Однородность магнитных свойств и термическое намагничивание редкоземельных постоянных магнитов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И ПРОЦЕССЫ НАМАГНИЧИВАНИЯ И ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МАГНИТОВ (обзор литературы)

1.1. Описание петель гистерезиса магнетиков с задержкой образования зародышей обратной магнитной фазы

1.2. Сравнение модели зародышеобразования с экспериментом

1.3. Процессы задержки смещения доменных границ

1.4. Сравнение результатов модели задержки смещения доменных границ с экспериментом

1.5. Процесс зародышеообразования в реальных магнитно-твёрдых материалах.

1.6. Магнитные неоднородности в порошковых постоянных магнитах

1.7. Эффект термического намагничивания в порошковых редкоземельных магнитах

Глава 2. ПОРИСТОСТЬ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ПОРОШКОВЫХ МАГНИТОВ

2.1. Методика количественной оценки пористости

2.2. Структура пор спечённых порошковых редкоземельных магнитов 2.2.1. Линейное одностороннее прессование . 33 2.2.1. Изостатическое сухое прессование в эластичной оболочке 34 2.2.3. Влажное прессование при малых давлениях

Глава 3. МИКРО- И МАКРООДНОРОДНОСТЬ ОСТАТОЧНОГО МАГНИТНОГО ПОТОКА СПЕЧЕННЫХ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

3.1. Методика исследования

3.1.1. Интегральные измерения

3.1.2. Локальные измерения с помощью малогабаритных преобразователей Холла

3.1.3. Визуализация неоднородностей с помощью индикаторных феррит-гранатовых пленок

3.2. Полученные результаты

Глава 4. ЛОКАЛЬНЫЕ ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ СПЕЧЕННЫХ МАГНИТОВ

4.1. Вводные соображения

4.2. Методика выявления доменной структуры.

4.2.1. Цифровая регистрация и дифференциальный алгоритм поляризационно-оптических изображений

4.2.2. Анализ контраста магнитооптических изображений доменной структуры

4.3. Локальные гистерезисные характеристики текстурированных порошковых магнитах

Глава 5. ТЕРМИЧЕСКОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ И РАЗМАГНИЧИВАНИЕ

5.1. Макроскопическое проявление эффекта термического намагничивания

5.2. Макронеоднородность магнитного потока при термическом намагничивании

5.2.1 Расчет магнитного поля магнитов с аксиальной намагниченностью

5.2.2 Макрооднородность магнитного потока образцов при термическом намагничивании

5.3. Доменная структура (микронеоднородность)

5.4 Магнитное старение

Актуальность работы определяется необходимостью физических исследований процессов намагничивания и перемагничивания высококоэрцитивных магнетиков (развития теории магнитного гистерезиса) для прогноза свойств постоянных магнитов и определения направлений поиска новых материалов с улучшенными свойствами и технологии их получения. Наибольшие успехи в решении этой фундаментальной проблемы физики твёрдого тела связаны с развитием феноменологических макроскопических представлений, развитых в известной основополагающей работе Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица (1935 г.) [1] и обозначивших круг задач, называемых в современной литературе микромагнитными. Усилиями многих исследователей в теории микромагнетизма создан обширный набор непосредственно применимых методов и результатов, которые для многих практических целей представлены в простом, но в то же время достаточно общем виде, удобном для расчётов [2-4]. Нерешёнными до настоящего времени фундаментальными проблемами являются:

- применение теории микромагнетизма к реальным высококоэрцитивным магнетикам с дефектами структуры кристаллической решётки и дефектами магнитного упорядочения в условиях, когда экспериментальная оценка состояния материала в области дефектов с нужной точностью технически недостижима;

- описание связи эффективных гистерезисных характеристик макро- и микронеоднородных поликристаллических и многофазных магнетиков с характеристиками их компонентов.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось исследование причин, приводящих к возникновению неоднородности магнитных свойств и особенностей проявления открытого A.C. Лилеевым [59] эффекта термического намагничивания в порошковых редкоземельных постоянных магнитах. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- создать экспериментальные установки, необходимые для исследования микро- и макрооднородности постоянных магнитов, развить и усовершенствовать методы наблюдения доменной структуры высококоэрцитивных одноосных магнетиков; выработать критерии оценки микро- и макрооднородности постоянных магнитов и получить экспериментальные данные, характеризующие основные разновидности редкоземельных постоянных магнитов по этим параметрам;

- иследовать локальные характеристики процессов намагничивания и перемагничивания порошковых редкоземельных постоянных магнитов;

- изучить особенности проявления эффекта термического намагничивания в редкоземельных постоянных магнитах с различными характеристиками микро- и макрооднородности с учетом фактора формы образцов.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

- получены экспериментальные оценки неоднородности магнитных свойств порошковых редкоземельных магнитов в широком интервале характерных линейных размеров её проявления: микронеоднородности участков образцов с размерами порядка линейных размеров зёрен, обусловленной пористостью, включениями, несовершенством текстуры, разбросом свойств зёрен, и макронеоднородности, связанной с неравномерным распределением магнитных масс в объеме постоянного магнита;

- для оценки микронеоднородности магнитного потока постоянных магнитов разработана новая методика визуализации и количественной оценки пространственно распределенных магнитных полей с помощью индикаторных феррит-гранатовых структур с плоскостной анизотропией;

- путем прямых наблюдений доменной структуры с высокой разрешающей способностью детально прослежены зависимости локальных гистерезисных характеристик микроучастков (отдельных зерен) от магнитного состояния ближайших соседей, зависящего, в свою очередь, от магнитной предистории образца. Впервые продемонстрирована возможность локальных измерений угловых зависимостей коэрцитивной силы отдельных зёрен, находящихся в ансамбле под воздействием других частиц;

- создана цифровая система регистрации и обработки поляризационно-оптических изображений микроструктур с использованием новых алгоритмов формирования разностных картин, обеспечивающих повышение качества изображений и расширение функциональных возможностей поляризационной микроскопии путём учёта и дискриминации вклада оптически анизотропных компонентов структуры в амплитудный и цветовой контраст;

- вскрыты новые аспекты проявлений эффекта термического намагничивания. Показано, что в зависимости от степени размагничивания наблюдаемые после воздействия поля приращения намагниченности могут быть положительными, отрицательными или близкими к нулю. Получены новые экспериментальные данные по доменной структуре спечённых порошковых магнитов в состоянии термического намагничивания, подтверждающие модельные представления, развитые в работе [5-9].

Практическая значимость. Работа выполнена на промышленных и лабораторных образцах постоянных редкоземельных магнитов, широко применяемых в различных отраслях науки и техники. Практическая значимость проведенных иследований заключается в возможности учёта результатов работы как для дальнейшего развития количественной теории формирования гистерезисных свойств технически ценных высококоэрцитивных высокоанизотропных магнетиков, так и в технологических разработках, направленных на создание материалов с высокой магнитной однородностью.

Апробация результатов и публикации. Материалы диссертации докладывались на научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников госбюджетных и хоздоговорных тем (Тверь, 1993), Международной конференции по магнетизму 1СМ'94 (Варшава, 1994), XI Всероссийской конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 1994), XII Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 1997), Европейской конференции по магнетизму и магнитным материалам ЕММА-98 (Испания, Сарагоса, 1998). По материалам диссертации опубликовано десять печатных работ. (

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 80 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы характеристики неоднородности магнитных свойств текстурированных спечённых порошковых редкоземельных магнитов. Обнаруженная неоднородность магнитных свойств охарактеризована микронеоднородностью, относящейся к участкам образцов с характерными размерами порядка линейных размеров зерен полиэдрической структуры, и макронеоднородностью с масштабами порядка линейных размеров всего образца. Микронеоднородность магнитных свойств связана с пористостью, включениями, локальной разориентацией осей легкого намагничивания отдельных кристаллитов (несовершенством текстуры) и неоднородностью их коэрцитивной силы. Макронеоднородность проявляется в нарушениях симметрии распределения магнитного потока из-за неоднородности плотности порошковых брикетов и несовершенства их текстуры.

2. На основе прямых наблюдений доменной структуры получены экспериментальные данные о локальных особенностях процесса намагничивания и перемагничивания в масштабе отдельных зёрен материала. Характерные параметры локальных гистерезисных циклов существенно отличаются от макроскопических усреднённых характеристик как в качественном отнршении (форма петли гистерезиса), так и в числовых значениях критических полей насыщения, роста зародышей, коэрцитивной силы и др. Доминирующим фактором, определяющим поведение ансамбля, является магнитостатическое взаимодействие как отдельных зёрен и их кластеров, так и отдельных доменов внутризёренной доменной структуры.

3. Термическое намагничивание является термоактивационным процессом, происходящим при температурах, отличных от нуля. Направление протекания процесса зависит от локальных условий в различных объёмах образца. В зависимости от магнитной предистории образца возможны положительные, отрицательные или нулевые релаксационные приращения остаточной намагниченности при неизменных внешних условиях. Термоактивационный спад намагниченности (магнитное старение) можно рассматривать как частный случай эффекта термического намагничивания.

4. Для визуализации и количественной оценки микро- и макрооднородности постоянных магнитов предложено использование индикаторных квазиизотропных феррит-гранатовых плёнок, обеспечивающих не только эффективную визуализацию, но и получение точных количественных характеристик пространственных распределений поля.

5. Собрана и настроена цифровая система регистрации и обработки изображений микроструктур и разработаны алгоритмы дифференциальной микроскопии, существенно улучшающие качество поляризационнооптических изображений и расширяющие функциональные возможности магнитооптических методов исследования доменной структуры.

1. Ландау, Е.М.Лифшнц. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел. Собр. сочинений. М., Наука, 1969, Т. 1.

2. Браун У.Ф. Микромагнетизм. М.: Наука, 1979.

3. Пастушенков Ю.Г. Микромагнетизм магнитнотвердых материалов. Тверь: ТвГУ,1990.

4. Кандаурова Г.С., Оноприенко Л.Г. Доменная структура магнетиков. Основные вопросы микромагнетики. Свердловск: УрГУ, 1986. 136 с.

5. Kavalerova L.A, Lifshitz B.G., Lileev A.S., Menushenkov V.P. The reversibility of magnetic properties of sintered SmCo5 permanent magnets // IEEE Trans. Magn. 1975. V. 11. P. 1673-1675.

6. Лившиц Б.Г., Лилеев А.С., Абальян Т.В., Менушенков В.П. Исследование "термического намагничивания" сплава SmCo5 // Изв.вузов. 1976. №11. С.131-134.

7. Лилеев А.С. Процессы перемагничивания постоянных магнитов из одноосных высокоанизотропных сплавов с редкоземельными металлами: Дис. . д-ра физ.-мат. наук / МИСИС. М., 1988.

8. Зайцев А.А., Лилеев А.С., Менушенков В.П. Термическое намагничивание магнитов SmCo5 // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. №3. С.74-78.

9. Зайцев А.А., Лилеев С.С. Моделирование явления термического намагничивания // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1989. №11. С.89-92.

10. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971.

11. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.:МГУ, 1976.

12. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применения. М.1980.

13. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства вещества. М.1983. '

14. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М.: Высшая школа, 1981. 335 с.

15. Kronmuller Н. Theory of Nucleation Fields in Inhomogeneous Ferromagnets // Phys. Stat. Sol.(b). 1987. V.144. P.385-396.

16. Kronmuller H., Durst K.-D., Martinek G. Angular dependence of the coercive field in sintered Fe77Ndl5B8 magnets // J. Magn. Magn. Mater. 1987. V.69. P.149-157.

17. Kronmiiller H. Theory of Magnetic Hardening Mechanisms in Re-Co-Magnets //Proc. 7th Int. Workshop on Re-Co Permanent Magnets. Bejing, 1983.

18. Stoner E.C., Wohlfarth E.P. A mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous alloys. Philos. Trans. Roy. Soc. 1948. V.A240. P.599.

19. Pastushenkov Yu.G., Afanasieva L.E., Grechishkin R.M. Surface domain structure and local demagnetizing field in Nd-Fe-B permanent magnets // Phys. Stat Solidi (a). 1994. V. 142. P. K41.

20. Pastushenkov J., Forkl A., Kronmuller H. Magnetic domain structure of sintered Fe-Nd-B type permanent magnets and magnetostatic grain interaction //J. Magn. Magn. Mater. 1991. V. 101. P. 363.

21. Салтыков C.A. Стереометрическая металлография. M.: Металлургия, 1976. 272 с.

22. Панченко Е.В., Скаков Ю.А., Кример Б.И., Арсентьев П.П., Попов К.В., Цвилинг М.Я. Лаборатория металлографии. М.: Металлургия, 1965.

23. Glauert М. Practical Methods in Electron Microscopy. Amsterdam: North-Holland Publ. Co, 1980.

24. Линецкий Я.Л. Прецизионные и электротехнические сплавы для постоянных магнитов // Металловедение и термическая обработка металлов (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР). М., 1978.

25. Шур Я.С., Магат Л.М., Ермоленко А.С. Способ получения постоянных магнитов с высокой степенью текстуры из магнитоанизотропных порошков // ФММ. 1972. Т.35(2). С.422-424.

26. Trout S.R. Use of Helmholtz coils for magnetic measurements // IEEE Trans. Magn. 1988. V.24(4). P.2108-2111.

27. Фирменный проспект Steingrover GmbH MAGNET-PHYSIK, Koln, 1988.

28. Коген-Далин В.А., Комаров E.B. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977.

29. Шильников Ю.Р. Магнитооптическая визуализация распределения магнитных полей от пленочных редкоземельных магнитов // Журн. техн. физ.1984.Т.54.С. 1163-1168.

30. Hagedorn Р.В. Instability of an isolated straight magnetic domain wall // J.Appl.Phys.-1970.-Vol.41.-P.1161-1162

31. Grechishkin R.M., Goosev M.Yu., Ilyashenko S.E., Neustroev N.S. High resolution sensitive magnetooptic garnet films with planar anisotropy // J. Magn. Magn. Mat. 1996. V. 157/158. P.305-306.

32. Goosev M.Yu., Ilyashenko S.E., Neustroev N.S., Grechishkin R.M. Measurement of spatially distributed magnetic fields with epitaxial quasi-isotropic ferrite-garnet structures / Abstr. XII Intern. Conf. Perm. Magnets. Suzdal, pp.162-163.

33. Gabay A.M., Lileev A.S., Menushenkov V.P. Simulation of intergranular interaction in sintered magnets // J. Magn. Magn. Mat. 1992. V.103. P. 151156.

34. Schrefl T., Fidler J. Numerical simulation of magnetization reversal in hard magnetic materials using a finite element method // J. Magn. Magn. Mater. 1992. V.l 11. P. 105-114.

35. Fischer R., Schrefl T., Kronmuller H., Fidler J. Phase distribution and computed magnetic properties of high-remanent composite magnets // J. Magn. Magn. Mater. 1995. V.l50. P.329-344.

36. Folks L., Street R., Woodward R.C. Observation of domains in a die-upset melt-spun magnet // Proc. 8th Intern. Symp. On Magnetic Anisotropy and Coercivity in RE-TM alloys. UK, Birmingham, 1994. P. 135-144.

37. Forkl A., Pastushenkov J., Maki K., Kronmuller H. Investigation of the angular dependence of critical fields in RE-Fe-B sintered magnets // J. Magn. Magn. Mater. 1991. V. 101. P.367-368.

38. Kasiraj P., Shelby R. M., Best J. S., Home D. E. Magnetic domain imaging with a scanning Kerr effect microscope. IEEE Trans.Magn., 1986, vol. 22 , № 5, pp. 837- 839.

39. Fowler C.A. and Fryer E.M. Magnetic domains in cobalt by the longitudinal Kerr effect // Phys. Rev. 1954. V.95. P. 564-565.

40. Gudeman C. S., Peter D. E., Best J. S., Cheng D. C. Easy axis orientation mapping of soft magnetic films using a magneto-optic Kerr B-H Imager. IEEE Trans. Magn., 1989, vol. 25, № 5, pp. 4207- 4209.

41. Wright C. D., Clegg W.W., Heyes N. A. E. Observation of magneto-optic phase contrast using a scanning laser microscope. J.Appl.Phys., 1991, vol.69. № 8, pp.5322- 5324.

42. Pfutzner H., Schonhubert P., Radley S. Automatic scanning apparatus for the nondestructive detection of bulk domains in soft magnetic materials. Meas. Sci. Technol., 1991, № 2, pp. 181- 182.

43. Schmidt F., Rave W., Hubert A. Enhancement of magneto-optical domain observation by digital image processing. IEEE Trans. Magn., 1985, vol. MAG-21, №5, pp. 1596- 1598.

44. Rave W., Hubert A. Refinement of the quantitative magneto-optic domain observation technique. IEEE Trans. Magn., 1990, vol. 26, №5, pp. 28132815.

45. Lian M.R., Humphrey F.B. Automatic image processing with submicron resolution. IEEE Trans. Magn., 1987, vol.MAG-23, №5, pp. 2176- 2178.

46. Shirae K., Sugiyama K. A CCD image sensor and a microcomputer make magnetic domain observation clear and convenient. J. Appl. Phys., 1982, vol.53, № 11, pp.8380- 8382.

47. Kubajewska E., Maziewski A., Stankiewicz A. Digital image processing for investigation of domain structure in garnet films. Thin solid films, 1989, № 175 , pp. 299- 303.

48. Rave W., Schafer R., Hubert A. Quantitative observation of magnetic domains with the magneto-optical Kerr effect. J. Magn. Magn. Mat., 1987, № 65, pp.

49. Lian M.R., Humphrey F.B. Automatic image processing with submicron resolution. IEEE Trans. Magn., 1987, vol.MAG-23, №5, pp. 2176- 2178.

50. Shirae K., Sugiyama K. A CCD image sensor and a microcomputer make magnetic domain observation clear and convenient. J. Appl. Phys., 1982, vol.53, № 11, pp.8380- 8382.

51. Kubajewska, A. Maziewski and A. Stankiewicz. Digital image processing for investigation of domain structure in garnet films // Thin Solid Films. 1989. V. 175, P. 299-303.

52. Обработка изображений и цифровая фильтрация, под ред.Т.Хуанга. М., Мир, 1979

53. Бейтс Р., Мак-Доннелл М. Восстановление и реконструкция изображений. М.: Мир, 1989.

54. W. Goodman. Introduction to Fourier Optics. New York: McGraw-Hill Book Co., 1968.

55. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука, 1970.

56. Соколов А.В. Оптические свойства металлов. М.:Физматгиз, 1961.

57. Агранович В.М., Гинзбург B.JT. Кристаллооптика с учётом пространственной дисперсии и теория экситонов. М.: Наука, 1965.

58. Forkl A., Pastushenkov J., Maki К., Krinmuller Н. Investigation of the angular dependence of critical fields in RE-Fe-B magnets // J. Magn. Magn. Mater. 1991. V.101. P.367-368.

59. Miiller K.-H., Eckert D., Grossinger R. Coercivity and thermal remagnetization of sintered Nd-Fe-B // Journal De Physique. T.49.Decembre 1988. P.645-646.

60. Livingston J.D., Martin D.L. Thermal remagnetization of Co5Sm magnets // IEEE Trans. Magn. 1984. V. 20. P. 140.

61. Пономарева O.H., Майков В.Г., Пузанова Т.З. Термическое намагничивание магнитов из сплава SmCo5 с разной коэрцитивной силой //ФММ. 1989. Т.68, Вып.2, с.301-309.

62. Jahn L., Schumann R. The mechanism of thermal remagnetization of permanent magnets // Phys. Stat. Solidi (a). 1985. V. 91. P. 603.

63. Pastushenkov Yu.G., Shipov A.V., Grechishkin R.M., Afanasieva L.E. Thermal remagnetization effect in Re-Fe-B permanent magnets // J. Magn. Magn. Mat. 1995. V. 140-144. P.4754

64. Иванов B.E., Ян Л. Замечания о термическом ренамагничивании постоянных магнитов. Физ. Мет. Металловед. 1993. Т.75. С.28-33.

65. Scholl R., Jahn L., Schumann R. The thermal remagnetization in 2:17 SmCo permanent magnets // Phys. Stat. Sol. (a). 1987. V.102. P.K37-K41.

66. Jahn L., Nagel H. Zur thermischen Remagnetisierung von SmCo5 und Nd-Fe-B mMagneten // Wiss. Z. Hochschule fur Verkehrswesen "Fridrich Kist" Dresden. 1990. V.37. S. 147-160.

67. McCurrie R.A. Determination of intrinsic coercivity distributions in aligned assemblies of uniaxial SmCo5 and LaCo5 particles //Phil. Mag. 1970. V. 22. P. 1013.

68. Grechishkin R.M. Domain structure studies of magnetization reversal in highperformance PM // Wiss. Z. Hfv Drezden. 1989. - V. 50. P. 51-62.

69. Uren S., Walker M., O'Grady K, Chantrell R.W. Magnetic viscosity and switching field distribution of recording media // IEEE Trans. Magn. 1988. V.20. P.1808-1812.

70. Tomka G.J., Bissel P.R., Chantrell R.W., 0"Grady K. Interaction phenomena in polymer bonded permanent magnet powders. // IEEE Trans. Magn. 1993. V.29. P.2869-2871.

71. Chen D., Brug J.A., Goldfarb R.B. Demagnetizing factors for cylinders // IEEE Trans. Magn. 1991. V. 27. P. 3601.

72. Александров M.F. и др. Расчет электрических и магнитных полей на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1983. 344 с.

73. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968. 488 с.

74. Grechishkin R.M., Afanasieva L.E., Pastushenkov Yu.G., Maksimov N.N. Analysis of a linear position sensor with a Hall effect element // Meas. Sci. Technol. 1994. V.5. P. 853.

75. W.H.Press, B.P.Flannery, S.A.Teukolsky, W.T.Vetterling. Numerical Recipes. London -N.Y., 1986.

76. Gronefeld M., Kronmuller H. Calculation of strayfields near grain edges in permanent magnet material //J. Magn. Magn. Mater. 1989. V.80. P.223-228.

77. Liu J., Luo H., Pan S. Magnetic viscosity studies of Nd|6Fe77B7 permanent magnets // J. Appl. Phys. 1991. V.69. P. 5557.

78. Dietrich H.E. Interdependence of thermal aftereffect and natural aging in permanent magnet materials // IEEE Trans. Magn. 1970. V. 6. P.272-275.

79. Nishio H. Magnetic aftereffect in SmCo5 sintered magnets machined to small size // IEEE Trans. Magn. 1989. V. 25. P.4409-4412.

80. Villas-Boas, Gonzalez J.M., Cebollada F„ Rossignol M.F., Taylor D.W., Givord D. Magnetic viscosity and coercivity analysis in mechanically alloyed and melt-spun NdDyFeB magnets // J. Magn. Magn. Mater. 1998. V. 185. P.180-186.