Контроль магнитных и структурных свойств аморфных сплавов системы Fe-Si-B

Внедрение новых материалов в значительной степени определяет научно-технический прогресс. Именно с применением аморфных магнитомягких сплавов (АММС) связывают будущее магнитных компонентов и различных устройств электротехники и электроники.

Пока не найдено других магнитных материалов, которые имели бы столь хорошие магнитные характеристики, обладали бы также и высокими электросопротивлением, твердостью, износостойкостью, коррозионной и радиационной стойкостью [1]. Эти уникальные физико-механические и химические свойства определяются прежде всего тем, что у аморфных материалов, в отличие от кристаллических, отсутствует дальний порядок в расположении атомов, они не имеют дефектов, повышающих сопротивление движению границ доменов, в них отсутствует кристаллографическая анизотропия. Именно поэтому АММС характеризуются высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения, а также малым значением коэрцитивной силы (Нс), не столь значительно зависящей от частоты перемагничивания, как аналогичные по составу кристаллические сплавы. Основной характерной особенностью АММС является то, что их удельные потери при перемагничивании вплоть до частот десятки килогерц крайне малы из-за высокого значения удельного сопротивления, малых значений Нс и толщины ленты.

Аморфные сплавы непосредственно после их получения еще не обладают комплексом высоких магнитных свойств. Как правило, они имеют повышенные значения Нс и невысокие значения магнитной проницаемости. Для повышения этих значений проводят термическую обработку аморфных сплавов при наложении магнитного поля. Так, обработка одних и тех же сплавов в поперечном магнитном поле позволяет получить АММС с пологой петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности ап, близким к 0, а в 5 продольном магнитном поле — сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса с аи, близким к 1. Есть перспектива применения радиочастотного магнитного поля при термообработке, которая может эффективно воздействовать на частотную зависимость магнитной проницаемости АММС.

Для приготовления АММС используются различные методы, в основе которых лежит быстрый переход компонентов сплава из жидкого или газообразного состояния в твердое. При этом затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, находясь в жидком состоянии. Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозионная стойкость АММС. Например, наряду с высокой магнитной мягкостью — такой, что уровень электромагнитных потерь в аморфных сплавах с высокой магнитной индукцией оказывается существенно ниже, чем во всех известных кристаллических сплавах [2]. Также, эти материалы проявляют исключительно высокие механическую твердость и прочность при растяжении, в ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расширения, а удельное электрическое сопротивление их в три-четыре раза выше его значения для железа и сплавов Fe-Ni [3,4]. Перспективы технического применения АММС связаны с их технологичностью и возможностью создания качественно новых материалов в виде ленты, проволоки и массивных образцов. Магнитопроводы для трансформаторов и дросселей традиционно изготавливают из электротехнической стали, железоникелевых сплавов (пермаллой), ферритов, прессованного порошкообразного пермаллоя и альсифера (магнитодиэлектрики) [5]. Для улучшения магнитомягких свойств аморфных ферромагнетиков применяют низкотемпературный отжиг, в результате которого ослабляется уровень внутренних напряжений. После термической обработки структура ленты может либо остаться аморфной, либо стать частично кристаллизованной, 6 либо нанокристаллической [6,7]. Процессам, происходящим в АММС при нагревах до начала кристаллизации, посвящено большое количество различных исследований. Эти процессы обуславливают существенные изменения многих свойств обработанных аморфных сплавов: тепловых, электрических, магнитных и др. [8,9]. В последнее время с целью улучшения магнитных характеристик АММС стали применять методику быстрого джоулевого отжига, которая заключается в кратковременном воздействии постоянного электрического тока большой интенсивности [10,11]. Процесс отжига приводит к релаксации атомной структуры и ослаблению уровня замороженных внутренних напряжений, присутствующих в аморфных сплавах в результате их приготовления методом быстрого замораживания из расплава. Однако отжиг АММС с целью улучшения их магнитных характеристик сопровождается в ряде случаев ухудшением механических свойств, что приводит к охрупчиванию материала, т. е. к переходу из аморфного в кристаллическое состояние [12]. Поэтому требуется подбор наиболее оптимальных режимов отжига. Параметры такого отжига получаются при условии Тс< Т0< Т^, где Тс, Т0 и Т^ - температуры.

Кюри, отжига и кристаллизации, соответственно [13]. Известно, что рабочие характеристики магнитомягких сплавов можно задать тремя основными параметрами: константа магнитокристаллической анизотропии к1, магнитострикции насыщения A, s и удельное сопротивление р [14,15]. В тех случаях, когда удается минимизировать к1 и Xs достигаются экстремальные значения магнитных характеристик: минимальное значение коэрцитивной силы Нс, наивысшее значение начальной и максимальной проницаемости цн и цм, минимальные потери при перемагничивании.

Высокие значения р, способствуя уменьшению вихревых токов, оказывают дополнительно благоприятное воздействие на магнитные свойства таких сплавов при высоких частотах [16]. Применение 7 радиочастотного магнитного поля при джоулевом отжиге АММС, очевидно связано с процессами магнитоупругой релаксации. Как известно, движение доменных стенок и вращение локальной намагниченности под влиянием внешних механических напряжений приводит к различным видам потерь [17]. Установлены следующие источники магнитоупругих потерь: магнитомеханический гистерезис и релаксации вихревых токов. Потери на вихревые токи в свою очередь можно разделить на макрои микрокомпоненты. Второй класс потерь обусловлен взаимодействием магнитострикционных полей напряжений с полями деформаций структурных дефектов [18].

В магнетиках следует различать два типа областей: весь образец в целом и отдельные магнитные домены. При высоких частотах возникают пики поглощения, обусловленные в основном микровихревыми потерями за счет вращения доменов и смещения доменных стенок [19]. Для анализа влияния радиочастотного (РЧ) магнитного поля при джоулевом отжиге аморфного сплава на структурные и магнитные характеристики перспективно использование методов рентгеновской дифракции и мессбауэровской спектроскопии [20,21]. Применение резонансных методов, основанные на регистрации резонансных гамма-квантов, является наиболее чувствительной к исследованию сверхтонких взаимодействий, из анализа которых, можно получить ценную информацию о характере обменных связей и магнитной микроструктуре, о неэквивалентных положениях ионов и катионном распределении в аморфных сплавах. Ядерный гамма-резонанс дает также возможность получить сведения об электрических и магнитных полях на ядрах и их изменений при различных видах внешнего воздействия [22,23,24].

Таким образом, все усиливающаяся потребность в электроэнергетике и в других отраслях промышленности в аморфных сплавах с определенным набором параметров и необходимость улучшения характеристик, уже 8 нашедших свое применение, требует научного обоснования связи «способ получения-обработка-свойства», что и определяет актуальность их исследований.

Цель диссертационной работы.

Цель настоящей работы состояла в разработке методов контроля магнитных и структурных свойств аморфных магнитомягких сплавов системы Fe-Si-B в процессе термической и магнитной обработок.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— разработать комплекс измерительной аппаратуры и методики проведения термической обработки АММС как джоулевым отжигом, так и джоулевым отжигом при переменном магнитном поле радиочастотного диапазона.

— исследование влияния джоулевого отжига на магнитные и механические свойства АММС системы Fe-Si-B. Выявление оптимальных режимов термической обработки для улучшения магнитных характеристик аморфных магнитомягких сплавов.

— исследование влияния джоулевого отжига на магнитные свойства АММС системы Fe-Si-B под действием переменного магнитного поля радиочастотного диапазона.

— определение основных закономерностей изменения магнитных и структурных свойств АММС под действием джоулевого отжига в переменном магнитном поле.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующих результатах:

1. Проведены исследования магнитных свойств аморфного магнитомягкого сплава Fe8iSi5B14, включающие индуктивночастотный, магнитооптический методы, мессбауэровскую и рентгеновскую спектроскопии.

2. Впервые для термической обработки аморфных магнитомягких сплавов предложено использовать совместно с джоулевым отжигом переменное магнитное поле радиочастотного диапазона.

3. Получены оптимальные режимы обработки аморфного магнитомягкого сплава Fe8iSi5Bi4 джоулевым отжигом, при котором максимально увеличивается магнитная проницаемость.

4. Впервые обнаружено, что при одновременном воздействии джоулевого отжига и переменного магнитного поля повышается магнитная проницаемость аморфного сплава Fe8iSi5Bi4. На частоте воздействия переменного магнитного поля 105 кГц получено увеличение максимальной магнитной проницаемости на 30%.

На защиту выносятся следующие научные положения;

Результаты проведения исследований магнитных и структурных свойств термически обработанного аморфного магнитомягкого сплава Fe8iSi5B]4, использующих индуктивно-частотный, магнитооптический методы, мессбауэровскую и рентгеновскую спектроскопии.

Установление оптимальных параметров воздействия джоулевого отжига и переменного магнитного поля, используемого при термической обработке аморфного сплава Fe8iSi5Bi4 для улучшения магнитных характеристик.

Результаты исследования влияния джоулевого отжига и переменного магнитного поля на магнитную микроструктуру аморфного сплава Fe81Si5Bi4, заключающееся в перестройке доменной.

10 ферромагнитной структуры, уменьшению размеров доменов и в изменении ориентации векторов намагниченности.

4. Обоснование перспективности применения для термической обработки аморфных магнитомягких сплавов системы Fe-Si-B джоулевого отжига в переменном магнитном поле радиочастотного диапазона, приводящего к увеличению магнитной проницаемости и уменьшению удельных потерь при перемагничивании.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем: выполненный контроль магнитных и структурных свойств в процессе различных воздействий (постоянный электрический ток, переменное магнитное поле в широком частотном диапазоне) может найти применение для изучения широкого класса магнитомягких материалов. Разработанная методика обработки с одновременным воздействием джоулевого отжига и переменного магнитного поля может быть использована для повышения качества других аморфных магнитных материалов. Проведенный анализ результатов исследования магнитных свойств образцов аморфного магнитомягкого сплава Fe8]Si5Bi4 позволяет наметить пути целенаправленного изменения их магнитных характеристик и определить новые области технического применения.

Диссертационная работа состоит из четырех глав и заключения. Первая глава содержит общий обзор литературы по получению, структурным особенностям и основным свойствам аморфных магнитомягких сплавов. Выявлены основные физико-химические свойства этих сплавов, определяющие их эксплуатационные характеристики, и показана необходимость разработки контроля их магнитных и структурных свойств с целью повышения качества изделий.

Вторая глава посвящена методике и технике эксперимента. Приводится описание индукционного метода измерения параметров аморфных сплавов, схема установки. Также, здесь приводится описание экспериментальной установки для проведения одновременной обработки аморфных сплавов джоулевым отжигом и переменным магнитным полем. Далее излагаются магнитооптические методы исследования структуры доменов аморфных сплавов. Описаны физические основы и математическая обработка мессбауэровских спектров. Сформулированы основные требования к комплексному методу исследований.

В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований воздействий как джоулевого отжига, так и джоулевого отжига при переменном магнитном поле на магнитные свойства аморфного сплава системы Fe-Si-B.

В четвертой главе приведены результаты исследований аморфного магнитомягкого сплава системы Fe-Si-B методами месбауэровской и рентгеновской спектроскопии.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

1. АМОРФНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ СПЛАВЫ: ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Дальнейшее совершенствование технологии получения аморфных магнитомягких сплавов, а также поиск новых материалов невозможен без комплексного исследования свойств и их зависимости от условий синтеза [22,23]. До последнего времени основные направления в области физики твердого тела были ограничены исследованием свойств кристаллических материалов. Достигнутый прогресс в исследовании структуры свойств АММС определил сферы их использования в технике. Стало понятным, что в следствии уникальности ряда физических свойств АММС преимущества их практического использования в сравнении с традиционными кристаллическими материалами в ряде областей неоспоримы.

Основные области применения АММС в настоящее время связаны с их использованием в качестве магнитомягких материалов. Наиболее обширной такой областью является силовая электротехника.

Для более детального ознакомления с особенностями АММС, вначале первой главы дана общая характеристика аморфных сплавов. Далее, кратко описаны основные свойства и методы получения АММС. При этом выявлены основные физико-химические свойства АММС, определяющие их эксплуатационные характеристики и показана необходимость изучения этих свойств с целью получения материалов с наперед заданными параметрами. Также рассматриваются и основные магнитные свойства аморфных сплавов.

В конце главы описаны физические основы методик, позволяющих проводить исследования пленок аморфных магнитомягких сплавов без их разрушения.

1.1. Общая характеристика аморфных сплавов.

Достигнутый прогресс в исследовании структуры свойств АММС определил сферы их использования в технике. Стало понятным, что в следствии уникальности ряда физических свойств АММС преимущества их практического использования в сравнении с традиционными кристаллическими материалами в ряде областей неоспоримы.

Основные области применения АММС в настоящее время связаны с их использованием в качестве магнитомягких материалов. Наиболее обширной такой областью является силовая электротехника. Оценки [68] показали, что стоимость электроэнергии, теряемой в силовых трансформаторах промышленной частоты за счет потерь на перемагничивание сердечника в течении срока службы трансформатора достигает его первоначальной стоимости. Использование магнитомягких АММС в качестве магнитопровода позволяет снизить потери на перемагничивание в 3−4 раза по сравнению со стандартным текстурованным листом Fe-Si при таком же уровне магнитного потока. Рассчитано, что замена стандартных кристаллических сплавов в сердечниках силовых трансформаторов на АММС в масштабах США эквивалентна годовой экономии в 660 тыс. т нефти [1].

Низкий уровень потерь, свойственный АММС, позволяет их эффективное использование в трансформаторах, работающих на частоте 400 Гц и применяемых в различной бортовой аппаратуре. При этом достигается как уменьшение потерь, так и уменьшение габаритов трансформаторов, что в определенных условиях является решающим фактором. Использование АММС в качестве магнитопроводов электродвигателей позволяет снизить потери в сердечнике более чем на 90%. Эти потери особенно велики в промышленных электродвигателях переменного тока. Применение АММС позволяет снизить примерно на порядок потери энергии в балластных сопротивлениях.

14 люминесцентных и дуговых ламп [68]. Экономия достигается как при использовании промышленной частоты, так и при высоких частотах.

Сочетание высокой магнитной проницаемости с высоким пределом упругости и отсутствием деградации свойств после механических воздействий позволяет эффективно использовать АММС в качестве магнитных экранов. В настоящее время промышленно выпускается экранирующая ткань, сплетенная из узких лент АММС Fe40Ni4oPi4B6 [69]. Материал обладает хорошей экранирующей способностью и превосходит по эксплуатационным параметрам высоконикелевые сплавы. Такой материал был использован в космических кораблях серии «Вояджер». Подбором состава АММС можно обеспечить хорошее экранирование на различных частотах. Сочетание высокой механической прочности и высокой чувствительности определяет возможность использования АММС в подводной эхо-локации.

Вследствии малых потерь на вихревые токи в тонких лентах, пленках и проволоках АММС возможно их применение в магнетометрах, работающих на частотах более 100 кГц и характеризующихся высокой чувствительностью и малым энергопотреблением [70]. Такие магнетометры можно использовать вместо датчиков Холла в тех случаях, когда требуется высокая чувствительность в относительно широком интервале температур.

Применение АММС основано не только на их особенных магнитных свойствах. Варьирование химического состава позволяет получить положительную, отрицательную или нулевую величину температурного коэффициента электросопротивления.

Весьма широкой областью применения ленточных АММС является их использование для пайки и диффузионной сварки различных материалов. Тонкая лента удобна для пайки изделий сложной конфигурации, так как может быть предварительно отштампована на заготовки для обеспечения точных размеров соединения и требуемого, без излишков, количества припоя. Паяные соединения с использованием АММС характеризуются высоким качеством.

Широкий спектр химических составов АММС позволяет использовать их в широком интервале температур — от пайки тугоплавких металлов до пайки полупроводников. Разнообразные аморфные сплавы-припои, используются, в космической, авиационной, машиностроительной и в других отраслях, для пайки изделий сложной формы в турбинах, реактивных двигателей, теплообменниках, конструкциях самолетов, а также для активированной пайки керамики и металлокерамики [32,70].

Таким образом, в настоящее время имеются многочисленные примеры эффективного применения АММС в качестве различных материалов специального назначения. Можно уверенно предполагать, что области использования АММС будут непрерывно расширяться.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В данной работе выполнены исследования магнитных и структурных свойств образцов аморфных магнитомягких сплавов Fe8iSi5Bi4 после различных воздействий (постоянный электрический ток, переменное магнитное поле). Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Разработан комплекс измерительной аппаратуры и методика обработки образцов аморфных магнитомягких сплавов системы Fe-Si-B учитывающая одновременное воздействие джоулевого отжига и переменного магнитного поля.

2. Обнаружена перестройка доменной ферромагнитной структуры под действием переменного магнитного поля и джоулевого отжига.

3. Показано, что одновременное воздействие джоулевого отжига и переменного магнитного поля приводит к увеличению магнитной проницаемости и уменьшению удельных потерь при перемагничивании. Впервые, для образца аморфного магнитомягкого сплава Fe8iSi5Bi4 на частоте воздействия переменного магнитного поля 105 кГц получено увеличение максимальной магнитной проницаемости на 30%.

4. Установлены оптимальные параметры термической обработки джоулевым отжигом и переменным магнитным полем приводящие к улучшению магнитных характеристик АММС.

5. На основании проведенных исследований делается вывод, что одновременное воздействие джоулевого отжига и переменного магнитного поля радиочастотного диапазона, применимо для повышения качества других аморфных магнитомягких сплавов.