РАСПЛАВЫ

1 · 2019

УДК 539.3

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И СТЕКЛООБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

СПЛАВОВ CoFeSiBNb

^aУральский государственный педагогический университет,

620017 Россия, Екатеринбург, пр. Космонавтов, 26

*e$mail: takraw@yandex.ru

Поступила в редакцию 28.06.2018

В данной работе изучено влияние малых добавок олова, галлия и циркония на

магнитные свойства сплава Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄ при высоких температурах. Для иссле#

дуемых составов получены температурные зависимости магнитной восприимчиво#

сти, рассчитаны электронные характеристики: эффективный магнитный момент,

плотность электронных состояний на уровне Ферми, парамагнитная температура

Кюри. На основе рассматриваемых сплавов были получены аморфные образцы ме#

тодами инжектирования расплава и литья всасыванием.

Ключевые слова: сплавы, магнитные свойства, магнитный момент, температура Кюри.

DOI: 10.1134/S0235010619010122

ВВЕДЕНИЕ

Ферромагнитные объемные металлические стекла (bulk metallic glasses - BMG) -

сравнительно новые материалы, имеющие большие перспективы практического ис#

пользования. Они обладают уникальным набором магнитных и механических свойств,

что позволяет использовать эти материалы, например, для изготовления ультрачувстви#

тельных сенсоров [1-3]. Несмотря на привлекательность данного класса материалов

для различных инженерных приложений, производство BMG в промышленных мас#

штабах в настоящее время весьма ограничено, поскольку многие сплавы обладают от#

носительно низкой стеклообразующей способностью (glass#forming ability - GFA).

Одним из способов улучшения GFA является модификация базового состава. Ра#

нее,мы изучали хорошо известный состав Co₄₇Fe_20.9B_21.2Si_4.6Nb_6.3 и установили, что до#

бавление галлия явно улучшает стеклообразующую способность базового состава, в то

время как добавление сурьмы ведет к тому, что на практике не удается получить

аморфные образцы. Для объяснения полученных результатов мы исследовали элек#

трические и магнитные свойства сплава в жидком состоянии и обнаружили, что пара#

магнитная температура Кюри θ может служить в качестве индикатора эффективности

легирующей добавки [4, 5].

В настоящей работе приведены результаты исследования магнитной восприимчи#

вости другого состава - Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄.В качестве легирующих добавок были вы#

браны галлий, цирконий и олово.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

Образцы базового состава Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄, а также образцы с добавками 2 ат. %

галлия, циркония и сурьмы были изготовлены в вакуумной индукционной печи Ley#

bold#HeraeusIS01/III из чистых компонентов. Образцы для исследований в виде ци#

линдров диаметром 2 мм были получены литьем, всасыванием и методом инжектиро#

вания расплава в медную изложницу.

Магнитные свойства и стеклообразующая способность сплавов CoFeSiBNb

Нагревание

~902°C

Охлаждение

~1041°C

800

1000

1200

1400

1600

Температура, °C

Рис. 1. Температурная зависимость магнитной восприимчивости для базового состава.

Магнитная восприимчивость исследовалась относительным вариантом метода Фа#

радея в интервале температур от 800 до 1500°С. Все опыты проводились в атмосфере

высокочистого гелия при скоростях нагрева 3°С/мин. Величина магнитного поля со#

ставляла 0.4-0.9 Тл. Для исследований использовались тигли из оксида бериллия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования структуры аморфных образцов показали, что метод инжектирования

расплава является предпочтительным, т.к. при вакуумном всасывании расплава на по#

верхности образцов часто возникали микропоры, в которых успевали сформироваться

поверхностные кристаллы (Fe,Co)₂₃B₆. Число поверхностных микропор было наи#

большим в образцах, содержащих добавки олова.

Типичная температурная зависимость магнитной восприимчивости для базового

состава представлена на рис. 1. Ее можно разбить на три условных участка. Согласно

DSC#исследованиям, переход с участка 1 к участку 2 не сопровождается тепловым эф#

фектом, переход от участка 2 к участку 3 соответствует плавлению. Для всех исследуе#

мых образцов наблюдается гистерезис свойства, обусловленный переохлаждением.

Для состава с добавкой циркония были проделаны последовательные опыты с на#

гревом до различных температур. При нагреве образца до температуры 1250°С и по#

следующем охлаждении гистерезис свойства, обусловленный переохлаждением рас#

плава, значительно менее заметен, чем в случае, когда расплав нагревали до 1450°С.

Хорошо известно [6, 7], что при кристаллизации аморфных сплавов состава FeCoBSiNb

сначала выделяется метастабильная фаза (Fe,Co)₂₃B₆. В дальнейшем, при увеличении

температуры из фазы (Fe,Co)₂₃B₆ происходит выделение стабильных боридов и частиц

α(Co,Fe). Предполагая наличие последних в кристаллическом образце, можно счи#

тать, что скачок на температурной зависимости магнитной восприимчивости при пе#

реходе 1-2 обусловлен их полиморфным превращением.

В. А. Михайлов, В. Е. Сидоров, А. А. Сабирзянов

Таблица 1

Электронные характеристики сплавов

Состав

χ₀· 10⁶, эме/г

N(E_f), эВ^-1

θ, K

C · 10³, эме · K/г

μ_eff, µ_B

Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄

7.09

2.7

740

7.7

2.0

[Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄]₉₈Ga₂

6.82

2.6

750

7.3

2.0

[Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄]₉₈Zr₂

6.82

2.6

765

7.4

2.0

[Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄]₉₈Sn₂

7.33

2.8

670

7.3

2.0

При изготовлении аморфных образцов нами было обнаружено влияние предвари#

тельного перегрева расплава перед закалкой на качество образцов. Перегрев расплава

также влияет на гистерезис магнитной восприимчивости, обусловленный переохла#

ждением. По#видимому, при небольших перегревах над ликвидусом расплав имеет

структуру ближнего порядка такую же, как и перед плавлением. Нагрев до высоких

температур приводит к необратимому изменению структуры расплава и, вероятно, к

потери ближнего порядка. Последнее и является ответственным за большое переохла#

ждение расплава.

Температурные зависимости восприимчивости расплавов могут быть аппроксими#

рованы обобщенным законом Кюри-Вейсса:

χ(T)

=χ

-θ

где χ₀ - температурно независимый вклад в магнитную восприимчивость, С - посто#

янная Кюри, θ - парамагнитная температура Кюри. Постоянная Кюри позволяет

оценить эффективный магнитный момент, приходящийся на магнитный атом, вели#

чина χ₀ зависит от плотности электронных состояний на уровне Ферми, параметр θ

пропорционален обменному интегралу между соседними атомами. Полученные пара#

метры, а также рассчитанные электронные характеристики приведены в табл. 1. Уста#

новлено, что эффективный магнитный момент остается практически неизменным

для всех исследуемых составов, а величина θ возрастает относительно базового соста#

ва при добавлении циркония, остается практически неизменной при добавлении гал#

лия и существенно уменьшается при добавлении олова.

ВЫВОДЫ

Получены образцы объемно аморфных сплавов CoFeBSiNb с добавками Ga, Zr, Sn.

Изучены магнитные свойства данных сплавов при высоких температурах. Оказалось,

что добавки галлия и циркония ведут к возрастанию парамагнитной температуры Кю#

ри для сплавов в жидком состоянии. Добавка олова существенно уменьшает данную

величину, что может свидетельствовать об уменьшении взаимного перекрытия атом#

ных оболочек и, как следствие, ослаблению межатомного взаимодействия в расплаве.

Парамагнитная температура Кюри может быть использована в качестве индикатора

эффективности легирующей добавки.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 18#03#00433#а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. S u r y a n a r a y a n a C . , I n o u e A . Bulk metallic glasses. CRC Press, Boca Raton. 2011.

565 р.

2. M o h r i K . , K a w a s h i m a K . , K o z h a w a T. , Yo s h i d a Y. , Pa n i n a L . V. Mag#

neto#inductive effect (MI effect) in amorphous wires // IEEE Trans. Magn. 1992. 28. Р. 3150-3156.

Магнитные свойства и стеклообразующая способность сплавов CoFeSiBNb

3. Pa n i n a L . V. , M o h r i K . , U c h i y a m a T. , N o d a M . , B u s h i d a K . Giant mag#

neto#impedance in Co#rich amorphous wires and films // IEEE Trans. Magn. 1995. 31. Р. 1249-1253.

4. S i d o r o v V. E . , M i k h a i l o v V. A . , S a b i r z y a n o v A . A . Influence of alloyng ele#

ments on glass#forming ability of CoFeBSiNb alloys // Russian Metallurgy (Metally). 2016. № 2.

Р. 109-114.

5. S i d o r o v V. , H o s k o J . , M i k h a i l o v V. a n d o t h e r. Magnetic susceptibility of

CoFeBSiNb alloys in liquid state // JMMM. 2014. 354. Р. 35-38.

6. R a m a s a m y P. , S t o i c a M . , Ta g h va e i A . H . , P r a s h a n t h K . G . , K u m a r R . ,

Eckert J. Kinetic analysis of the non#isothermal crystallization process, magnetic and mechanical

properties of FeCoBSiNb and FeCoBSiNbCu bulk metallic glasses // J. of Applied Physics. 2016. 119.

Р. 073908.

7. L i L . , S u n H . , Fa n g Y. , Z h e n g J . Co#based soft magnetic bulk glassy alloys opti#

mized for glass#forming ability and plasticity // Bull. Mater. Sci. 2016. 39. № 3. Р. 691-695.

Magnetic Properties and Glass+Forming Ability of Alloys CoFeSiBNb

V. A. Mikhailov¹, V. E. Sidorov¹, A. A. Sabirzyanov¹

¹Ural State Pedagogical University, 620017 Russia, Yekaterinburg, Cosmonavtov Ave., 26

In this paper, we studied the effect of small additions of tin, gallium, and zirconium on

the magnetic properties of the Co₄₈Fe₂₅B₁₉Si₄Nb₄ alloy at high temperatures. For the stud#

ied compositions, the temperature dependences of the magnetic susceptibility were ob#

tained; the electronic characteristics were calculated: the effective magnetic moment, the

density of electronic states at the Fermi level, the paramagnetic Curie temperature. On the

basis of the alloys under consideration, amorphous samples were obtained by the methods of

melt injection and suction casting.

Keywords: alloys, magnetic properties, magnetic moment, Curie temperature

REFERENCES

1. Suryanarayana C., Inoue A. Bulk metallic glasses. CRC Press, Boca Raton. 2011. 565 р.

2. Mohri K., Kawashima K., Kozhawa T., Yoshida Y., Panina L.V. Magneto#inductive effect

(MI effect) in amorphous wires // IEEE Trans. Magn. 1992. 28. Р. 3150-3156.

3. Panina L.V., Mohri K., Uchiyama T., Noda M., Bushida K. Giant magneto#impedance in Co#

rich amorphous wires and films // IEEE Trans. Magn. 1995. 31. Р. 1249-1253.

4. Sidorov V.E., Mikhailov V.A., Sabirzyanov A.A., Influence of alloyng elements on glass#forming

ability of CoFeBSiNb alloys // Russian Metallurgy (Metally). 2016. № 2. Р. 109-114.

5. Sidorov V., Hosko J., Mikhailov V. and other. Magnetic susceptibility of CoFeBSiNb alloys in

liquid state // JMMM. 2014. 354. Р. 35-38.

6. Ramasamy P., Stoica M., Taghvaei A.H., Prashanth K.G., Kumar R., Eckert J. Kinetic analysis

of the non#isothermal crystallization process, magnetic and mechanical properties of FeCoBSiNb and

FeCoBSiNbCu bulk metallic glasses // J. of Applied Physics. 2016. 119. Р. 073908.

7. Li L., Sun H., Fang Y., Zheng J. Co#based soft magnetic bulk glassy alloys optimized for glass#

forming ability and plasticity // Bull. Mater. Sci. 2016. 39. № 3. Р. 691-695.