, что наилучший уровень магнитных свойств ленты достигается при формировании поверхностного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины Вследствие локальной кристаллизации поверхности такой слой индуцирует в ленте преимущественно плоские растягивающие напряжения и уменьшает объем доменов с ортогональной намаг ниченностью.
На рис.2 для образцов сплава Ре-В-БьС толщиной 25 мкм показана зависимость максимальной магнитной проницаемости от толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя. Толщину слоя варьировали длительностью изотермической выдержки при 380 оС и контролировали с помощью рентгеновских исследований в параллельных скользящих лучах [II]. Видно, что в этом случае оптимальная толщина аморфно-кристаллического слоя составляет 30-50 нм.
Локальная лазерная обработка (ЛЛО) создает на поверхности ленты в зонах термического воздействия луча магнитоструктурные барьеры, приводящие к индуцированию продольных растягивающих напряжений между зонами термического воздействия. Это вызывает дробление доменной структуры, и соответствующее уменьшению динамической составляющей удельных магнитных потерь. Проведенные исследования подтвердили наличие оптимального уровня энерговклада при ЛЛО, приводящего к наиболее сильному снижению удельных магнитных потерь. Более низкий уровень энерговклада не позволяет получить напряжения, достато-
юсгачочные для соиания оптимальном доменной структуры и соошетсгвующего снижения \ш1нигных потерь. В случае более высоких значений плотности облучения, как показали результат
наших исследований, повышается объем доменов с ортогональной намт ниченностью. Эю приводит к усилению стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью и увеличению магнитных потнрь. Результаты исследования влияния ЛЛО оптимальной плотности облучения и последующих термической и термомагнитной обработок на магнитные свойства и распределение намагниченности образцов аморфного сплава Ре-В-ЯьС представлены в Табл. 1. Для сравнения приведены магнитные свойства образцов исследуемого сплава после ТО и ТМО.
Таблица 1.
Состояние i 1 то ЛЛО+ТО TMOr ЛЛО+ТМО| .
: ц n.x.10-3 45 74 276 267
Ht. А/ч 4,6 4,4 1.5 1.7
i i ! = : с P 4,2 3,2 3.1 2,87
Pr 0.95 1,4 0,62 0,85
1 i P 1 ЛИН 3,2 1,8 2,46 2,02
v±, % 21 12 2 7
i V||.% 79 88 98 93
1 vlft0. % 73 73 98 83
V «/i. | v 40. /0 6 15 0 10
Видно, что эффект ЛЛО не снимается проведением термообработки, как это имеет место в кристаллических материалах. Рентгеновские исследования показали, что на дифрактофамме в области лазерной дорожки на фоне аморфного гало появляется пик a-Fe, соответствующий локальной частичной кристаллизации сплава. Анализ результатов также показал, что термомагнитная обработка, проводимая после ЛЛО лент аморфного сплава в закаленном состоянии, также как и облучение ленты, прошедшей термомагнитную обработку, позволяет получить наиболее низкие значения удельных магнитных потерь.
Влияние среды отжига на магнитные свойства магнитомягких быстрозакаленных сплавов исследовали на примере аморфною сплава Ре-В-51-С. Образцы отжшали на воиухе И В вакууме при 380 °С с длительностью изотермической выдержки 10 мин, скорость охлаждения составляла ~10 К/мин. В Табл.2 приведены магнитные свойства и распределение намагниченности для образцов аморфного сплава Ре-В-БьС после отжига на воздухе и вакууме.
Таблица 2.
Состояние Цтах Р|0 4«ь Вт/кг V,, % VI;, % ^180. % %
Р Рг Р 1 ЛИН
ТО на воздухе 64000 1,48 0,64 0,84 14 86 62 24
ТО в вакууме 92000 2,28 0,59 1,69 8 92 71 21
Из таблицы 2 видно, что термообработка в вакууме позволяет получить лучшие статические свойства за счет меньшей степени стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью вследствие меньшего относительного объема доменов с ортогональной намагниченностью. Однако удельные магнитные потери после ТО на воздухе существенно ниже. Меньшие значения удельных магнитных потерь обусловлены в этом случае вдвое меньшими значениями их динамической составляющей. Эффект снижения динамической составляющей магнитных потерь после ТО на воздухе может быть связан с дроблением доменной структуры из-за псевдоодноосного растяжения вдоль оси ленты. Такое растяжение, в свою очередь, может быть следствием анизотропного оксидирования и наводороживания поверхности ленты из-за взаимодействия во время отжига с находящимися в атмосфере водяными парами. При ТО эффект анизотропии формы существенно ослабляется и на распределение намагниченности в ленте основное влияние оказывают внутренние напряжения, индуцированные в результате закалки в процессе изготовления ленты. Известно, что наибольшее растяжение в плоскости ленты имеет место в направлении, перпендикулярном ее оси, следовательно, в этом направлении и будет ориентирована результирующая намагниченность. При внедрении в поверхность ленты водорода и кислорода их избыточная концентра-
пня создается в направлении, перпепдиьлляриоч результирующей намагниченности [111], i.e. вдоль оси ленты. После охлаждения в угом направлении аморфная матрица испытывает псевдодноосное
растяжение.
С целью проверки выдвинутой гипотезы образцы подвергали электролитическому наводороживанию и оксидированию. В таблице 3 показано влияние электролитического наводороживания и оксидирования поверхности на распределение намагниченности и максимальную магнитную проницаемость предварительно отожженных при 3800С на воздухе с длительностью выдержки 2 мин образцов аморфного сплава Fe-B-Si-C.
Таблица 3.
Состояние V,, % V||,% V|so, % V4I„ % Mnm
исходное 14.5 85.5 72 13.5 23000
после наводороживания 16 84 64 20 20000.
исходное 14 86 71 15 28000
после оксидирования 9,5 90.5 52 38.5 38000
Видно, что после наводороживания объем доменов с ортогональной намагниченностью существенно не изменяется, в то время как оксидирование приводит к его снижению. Это обусловлено действием плоских растягивающих напряжений, индуцируемых в аморфной матрице поверхностным слоем ленты из-за сравнительно большего (относительно водорода) эффективного диаметра атомов кислорода и меньшей глубиной его проникновения. С этим связано, в основном, и увеличение максимальной магнитной проницаемости (на 36%). В результате наводороживания и оксидирования поверхностного слоя ленты имеет место перераспределение намагниченности в ее плоскости: возрастает объем доменов с намагниченностью, ориентированной поперек оси ленты. Такая переориентация намагниченности может быть следствием псевдоодноосного плоского растяжения в этом направлении из-за анизотропного внедрения водорода и кислорода в поверхностный слой ленты. Поскольку электролитическое оксидирование и наводороживание происходит при комнатной температуре, а результирующая намагниченность в этом случае ориентирована вдоль оси ленты, избыточная концентрация элементов внедрения образуется в плоскости
ленты поперек ее оси. Этими причинами и обусловлено уменьшение (на 13 %) максимальной магнитной проницаемости и увеличение удельных магнитных потерь (например, значение изменилось от 0,82 Вт/кг до 1.70 В г/кг) при наводороживании образцов.
Электроизоляционные покрытия (ЭИП), наносимые на поверхность листовых электротехнических материалов также являются химически активными средами. Для понимания механизма воздействия ЭИП на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов необходимо глубокое и полное изучение формирования адгезии покрытия к металлу. На поверхность лент аморфных сплавов Ре-В-БьС и Ре-Со-БьВ (с одинаковой магнитострикцией) методом растворной керамики наносили аморфное (состава 2пО-и кристаллическое (состава ЭИП. при
одностороннем нанесении ЭИП на образцы по стреле прогиба исследовали величину и знак напряжений, создаваемых этими покрытиями. Установили, что аморфное покрытие создает слабые растягивающие напряжения, в то время как кристаллическое ЭИП в плоскости ленты индуцирует сжимающие напряжения величиной -20 Н/мм\ Формирование адгезии в случае аморфного ЭИП происходит в один этап уже при температуре сушки. А в случае кристаллического ЭИП его формирование происходит в два этапа: при температуре сушки удаляется свободная вода, а при более высоких температурах формирования происходит удаление связанной воды. Исследуемые покрытия отличаются и по химическому взаимодействию с поверхностью ленты. При нанесении аморфного покрытия возможно замещение алюминием кремния, содержащегося на поверхности исследуемых аморфных сплавов. Внедрение атомов алюминия или замещение атомов кремния приводит к возникновению растягивающих напряжений, поскольку эффективный диаметр атомов алюминия больше эффективного диаметра атомов кремния [IV. V]. В случае кристаллического ЭИП индуцированию сжимающих напряжений в аморфной магнитной матрице способствует уменьшение расстояния между атомами в поверхностном слое ленты из-за его обеднения атомами железа и возможного внедрения атомов цинка, эффективный диаметр которых несколько меньше эффективного диаметра атомов железа. Кроме того, уменьшение объема покрытия вследствие удаления связанной воды и его локальная кристаллизация также способствуют возникновению пре-
имущественно плоских сжимающих напряжений.
Для выявления физических причин индуцирования ЭИП анизотропных напряжений исследовали модельные образцы с известным распределением намагниченности и низким уровнем внутренних закалочных напряжений: образцы аморфного сплава [:е-В-81-С, предварительно прошедшие термомагнитную обработку в продольном и поперечном поле. Изменение магнитных свойств исследуемых образцов после контрольного отжига (без ЭИП) и в результате формирования ЭИП представлено в таблице. 4.
________Таблица 4.
Видно, что удельные магнитные потери и потери на гистерезис увеличиваются после нанесения ЭИП для образцов, предварительно прошедших ТМО как в продольном, так и поперечном поле. Но наиболее сильное возрастание гистерезисной составляющей наблюдается для образцов с ЭИП, сформированным после Динамическая составляющая удельных магнитных потерь в результате формирования ЭИП а) после ТМО| | не изменяется, б) после ТМОх - уменьшается. Разной оказывается и степень снижения формирование ЭИП после предварительной приводит
к уменьшению ихпах на 70%, а после ТМСЬ - ишь на 20%. Сами же значения umax образцов с ЭИП, сформированным после ТМСЬ выше, а динамическая составляющая.магнитных потерь - ниже. Таким образом, анизотропия распределения намагниченности в
плоскости, со манная термомагнитной обработкой перел нанесением ЭИП. приво ал к разному хараыеру влияния ЭИП на магнитные свойства лен г аморфных магниюмягкич сплавов Слелова-тельно, покрытие создает псевдоолноосные растягивающие напряжения, направление которых связано с распределением намагни-
ценности в исходном состоянии Создание таких напряжений удовлетворительно объясняется анизотропным внедрением элементов покрытия в поверхность ленты: создается их избыточная концентрация в направлении, перпендикулярном результирующей намагниченности После охлаждения ленты с ЭИП в направлении избыточной концентрации элементов внедрения создается псевдоодноосное растяжение матрицы, которое приводит к переориентации намагниченности. Таким образом, улучшение магнитных свойств при формировании ЭИП на образцах предварительно прошедших объясняется индуцированием напряжений вдоль оси ленты, что приводит к увеличению объема доменов с намагниченностью, ориентированной вдоль продольной оси ленты и дроблению доменной структуры При нанесении ЭИП объем доменов с намагниченностью, перпендикулярной плоскости увеличивается вследствие создания сжимающих напряжений над воздушными «карманами» на поверхности ленты В настоящей работе предложен способ формирования ЭИП в присутствии продольного магнитного поля
Этот способ позволяет получить аморфную ленту с покрытием, свойства которой близки к свойствам ленты после отжига по оптимальному режиму (см Табл.5).
Таблица 5.
Характеристики ТО ЭИГЬТМОи
МпИ\ 70 ООО 97 ООО
Н.. А/м 3,2 3,0
в/вт 0,74 0,73
Р< д, 400. Вт/кг 4,1 3,8
ПО 41Л). Вт/кг 1,85 1,53
В чешерюй г лиГ'.с подробно рассмл риваючся факторы, влияющие на появление аномального повышения магнитных потерь ¡а цикл перемагничивания при низкий часто1а\: анализируются физические причины возникновения такого вида зависимости.
Из рис.За видно, чго для образца аморфного сплава Ре-В-5|-С. прошедшего ТМОц. аномалия исследуемого вида отсутствует во всем исследуемом интервале индукций. Следовательно, процессы смещения 180°-ных доменных границ не приводят к формированию аномалии. Для образцов, предварительно прошедших ТМСК. во интервале индукций вплоть до 1,6 Тл значения остаточной индукции, измеренной по частным петлям гистерезиса, достаточно низки (0,04 - 0,08 Тл) и практически не зависят от максимальной индукции. Следовательно, перемагничивание образцов в этом случае осуществляется, в основном, с помощью обратимого вращения намагниченности. Частотная зависимость магнитных потер за
<Щ1Н Ю' ДжЛм П I]
¡ГШ 10\ ДжЛкг г.1>
О <00 ™ 11100 0 <00 н«0
/Ги
Рис.3. Частотная зависимость магнитных потерь за щкл для образцов аморфного слава Бе-В-БьС (а) - после термомагнитной обработки в продольном поле; (б) - в поперечном поле: (в) - в закаленном состоянии.
намагниченности. Частотная ?ависимос!ь магнитных потерь за цикл перемагничивания для таких образцов представлена на рис.36. Видно, что аномалия не является ярко выраженной: глубина минимума Драм/Рщш невелика и не превышает 6 % при индукции 1.5 Тл. Следовательно, процессы вращения намагниченности не приводят к формированию низкочастотной аномалии магнитных потерь. На рис. 3В показана частотная зависимость магнитных потерь за цикл перемагничивания для образцов исследуемого сплава в закаленном состоянии. Видно, что аномальное повышение магнитных потерь при частотах 20 - 40 Гц появляется при индукции выше 0.4 Тл и усиливается с ростом индукции. Исследование зависимости Br(Bm) показало, что именно в этом интервале индукций в процессе перемагничивания преобладающим является смещение 90-градусных доменных границ.
Таким образом, процессы смещения 90°-ных доменных границ играют определяющую роль в процессе формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь. Уменьшение магнитоупругой энергии, обусловленное снятием внутренних напряжений в результате термообработки, приводит к перераспределению намагниченности в ленте и снижению аномалии магнитных потерь при низких частотах. На распределение намагниченности и степень стабилизации доменных границ в лентах аморфных магнитомягких сплавов оказывают влияние также и стрчктурные факторы (частичная поверхностная и объемная кристаллизация, локальная лазерная обработки и т.п.). Например, после ТО при 430°С, приводящей к объемной частичной кристаллизации сплава, в интервале частот 20 -40 Гц происходит существенное повышение удельных магнитных потерь за цикл перемагничивания. ЛЛО образцов, предварительно прошедших термообработку при 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 минут, при достаточно высоких индукциях (выше 1.25 Тл) вызывает появление исследуемого вида аномалии магнитных потерь. Этот факт связан с тем. что в области частот, где проявляются релаксационные процессы, дополнительное закрепление доменных границ структурными барьерами существенно увеличивает скорость их скачкообразного движения и приводит к возрастанию магнитных потерь.
Результаты более подробного (с шагом 1-2 Гц) исследования час-
частотной зависимое!и магнитных гклерь ¡а никл перемагничива-ния для образцов нанокристаллического сплава Ре-Си-КЬ^-В после термообработки в вак\\ме показаны на рис 4 Видно что частотная зависимость магнитных потерь за цикл перемагничивания имеет вид резонансной кривой При частотах 20 - 40 Гц обнаружен
пик тглощения, характерный для той области магнитной индукции, которая достигается благодаря преобладающему влиянию смещения 90 - градчсных доменных границ в процессе перемагничивания. Наблюдаемый пик поглощения имеет сложную мульти-плетную структуру. Его возникновение также находит удовлетворительное объяснение в рамках теории направленного упорядочения и релаксации осей пар немагнитных атомов.
Электролитическое оксидирование и новодороживание ленты приводит к формированию дв\х серий пиков водородной и кисло родной групп в области более высоких частот (40-90 Гц).
3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Разработзн экспресс-мегод определения распределения намагниченности в лентах аморфных магнитомягких сплавов на основе полученной с помощью Мессбауэровской спектроскопии зависимости максимального значения остаточной индукции от объема доменов с ортогональной намагниченностью и зависимости остаточной индукции, измеренной по частным петлям гистерезиса, от максимальной.
2. Исследование взаимосвязи ма1 нитных свойств с сосюянием поверхности образцов аморфных магнитомягких сплавов, подвергнутых различным воздействиям, показало, что:
-для получения высокого чровня магнитных свойств в результате термической обработки необходимо формирование поверхностного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины. Например, для сплава БеИБЮ толщиной 25 мкм глубина такого слоя составляет 30-50 нм.
- частичная кристаллизация сплава в области лазерной дорожки при локальной лазерной обработке сплава влияет на индуцируемые напряжения, которые определяют вид доменной структуры, оказывают воздействие на распределение намагниченности в ленте и процессы намагничивания и перемагничивания. Наибольший эффект улучшения магнитных свойств ленты достигается при совместном применении лазерной и термомагнитной обработок.
- электролитическое наводороживание и оксидирование поверхности ленты оказывает влияние на распределение намагниченности в ленте за счет создания псевдоодноосного растяжения. Такое растяжение может быть связано с анизотропным внедрением водорода и кислорода в поверхностный слой ленты из-за анизотропии распределения намагниченности в исходном состоянии.
- при температуре отжига атмосфера является химически активной средой по отношению к лентам аморфных магнитомягких сплавов. Взаимодействие поверхности ленты с находящимися в воздухе водяными парами способствует индуцированию плоского псевдоодноосного растяжения из-за соответствующего анизотропного оксидирования и наводороживания ее поверхности.
3. Исследование неорганических электроизоляционных покрытий различных химсоставов и морфологии (аморфных и кристаллических) показало, что имеет место химическое взаимодействие электроизоляционных покрытий с поверхностью лент исследуемых сплавов. Знак индуцируемых покрытием напряжений зависит от типа этого взаимодействия: внедрение элементов покрытия в поверхностный слой ленты приводит к растяжению поверхности, а замещение более крупных элементов мелкими (с меньшим значением эффективного радиуса атома)- к возникновению плоских сжимающих напряжений. Дополнительным источником индуцирования плоских сжимающих напряжений в ленге является локальная
частичная кристаллизация покрытия. Влияние покрытия на распределение намагниченноеm и магнитные свойства ленты зависит от распределения намагниченности в исходном состоянии и обусловлено анизотропным внедрением элементов покрытия, генерирующим псевдоодиоосные напряжения в ленте.
4. Выявление физических причин влияния электроизоляционных покрытий на свойства аморфных магнитомягких сплавов позволило разработать и запатентовать способ получения ленты с электроизоляционным покрытием, обладающей высоким уровнем магнитных свойств, который заключается в формировании ЭИП одновременно с термомагнитной обработкой, в результате чего существенно снижается объем доменов с ортогональной намагниченностью.
5. Исследование лент аморфных магнитомягких сплавов с разным структурным состоянием, уровнем магнитоупругой энергии, распределением намагниченности в ленте позволило выявить основные физические причины формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь за цикл перемагничивания:
- наблюдаемое аномальное повышение магнитных потерь за цикл перемагничивания в области низких частот имеет вид резонансной кривой. Пик, наблюдаемый при частотах 20-40 Гц. формируется при участии 90-градусных доменных границ в процессе перемаг-ничивания, имеет сложную мультиплетную структуру и удовлетворительно объясняется релаксацией в процессе перемагничивания осей разных типов пар элементов (например, Si-B. С-В. В-В и т.п.).
- оксидирование и наводороживание поверхности ленты приводит к формированию в области более высоких частот (40-90 Гц) двух серий пиков водородной и кислородной групп, формирование которых может быть обусловлено релаксацией в процессе перемаг-
пар элементов:
Н-С, Н-В, Н-Н).
- процессы вращения намагниченности и смещения 180-градусных доменных границ не приводят к формированию аномалии.
- аномалия магнитных потерь существенно снижается с уменьшением магнитоупругой энергии и объема, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ.
- процессы, приводящие к усилению неоднородного скачкооб-
разного движения доменных границ (частичная поверхностная кристаллизация сплава, возрастание магнитоупругой энержн и объема доменов с ортогональной намагниченностью и т.п ). способствуют усилению аномалии частотной зависимости магнитных потерь за цикл.
4. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Скулкина Н.А.. Горланова М.А.. Широкова Е.А., Иванов О.А., Ханжина Т.А. Влияние электроизоляционных покрытий на магнитные свойства и удельные магнитные потери аморфного сплава Fe81B13Si4C2 // Изв. ВУЗов «Черная металл>ргия».-1993.-.№1.-С.58-62.
2.Скулкина Н.А., Горланова М.А., Иванов О.А., Широкова Е.А., Ханжина Т.А. Влияние электроизоляционного покрытия и термомагнитных обработок на магнитные свойства аморфного сплава Fe-B-S-C // ФММ.-1995.-Т79, вып.5.-С.38-46.
3. Скулкина Н.А., Горланова М.А.. Иванов О.А., Попова И.А., Цветкова Л.Е., Степанова Е.А.. Смышляев А.С., Маркин П.Е. Влияние лазерной обработки на магнитные свойства аморфного сплава Fe-B-Si-C7/ ФММ.-1997.-Т.83, вып.5.-С. 54-63.
4. Ск\лкина Н.А., Иванов О.А., Степанова Е.А., Глоюва Л.С. Це-пелев B.C. Влияние термических обработок на структуру и магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов// ФММ.-1998.-Т.86, ВЫП.2.-С 54-60.
5. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А. Аномалия частотной зависимости магнитных потерь. I. Влияние характера процессов намагничивания и распределения намагниченности на формирование аномалии // ФММ.-1998.-Т.86. вып.5.-С. 48-54.
6. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А. Аномалия частотной зависимости магнитных потерь. 11. Влияние структурных факторов и стабилизации доменных границ на формирование аномалии // ФММ.-1998.-Т.86, ВЫП.5.-С. 55-63.
7. Skulkma N.A., Stepanova E.A.. Gorlanova M.A., Ivanov O.A., Khanzhina Т.А. Mechanisms of influence of electroinsulation coatings on magnetic properties of amorphous soft magnetic alloys/ J. Phys. IV РгапсеЛ 998.-N 8.- P. 2-67 - 2-70.
8. Скулкина H.A.. Степанова Ь.Л.. Иванов С)Л.. Назарова JI.A. Формирование аномалии частотой зависимости магнитных по-Iерь// ФММ.-2000.-Т.90. выи.1 .-С.51-56.
9. Скулкина H.A., Степанова Е.А.. Иванов O.A.. Назарова Л.А. Влияние химически активной среды на магнитные свойства быст-розакаленных сплавов на основе железа 1. Среда отжига и магнитные свойства лент аморфных магнитомягкич сплавов//ФММ,-2001.-Т.91, вып. 1.-С. 17-23.
10. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.Л., Ханжина Т.А., Назарова Л.А.. Влияние химически активной среды на магнитные свойства быстро закаленных сплавов на основе железа II. Морфология электроизоляционных покрытий и магнитные свойства лент аморфных чагнитомягких сплавов. //ФММ.-2001.-Т.91, вып.2,-С.26-32.
11. Skulkina N.A., Stepanova E.A., Ivanov O.A., Nazarova L.A.. The anomaly of frequency dependence of magnetic losses for rapidly quenched alloys// JMMM.-2000 -№215-216.-P.331-333.
12. Скулкина Н.А., Иванов О.А., Степанова Е.А. Оценочный расчет распределения намагниченности в лентах аморфных магнитомяг-ких сплавов. // Изв. АН. сер. физ.-2001.-Т.65, Х«10.-С.1483-1486.
13. Степанова Е.А., Скулкина Н.А.. Иванов О.А., Скрябина Н.Е., Цикарева О. В. Влияние водорода и кислорода на распределение намагниченности и магнитные свойства аморфных и нанокристал-лических сплавов// Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов: Тез.докл. ( Екатеринбург, 2002).
14. Ханжина Т.А., Скулкина Н.А., Широкова Е.А., Катаев В.А.. Бамбуров В.Г. «Способ получения электроизоляционного покрытия на лентах аморфных сплавов» Заявка № 9402746 от 19.07.94. Решение о выдаче патента от 24.08.95.. МКИЗ С23С 22/07. 22/23; C23D 5/00, 5/02.
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙЛИТЕРА ТУРЫ:
I. Скхлкина Н.А., Горланова М.А.,. Иванов О.А., Катаев В.А. Аномалия магнитных потерь аморфного сплава Fe-B-Si-C // Физ. мет. и металловед.-1991.-№8.-С. 132-139.
II. Иванова Е.В.. Якимов И.И., Скулкина Н.А.. Катаев В.А Контроль кристаллизации аморфных ленте помощью модифицированного метода рентгеновской дифракции / Шестое Всероссийское со-
26 июня 1992 г.) Ирклтск. 1992. С. 64-65.
»16560
кутск.
III. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое мегал.юведение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. -М.: Металлургия, 1989. - 496 с.
IV. Пенкаля Т. Очерки кристаллохимии.-Л.:Химия, 1974. -496 с.
V. Штин А.П., Фотиев А.А.. Галактионов А.Д., Ходос М.Я. Физико-химические свойства щелочных алюмофосфатных стекол //Физика и химия стекла, т. 2. № 1. 1976, с.80-88.
Частичная финансовая поддержка исследований осуществлена фондом «The U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF)», грант №.REC-005.
Подписано в печать 03.09.04. Формат 60x84 1/16 Бумага типографская. Объём 1,2 п.л. Тираж 100. Заказ № г. Екатеринбург, К-83, пр. Ленина, 51. Типолаборатория УрГУ.
Используемые сокращения и обозначения
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Аморфные магнитомягкие сплавы
1.1.1. Получение, структура и физические свойства аморфных магнитомягких сплавов
1.1.2. Доменная структура аморфных ферромагнитных сплавов
1.1.3. Магнитное последействие и диффузия в аморфных ферромагнитных сплавах
1.2. Влияние различных обработок на магнитные свойства и состояние поверхности лент аморфных магнитомягких материалов
1.2.1. Влияние термических обработок и состояния поверхности лент на свойства аморфных магнитомягких сплавов.
1.2.2. Локальная лазерная обработка.
1.2.3. Наводороживание аморфных сплавов. 22 1.2.4 Влияние электроизоляционных покрытий на магнитные свойства магнитомягких 26 материалов.
1.2.4.1. Влияние электроизоляционных покрытий на магнитные свойства электротехнических сталей.
1.2.4.2.Влияние электроизоляционных покрытий на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов. 1.3. Удельные магнитные потери и их зависимость от индукции и частоты.
1.3.1. Классические представления о магнитных потерях.
1.3.2. Аномалия удельных магнитных потерь в магнитомягких сплавах. 41 ^ 1.4 Постановка задачи.
2. Образцы и методики исследований.
2.1. Исследуемые образцы.
2.2. Электролитический метод наводороживания поверхности сплавов.
2.3. Методики измерений магнитных свойств.
2.3.1. Абсолютный ваттметровый метод измерения удельных магнитных потерь.
2.3.2. Индукционно-импульсный метод измерения коммутационных кривых намагничивания.
2.3.3. Тензометрический метод измерения магнитострикции.
2.4. Оценочный расчет распределения намагниченности (магнитных фаз) в лентах аморфных сплавов.
3. Исследование влияния состояния поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов на их магнитные свойства.
3.1. Частичная кристаллизация поверхности лент аморфных сплавов и магнитные свойства.
3.2. Влияние локального лазерного облучения на магнитные свойства аморфных сплавов.
3.3. Влияние химически активных сред на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов.
3.3.1.Влияние атмосферы отжига на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов.
3.3.2. Влияние воды и ацетона на магнитные свойства аморфных сплавов.
3.3.3. Электролитическое наводороживание и оксидирование поверхности лент аморфных сплавов.
3.3.4. Влияние электроизоляционных покрытий на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов на основе железа.
3.3.4.1. Формирование адгезии.
3.3.4.2. Влияние неорганических аморфных электроизоляционных покрытий на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов.
3.3.4.3. Морфология ЭИП и магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов.
3.3.4.4. Влияние органических покрытий на магнитные свойства аморфных 114 магнитомягких сплавов на основе железа.
4. Частотная зависимость магнитных потерь аморфных магнитомягких сплавов.
4. 1. Процессы и факторы, влияющие на вид частотной зависимости магнитных потерь.
4.1.1. Тип доменных границ, участвующих в процессе перемагничивания.
4.1.2. Процессы вращения намагниченности.
4.1.3. Магнитоупругая энергия. 122 4.2. Структурные факторы и стабилизация доменных границ.
4.2.1. Частичная кристаллизация аморфных сплавов.
4.2.2. Локальная лазерная обработка аморфных сплавов.
4.2.3. Электроизоляционные покрытия. 131 Щ 4.3. Физические причины формирования аномалии магнитных потерь.
4.4. Влияние химически активной среды на частотную зависимость магнитных потерь.
4.4.1. Атмосфера отжига и зависимость магнитных потерь от частоты перемагничивания.
Щ 4.4.2. Взаимодействие поверхности ленты аморфного сплава с водой.
4.4.3. Электролитическое насыщение лент аморфных сплавов водородом и кислородом.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Аморфные и нанокристаллические сплавы, по сравнению с традиционными кристаллическими материалами, являются сравнительно новым классом магнитных материалов: их промышленное производство в России началось в 80-х годах 20 века. Аморфные магнитомягкие материалы представляют собой сплавы 7585 % одного или нескольких переходных металлов (Ре, Со, N1) и 15-20 % металлоида (В, С, 81, Р и др.). Первым и типичным представителем магнитомягких аморфных сплавов стал сплав РезоВго- Большое по сравнению с кристаллическими материалами содержание немагнитных элементов в аморфных магнитных сплавах (—20 ат.%) понижает индукцию насыщения этих материалов [2,5], но является необходимым условием для получения аморфного состояния.
Эти материалы вызывают большой интерес, поскольку могут обладать уникальными физическими (в том числе и магнитными) свойствами. Кроме того, способы получения аморфных металлических сплавов проще, по сравнению со способами получения кристаллических материалов. Вариации состава этих сплавов и применение различных обработок позволяет получить такое сочетание магнитных и электрических свойств, которое дает возможность на их основе создать магнитные материалы, имеющие широкие области использования в технике. Из этих материалов изготавливают и сердечники аппаратов постоянного тока, и магнитопроводы для преобразователей аппаратуры переменного тока в широком диапазоне частот перемагничивания (от 50 Гц до 200 кГц). Их используют в электромашинах и приборах, работающих как в области низких, так и в области высоких индукций, а также в магнитострикционных преобразователях, в качестве магнитных экранов и т.п. Поэтому изучение магнитных свойств быстрозакаленных магнитомягких материалов имеет определенный практический интерес. Но не менее интересно исследование магнитных свойств данного класса материалов и с научной точки зрения. Несмотря на то, что эти сравнительно новые материалы находят свое применение в технике, и их исследованию посвящено достаточно много работ, до недавнего времени объяснение изменений их магнитных свойств проводилось на основе представлений, характерных для традиционных кристаллических магнитомягких материалов (таких как, электротехническая сталь). В кристаллических материалах при формировании магнитных свойств преобладает роль энергии магнитной кристаллографической анизотропии. Сверхбыстрое охлаждение расплава при получении аморфных металлических сплавов приводит к подавлению кристаллографической анизотропии и позволяет выявить влияние других факторов, второстепенных для кристаллических материалов, (например, магнитоупругой энергии, энергии наведенной анизотропии и т.п.) на процессы намагничивания и перемагничивания, следовательно, и формирование магнитных свойств. Учет влияния таких факторов, как структурно-морфологические особенности, состояние поверхности ленты, высокая диффузионная активность атомов металлоида дает более широкие возможности изучения физических Ф механизмов, влияющих на процессы намагничивания и перемагничивания, следовательно, и на формирование магнитных свойств данного класса материалов. Необходимо выявить характерные именно для аморфных сплавов физические механизмы воздействия на их магнитные свойства различных химически активных сред (электроизоляционные покрытия различной морфологии, среда отжига, наводораживание и оксидирование поверхности), приводящих к модифицированию поверхностных слоев данных сплавов.
Еще одной важной физической проблемой является выявление механизмов, участвующих в возникновении потерь электромагнитной энергии, которое происходит при перемагничивании магнитомягких материалов. Магнитные потери - одна из важнейших технических магнитных характеристик магнитомягких материалов наряду с проницаемостью и магнитострикцией. Она определяет экономичность, надежность и долговечность магнитопроводов электротехнических устройств и оборудования, изготовленных из этих материалов, влияет на их конструкцию и режим работы. Известно несколько механизмов возникновения магнитных потерь, однако, в проводящих материалах определяющую роль играет эффект возникновения макро- и микровихревых токов. Для магнитомягких сплавов важно знание характера зависимости магнитных потерь от индукции и от частоты перемагничивания. Полагают, что потери на гистерезис зависят от частоты линейно, а динамическая часть потерь имеет квадратичный характер зависимости от частоты. Таким образом, теоретически рассчитанные динамические потери за цикл перемагничивания должны иметь линейную зависимость от частоты. Экспериментальная же зависимость является нелинейной, что объясняют наличием неоднородности смещения доменных границ, их изгибом и уменьшением ширины доменов в процессе перемагничивания материалов. Для аморфных сплавов было получено ранее неизвестное резкое увеличение магнитных потерь при низких частотах перемагничивания, которое нельзя объяснить только динамическим изгибом доменных границ и дроблением доменной структуры. В работе [138] на основе проведенных исследований этот вид аномалии авторы объясняют участием магнитного последействия в ее формировании: увеличение поля вязкости при низких частотах, обусловленного перескоком диффузионно подвижных атомов, приводит к возникновению коррелированных скачков Баркгаузена и аномальному повышению скорости движения доменных границ в скачке. Однако, вопрос, касающийся механизмов формирования аномалии магнитных потерь этого вида, не является до конца исследованным и окончательно решенным. Поэтому в настоящей работе одной из поставленных задач явилось исследование целого ряда факторов (например, таких как, характер процессов перемагничивания, величина магнитоупругой энергии, структурные изменения сплава и т.д.) для выявления физических причин возникновения низкочастотной аномалии магнитных потерь.
На основании вышеизложенного были выделены следующие ЦЕЛИ РАБОТЫ: - провести исследование магнитных свойств аморфных магнитомягких сплавов при применении различных воздействий на состояние поверхности лент этих сплавов;
- выявить физические причины возникновения аномалии магнитных потерь за цикл при низких частотах перемагничивания.
В соответствии с целью в работе поставлены следующие ЗАДА ЧИ: провести исследования влияния различных воздействий (термообработок (на воздухе и в вакууме), нанесения электроизоляционных покрытий различной морфологии, проведения локальной лазерной обработки, электролитического наводороживания и т.д.) на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов на основе железа; выявить механизм влияния электроизоляционных покрытий на магнитные свойства аморфных быстрозакаленных сплавов; проанализировать влияние различных факторов (вариация магнитоупругой энергии; частичная кристаллизация поверхности; изменение типа доменных границ, участвующих в процессах намагничивания; влияние различных химически активных сред и т.д.) на вид частотной зависимости удельных магнитных потерь, приведенных к единице индукции и частоты.
НА УЧНАЯ НОВИЗНА.
- На основе совместных исследований магнитных свойств и Мессбауэровских спектров был разработан экспресс-метод оценки распределения намагниченности (магнитных фаз) в объеме лент аморфных магнитомягких сплавов.
- Исследование лент аморфных магнитомягких сплавов с разным структурным состоянием, уровнем магнитоупругой энергии, распределением намагниченности в ленте позволило выявить основные физические причины формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь за цикл перемагничивания. Показано, что наблюдаемое аномальное повышение магнитных потерь за цикл перемагничивания в области низких частот может иметь вид резонансной кривой. Пик, наблюдаемый при частотах 20-40 Гц, формируется при участии 90-градусных доменных границ в процессе перемагничивания, имеет сложную мультиплетную структуру и удовлетворительно объясняется релаксацией в процессе перемагничивания осей разных типов пар элементов (например, Si-B, С-В, В-В и т.п.).
- Кроме того, установлено, что процессы вращения намагниченности и смещения 180-градусных доменных границ не приводят к формированию низкочастотной аномалии магнитных потерь за цикл перемагничивания. Данная аномалия существенно снижается с уменьшением магнитоупругой энергии и объема, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ (частичная поверхностная кристаллизация сплава, возрастание объема доменов с ортогональной намагниченностью) способствуют усилению аномалии частотной зависимости магнитных потерь за цикл.
- Проанализировано влияние внедрения элементов различных химически активных сред (наводороживание и оксидирование поверхности, нанесение электроизоляционных покрытий, атмосфера отжига) в поверхность лент аморфных магнитомягких сплавов на распределение намагниченности и изменение магнитных свойств. Выявлен механизм влияния электроизоляционных покрытий разной морфологии на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов.
- Показано, что термические обработки различной длительности приводят к вариации толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя. Для получения высоких магнитных свойств в результате термической обработки необходимо формирование такого слоя оптимальной толщины (например, для сплава Fe-B-Si-C толщиной 25 мкм глубина такого слоя составляет 30-50 нм).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНЛ ЧИМОСТЬ.
Предложен и запатентован способ получения аморфной ленты с электроизоляционным покрытием, позволяющий получить ленту с покрытием, свойства которой не хуже ленты без ЭИП, прошедшей отжиг по оптимальному режиму. Этот способ состоит в совмещении формирования ЭИП и термомагнитной обработки лент аморфных сплавов. Показано, что в области прохождения лазерного луча при локальной лазерной обработке лент аморфных магнитомягких сплавов происходит частичная кристаллизация аморфного сплава, которая влияет на индуцируемые напряжения и, соответственно, на распределение намагниченности и процессы перемагничивания. Наибольший эффект улучшения магнитных свойств ленты достигается при совместном применении лазерной и термомагнитной обработок.
Объяснено влияние химически активных сред (электроизоляционные покрытия, атмосфера отжига, электролитическое наводороживание и оксидирование поверхности, вода, ацетон) на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов за счет анизотропного внедрения элементов этих сред (из-за анизотропии распределения намагниченности в исходном состоянии), что будет приводить к созданию псевдоодноосных растягивающих напряжений и соответствующему перераспределению намагниченности.
Установлено, что для получения высокого уровня магнитных свойств в результате термической обработки необходимо формирование поверхностного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины.
АПРОБАЦИЯ РАБО ТЫ.
Результаты исследований, составляющие основу диссертации, представлялись на следующих конференциях и семинарах:
- V Всесоюзная конференция «Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение» (Ростов Великий, 23-27 сентября 1991 г.);
III межгосударственный семинар «Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 14-16 июня 1995 г.);
- Soft Magnetic Materials Conference (Cracov, 12-14 September, 1995);
Российский семинар «Структурная наследственность в процессах сверхбыстрой закалки расплавов» (Ижевск, 26-28 сентября 1995 г.);
Шестое международное совещание «Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение» (Боровичи, 19-20 сентября 1996 г.);
- 9th International conference on Rapidly quenched and metastable materials (Bratislava,
August 25-30,1996);
- Soft Magnetic Materials 13 Conference (Grenoble, 24-26 September, 1997);
Soft Magnetic Materials 14 Conference (Balatonfured, Hungary, September 8-10, 1999); V межгосударственный семинар «Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 14-16 июня 1999 г.); IX Международный семинар «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов. Актуальные проблемы нанокристаллических материалов: Наука и технология» (Екатеринбург, 18-22 марта 2002 г.).
ПУБЛИКАЦИИ РАБОТЫ.
По результатам проведенных исследований опубликовано 13 научных статей, 28 тезисов докладов в соавторстве, получен 1 патент на изобретение.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Разработана методика оценочного расчета распределения намагниченности в лен тах аморфных магнитомягких сплавов на основе полученной с помощью Мессбауэровской спектроскопии зависимости максимального значения остаточной индукции от объема доменов с ортогональной намагниченностью и зависимости остаточной индукции, измеренной по частным петлям гистерезиса, от максимальной. Исследование взаимосвязи магнитных свойств с состоянием поверхности образцов аморфных магнитомягких сплавов, подвергнутых различным воздействиям, показало, что:
- для получения высокого уровня магнитных свойств в результате термической обработки необходимо формирование поверхностного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины. Например, для сплава FeBSiC толщиной 25 мкм глубина такого слоя составляет 30-50 нм. частичная кристаллизация сплава в области лазерной дорожки при локальной лазерной обработке сплава влияет на индуцируемые напряжения, которые определяют вид доменной структуры, оказывают воздействие на распределение намагниченности в ленте и процессы намагничивания и перемагничивания. Наибольший эффект улучшения магнитных свойств ленты достигается при совместном применении лазерной и термомагнитной обработок. электролитическое наводороживание и оксидирование поверхности ленты оказывает влияние на распределение намагниченности в ленте за счет создания псевдоодноосного растяжения. Такое растяжение может быть связано с анизотропным внедрением водорода и кислорода в поверхностный слой ленты из-за анизотропии распределения намагниченности в исходном состоянии, при температуре отжига атмосфера является химически активной средой по отношению к лентам аморфных магнитомягких сплавов. Взаимодействие поверхности ленты с находящимися в воздухе водяными парами способствует индуцированию плоского псевдоодноосного растяжения из-за соответствующего анизотропного оксидирования и наводороживания ее поверхности.
Исследование неорганических электроизоляционных покрытий различных химсоставов и морфологии (аморфных и кристаллических) показало, что имеет место химическое взаимодействие электроизоляционных покрытий с поверхностью лент исследуемых сплавов. Знак индуцируемых покрытием напряжений зависит от типа этого взаимодействия: внедрение элементов покрытия в поверхностный слой ленты приводит к растяжению поверхности, а замещение более крупных элементов мелкими (с меньшим значением эффективного радиуса атома)- к возникновению плоских сжимающих напряжений. Дополнительным источником индуцирования плоских сжимающих напряжений в ленте является локальная частичная кристаллизация покрытия. Влияние покрытия на распределение намагниченности и магнитные свойства ленты зависит от распределения намагниченности в исходном состоянии и обусловлено анизотропным внедрением элементов покрытия, генерирующим псевдоодноосные напряжения в ленте.
Выявление физических причин влияния электроизоляционных покрытий на свойства аморфных магнитомягких сплавов позволило разработать и запатентовать способ получения ленты с электроизоляционным покрытием, обладающей высоким уровнем магнитных свойств, который заключается в формировании ЭИП одновременно с термомагнитной обработкой, в результате чего существенно снижается объем доменов с ортогональной намагниченностью.
Исследование лент аморфных магнитомягких сплавов с разным структурным состоянием, уровнем магнитоупругой энергии, распределением намагниченности в ленте позволило выявить основные физические причины формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь за цикл перемагничивания: наблюдаемое аномальное повышение магнитных потерь за цикл перемагничивания в области низких частот имеет вид резонансной кривой. Пик, наблюдаемый при частотах 20-40 Гц, формируется при участии 90-градусных доменных границ в процессе перемагничивания, имеет сложную мультиплетную структуру и удовлетворительно объясняется релаксацией в процессе перемагничивания осей разных типов пар элементов (например, Si-B, С-В, В-В и т.п.).
- оксидирование и наводороживание поверхности ленты приводит к формированию в области более высоких частот (40-90 Гц) двух серий пиков водородной и кислородной групп, формирование которых может быть обусловлено релаксацией в процессе перемагничивания осей пар элементов: (O-Si, О-О, О-С, О-В), О-Н, (H-Si, Н-С, Н-В, Н-Н). процессы вращения намагниченности и смещения 180-градусных доменных границ не приводят к формированию аномалии. аномалия магнитных потерь существенно снижается с уменьшением магнитоупругой энергии и объема, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ. процессы, приводящие к усилению неоднородного скачкообразного движения доменных границ (частичная поверхностная кристаллизация сплава, возрастание магнитоупругой энергии и объема доменов с ортогональной намагниченностью и т.п.), способствуют усилению аномалии частотной зависимости магнитных потерь за цикл.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает благодарность:
• Скрябиной Н.Е. (Пермский государственный университет), Ивановой Е.В. и Якимову И.И. (Иркутский государственный педагогический университет), Маркину П.Е. (Уральский государственный университет), Ханжиной Т.А. (Институт химии УрО РАН), Поповой И.А. (ВНИИЭТО, г. Москва), Цветковой Л.Е. (ЦНИИчермет, г. Москва), Маркину В.В. (Ашинский металлургический завод) за проявленный интерес к работе и помощь в проведении экспериментов;
• Лепаловскому В.Н. за помощь при оформлении работы;
• Васьковскому В.О. за помощь в решении ряда организационных вопросов;
• Кандауровой Г.С. за высказанные конструктивные замечания;
• фонду «The U.S. Civilian Research & Development Foundation for the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF)» за частичную финансовую поддержку проведенных исследований; а также глубокую признательность за постоянную поддержку моим учителям Иванову Олегу Андрияновичу и Скулкиной Надежде Александровне.
1. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. - М.: Энергия,1974. -240 с.
2. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М.: Высш. Школа, 1981. - 335 с.
3. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. М.: Высш. Школа, 1976. -336с.
4. Драгошанский Ю.Н. Доменная структура трехосных ферромагнетиков и ее роль в формировании свойств магнитомягких сплавов: Дис. . док. физ.-мат. наук. — Екатеринбург, 1996.- 381 с.
5. Хандрих К., Кобе С. Аморфные ферро- и ферримагнетики.: Пер. с нем.- М.: Мир, 1982.296 с.
6. Металлические стекла. Вып.П: Атомная структура и динамика, электронная структура, магнитные свойства./ Под ред. Г.Бека и Г.Гюнтеродта-М.: Мир, 1986,- 456 с.
7. Сузуки К., Фудзимори X., Хасимото К. Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987. -328 с.
8. Стародубцев Ю.Н., Белозеров В.Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллическиз сплавов. Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2002. - 384 с.
9. Ковнеристый Ю.К., Осипов Э.К., Трофимова Е.А. Физико-химические основы создания аморфных металлических сплавов. М.: Наука, 1983. - 144 с.
10. Малкина Л.И. Формирование структуры и оптимизация магнитных свойств аморфных сплавов типа переходный металл-металлоид в процессе спиннингования и низкотемпературной термомагнитной обработки: Дис.канд. физ.-мат. наук.-Екатеринбург, 1999. 143 с.
11. Kronmuller Н., Femengel W. The role of internal stresses in amorphous ferromagnetic alloys // Phys. stat. sol. (a) 1981.- V.64. - P. 593-603.
12. Дорофеева E.A., Прокошин А.Ф. О формировании магнитной анизотропии и доменной структуры в аморфных металлических сплавах // Физ. мет. и металловед. 1982.-Т.54, №5. - с. 946-952.
13. Дорофеева Е.А., Прокошин А.Ф. Магнитная анизотропия аморфных металлических сплавов на основе железа Н Физ. мет. и металловед. 1984. - Т.57, №3,- с.500-505.
14. Kohmoto О., Uchida N. et al. Magnetic domain structure of rapidly quenched Fe-Cu-Nb-Si-B alloys observed by Lorentz microscopy. // Materials Transactions. 1990. - V. 31, №9. - P. 820-823. ~
15. Livingston J.D., Morris W.G. Magnetic domains in amorphous metal ribbons. // J. Appl. Phys. -1985. V.57, № 1. - P. 3555-3559.
16. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. М.: Металлургия, 1989. - 496 с.
17. Вонсовский С.В., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М., J1.: Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1948. - 816 с.
18. Кронмюллер Г., Мозер Н. Магнитное последействие и петля гистерезиса / В сб.: Аморфные металлические сплавы ( п/р Люборского).- С.338-355.
19. M.Celasco, P.Mazzetti, A.Masoero et al. Effect of the viscosity field on the Barkhausen noise of amorphous ferromagnetic materials. // J. Appl. Phys. 1988. - V.63, №8. - P.2983-2985.
20. Kronmiiller H., Phil. Mag. B48, 127 (1983).
21. Kronmiiller H., Phys. Stat. Sol. (b) 127, 531 (1985).
22. Бозорт P. Ферромагнетизм. M.: Иностр. литература, 1956. - 784 с.
23. B.Alessandro, C.Beatrice, G.Bertotti et al. Domain-wall dynamics and Barkhausen effect in metallic ferromagnetic materials. I. Theory. // J. Appl. Phys. 1990. - V.68, №6. - P.2901-2907.
24. B.Alessandro, C.Beatrice, G.Bertotti et al. Domain-wall dynamics and Barkhausen effect in metallic ferromagnetic materials. II. Experiment. // J. Appl. Phys. 1990. - V.68, №6. -P.2908-2915.
25. M.Celasco, P.Mazzetti, A.Stepanescu et al. Anomalous Barkhausen noise produced by the magnetic aftereffect in ferromagnetic amorphous ribbons. // J. Appl. Phys. 1988. - V.64, №10. - P.6056-6058.
26. Ciurzynska W., Zbroszczyk J. Magnetic permeability disaccomodation in Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 alloy//J. of Magn. and Magn. Mater., 1995,- V. 140-144.-P.447-448.
27. Coda R., Masoero A., Mazzetti P., Sorriso E., Stepanescu A. Experimental behaviour of the viscosity field against time and temperature in amorphous Metglas 2605SC and CO ribbons // Philosophical Magazine B.-1990.-V.61, N 4- P.733-737.
28. Allia P., Beatrce C., Vinai F. A study of the dynamics of magnetic disaccomodation in amorphous ferromagnets. I Experimental results // J. Appl.Phys.- 1990, V.68, N 9.- P.4719-4723.
29. Allia P., Beatrce C., Vinai F. A study of the dynamics of magnetic disaccomodation in amorphous ferromagnets. II Theoretical considerations // J.Appl.Phys.- 1990, V.68, N.9.-p.4724-4727.
30. Yan-Zhong Zhang. Magnetic instability of metallic glass (Feo.tNio.33Coo.55Cro.o2)78Si8Bi4. I. Reversible disaccommodation phenomenon with respect to demagnetization. // Phys. Stat. Sol. (a). 1988. - V. 105.-P.579-587.
31. Черемской П.Г., Муровцев Л.Г., Лубяный Л.З., Лукашенко Л.И. и др. Объемные неоднородности, скачки Баркгаузена и доменная структура аморфного сплава Fe-B-Si-C // Физ. мет. и металловед.-1989.-т.68,№ 1.- С.81-88.
32. Horvat J., Babic Е., Marohnic Z. The investigation of the process of magnetization in FeNiBSi glasses by means of the Barkhausen jumps // J. of Magn. and Magn. Mater.- 1990.-V.86.-P.L1-L6.
33. Лубяный Л.З., Лукашенко Л.И., Оверко Н.Е. и др. Коррелированные скачки Баркгаузена в аморфных лентах Fe-Si-B-C// Физ. мет. и металловед,- 1988 Т.66, №4.- с. 701- 707.
34. LoBue М., Basso V., Tiberto P., Beatrice С., Bertotti G. Magnetisation process and magnetic viscosity in soft nanocrystallin materials at elevated temperature// J. of Magn. and Magn. Mater., 2001.- V. 226-230.-P. 1487-1489.
35. LoBue M., Basso V., Tiberto P., Beatrice C., Bertotti G. Hysteresis and thermal relaxation in nanocrystalline soft magnetic materials // J. of Magn. and Magn. Mater., 2000,- V. 215-216.-P.446-448.
36. Malkinski L., Slawska-Waniewska A. Barkhausen jumps in FeCrCuNbSiB nanocrystalline alloy. // J. of Magn. and Magn. Mater., 1996.- V. 157/458.-P.195-196.
37. Vojtaanik P., Matejko R., Varga R. Et al. Magnetic after-effect in FeNiZrCuB amorphous alloys // J. of Magn. and Magn. Mater., 1999.- V. 196-197.-P.216-217.
38. Qi-xian Ba, Jing Zhi. Study of the magnetic aftereffect in amorphous FeSiBCu alloys // J. of Magn. and Magn. Mater., 1996.- V. 154.-P.245-248.
39. Qi-xian Ba, Jing Zhi, Guiyi Zeng, Guilan Liu. Effect of heat treatment on the magnetic aftereffect in Fe-based amorphous alloys // J. of Magn. and Magn. Mater., 1996.- V. 163.-P.327-330.
40. Aroca C., Sanchez P.S., Lopez E. Magnetoelastic effects in amorphous Fe4oNi4()P|4B6 alloys /ЛЕЕЕ Trans, on Magn.- 1981.-V. MAG-17, N.4.-P.1462-1467.
41. Еланов М.Д., Савченко M.K., Турпанов И.А. Потери на диффузное магнитное последействие в кремнистом железе в слабых полях. //Изв. АН СССР, сер. физическая, 1975.-Т. 39,№ 7. С. 1381-1384.
42. Пустов Ю.А., Балдохин Ю.В., Опара Б.К. и др. О термической стабильности аморфного сплава Fe-Cr-B// Физика металлов и металловедение. 1988.Т.65, №1. С. 159-167.
43. Пустов Ю.А., Балдохин Ю.В., Лабутин В.Ю. Процессы сегрегации и окисления в аморфном сплаве при изотермическом отжиге // Поверхность. Физика, химия, механика. 1989, №11. С. 130-138.
44. Балдохин Ю.В., Пустов Ю.А., Лабутин В.Ю., Колотыркин П.Я., Овчаров В.П. Лавинная кристаллизация аморфных сплавов в условиях изотермического отжига при пониженных давлениях кислорода / / Поверхность. Физика, химия, механика. 1990.-С.72-78.
45. Шабанова И.Н., Холзаков А.В., Казанцев А.Е., Смирнов В.В. Преимущественная поверхностная кристаллизация аморфных Зd-cплaвoв // Поверхность. Физика, химия, механика. 1990.-С.83-88.
46. Potocky L. Surface coercive force of some metallic glasses // KFKI Prep. 1988, E52, p. 1-12.
47. Скотт М.Г.Кристаллизация. В кн.: Аморфные металлические сплавы п/р Ф.Е.Люборского. М.:Металлургия, 1987, стр. 137-164.
48. Катаев В.А., Стародубцев Ю.Н., Минеев Ф.В. О магнитных потерях в отожженных лентах аморфного сплава FegiBi3Si4C2. //Физ. Мет. и Металловед., 1990, №11, с. 198-200.
