Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 4, стр. 346-351

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время аморфно-нанокристаллические сплавы, имеющие уникальный комплекс физико-механических свойств, широко применяются в различных областях промышленности. Магнитомягкие аморфные и нанокристаллические сплавы заметно превосходят по своим магнитным характеристикам кристаллические аналоги. Любые новые подходы, способствующие изменению магнитных свойств [1, 2], выявлению дополнительных процессов, происходящих в процессе кристаллизации материала из аморфного состояния [3], вызывают огромный интерес исследователей. В последнее время появились работы, в которых предлагается в классический Файнмет на основе Fe [4–7] или Fe–Со [8] вводить никель, как элемент, способный улучшить коррозионную стойкость и механические свойства.

Как показано в работах [4–6], введение никеля в классический Файнмет приводит к изменению фазового состава сплава, меняет температуру кристаллизации.

В работах [6–8] для сплавов на основе железа и железа–кобальта выполнено подробное исследование влияния содержания никеля в них на величину намагниченности сплавов. Так, увеличение содержания никеля до 10 ат. % в сплаве на основе Fe–Co [8] снижает намагниченность насыщения сплава на 22%. В работе [6] для сплава Fe_{72.5 –x}Ni_xCu_1.1Nb_1.9Mo_1.5Si_14.3B_8.7 (x = 0–12.7 ат. %) показано, что с увеличением содержания никеля индукция в аморфном (В₂₀₀₀), и в нанокристаллическом (В₈₀₀) состоянии сплава возрастает и достигает максимума при введении в сплав 3 ат. % никеля. С увеличением содержания никеля в сплаве более 6 ат. % максимальная индукция (В_m) снижается по сравнению с исходным состоянием (без никеля). Для сплава с 12.7 ат. % Ni уменьшение В_m составляет примерно 11%. В работе [7] в сплаве Fe_{78.8 ‒ х}Ni_хCu_0.6Nb_2.6Si₉B₉ отмечается монотонное уменьшение В₈₀₀ с ростом содержания никеля от 0 до 20 ат. %.

В результате исследования влияния никеля на индуцированную магнитную анизотропию, возникающую в сплавах Fe_{72.5– x}Ni_xCu_1.1Nb_1.9Mo_1.5Si_14.3B_8.7 (x = 0–12.7 ат. %) [6] и Fe_{78.8– х}Ni_хCu_0.6Nb_2.6Si₉B₉ [7] при нанокристаллизующем отжиге (НО) в присутствии магнитного поля, обнаружено, что введение никеля в концентрации до 6 ат. % в первый сплав и до 20 ат. % во второй сплав повышает константу наведенной магнитной анизотропии (НМА) примерно в 3 раза. Увеличение содержания никеля в этих сплавах (соответственно, более 6 и 10 ат. %) приводит к росту коэрцитивной силы [6, 7] и потерь на перемагничивание [7], что является ухудшением магнитных свойств для магнитомягких материалов. Ухудшение магнитных свойств с ростом содержания никеля в первом сплаве [6] связывают с возможным формированием в процессе НО (550°С 1 ч) тетрагональной фазы. Рост коэрцитивной силы с увеличением содержания никеля от 10 до 20 ат. % во втором сплаве после НО при 530°С 1 ч в присутствии поперечного магнитного поля [7] объясняют ростом размера зерна, наблюдаемом на структурных снимках второго сплава.

В работе [10] по поведению петель гистерезиса для сплавов Ni_хFe_{73.5– х}Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ (х = 5, 10, 20) качественно показано, что НО в присутствии растягивающих напряжений (термомеханическая обработка, ТМехО) приводит к возникновению в них поперечной магнитной анизотропии. Но не были сделаны оценки константы наведенной анизотропии.

Целью настоящей работы было исследование влияния 10 ат. % никеля, введенных вместо железа в классический Файнмет, на магнитные свойства и магнитную анизотропию сплава Fe_63.5Ni₁₀Cu₁Nb₃Si_13.5B_9, нанокристаллизованного в присутствии растягивающих напряжений.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследуемый сплав в виде ленты толщиной 20 мкм, шириной 1 мм был получен в аморфном состоянии методом закалки из расплава на вращающийся массивный диск. Исследуемый сплав и классический Файнмет проходили НО и ТМехО, совмещенную с НО, на воздухе. Исходя из данных по исследованию магнитных свойств и структуры сплава, Файнмет классического состава и с добавкой Со за счет Fe [11, 12], температура НО исследуемого сплава была выбрана равной 520°С. Эта температура близка к нижнему пределу температурного интервала (510–570°С), в котором происходит кристаллизация классического Файнмета на нанозерно. Продолжительность НО варьировали от 10 мин до 4-х ч, величина растягивающих напряжений σ в процессе ТМехО составляла 200 и 290 МПа. Термомеханическую обработку проводили в вертикальной печи, нагружение статическое, охлаждение до комнатной температуры осуществляли в присутствии нагрузки вместе с печью.

Магнитное состояние полосовых образцов длиной 100 мм контролировали по петлям гистерезиса, измеренным вдоль длинной стороны образца в полях до ±16 000 А/м в открытой магнитной цепи с помощью гальванометрического компенсационного микровеберметра Ф-190. Для образцов, прошедших НО без растягивающей нагрузки, из петель гистерезиса были определены коэрцитивная сила Н_с, максимальная индукция B_m, остаточная индукция B_r и отношение B_r/B_m. Погрешности измерения магнитных свойств составляли 3% для Н_с и 7% для B_r и B_m. Для образцов с поперечной магнитной анизотропией в результате ТМехО из петель гистерезиса помимо Н_с и B_m оценивали константу наведенной магнитной анизотропии K_u = –0.5 × M_s × H_s, где M_s – намагниченность насыщения, H_s – поле насыщения. Погрешность определения K_u составляла 10%.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Выбранная температура НО позволяет подробно проследить изменения магнитных свойств исследуемого сплава с увеличением продолжительности нанокристаллизующего отжига.

На рис. 1 приведены петли гистерезиса образцов исследуемого сплава после НО различной продолжительности. Для образцов, прошедших кристаллизацию в течение 10, 30 и 60 мин, петли гистерезиса практически не отличаются друг от друга, поэтому на рис. 1а приведены петли гистерезиса после НО и ТМехО продолжительностью только 30 мин. Из сравнения петель гистерезиса после НО (1) и после ТМехО (2 и 3) видно, что в исследуемом сплаве (как и в сплаве без никеля [9]) в процессе ТМехО наводится поперечная магнитная анизотропия. Петли гистерезиса, измеренные вдоль ленты, становятся наклонными с постоянной проницаемостью в широком диапазоне магнитных полей. Причем величина проницаемости и диапазон магнитных полей, в котором проницаемость постоянна, определяются величиной растягивающих напряжений в процессе обработки [9].

Рис. 1.

Петли гистерезиса образцов исследуемого сплава после НО – 1, после ТМехО с σ = 200 и 290 МПа, соответственно 2 и 3, с выдержками: а – 30 мин; б – 2; в – 2.5 и г – 4 ч.

Изменение магнитных свойств Н_с,B_r/B_m и B₈₀₀₀ исследуемого сплава с увеличением продолжительности НО представлены на рис. 2а–2в соответственно (кривые 2). На этом же рисунке для сравнения приведены магнитные свойства классического Файнмета (кривые 1), прошедшего НО при 520°С разной продолжительности.

Рис. 2.

Магнитные свойства Н_с, B_r/B_m и B₈₀₀₀ образцов сплавов Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ (кривые 1) и Fe_63.5Ni₁₀Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ (кривые 2) в зависимости от продолжительности отжига при 520°С.

Вспомним (см. введение), что для всех сплавов, рассмотренных в работах [6–8], при введении и увеличении в них содержания никеля до 10 ат. % наблюдается заметное уменьшение намагниченности.

Обратимся к результатам настоящего исследования. Из рис. 2в видно, что максимальная индукция, измеренная в поле 8000 А/м (В₈₀₀₀), для исследуемого сплава (кривая 2), и классического Файнмета (кривая 1) с ростом продолжительности НО практически не изменяется, но кривая 2 идет ниже кривой 1. Таким образом В₈₀₀₀ у исследованного сплава (~1.12 Тл) несколько меньше, чем у Файнмета (~1.20 Тл). Уменьшение В₈₀₀₀ за счет введения в Файнмет 10 ат. % никеля составляет примерно 7%, что не выходит за пределы погрешности измерения В₈₀₀₀.

Однако в поведении коэрцитивной силы сплавов с никелем и без никеля (файнмете) наблюдается существенная разница. Кривая 1 (файнмет) на рис. 2а идет параллельно временной оси, Н_с для продолжительностей НО 10 мин и 4 ч равна 4 и 5 А/м, соответственно. Для сплава с никелем при увеличении выдержки при НО от 10 до 60 мин кривая 2 тоже идет параллельно временной оси: Н_с, соответственно, 4 и 6 А/м. Но при увеличении продолжительности НО более 60 мин наблюдается рост Н_с (кривая 2). Коэрцитивная сила после НО в течение 4 ч равна 1450 А/м, т.е. Н_с увеличивается более, чем в 200 раз по сравнению с продолжительностью НО 1 ч.

Аналогичные закономерности для Файнмета и сплава с никелем наблюдаются и в изменении отношения B_r/B_m с увеличением продолжительности НО (рис. 2б). У образцов Файнмета отношение B_r/B_m увеличивается в 1.3 раза с ростом выдержки при НО от 10 мин до 4 ч (кривая 1). А у образцов сплава с никелем отношение B_r/B_m увеличивается в 3 раза, причем резкий рост отношения B_r/B_m происходит при тех же продолжительностях НО, что и увеличение Н_с (кривые 2, рис. 2б и 2а). Рост коэрцитивной силы может быть связан с появлением новых фаз и с возможным увеличением размера зерна в сплаве.

Как показано в работах [4, 5], введение Ni вместо Fe в классический Файнмет влияет на фазовый состав сплава. В работе [5] установлено, что фазовый состав сплавов с содержанием Ni ≥ 10 ат. % при температурах отжига ≥500°С меняется с увеличением продолжительности выдержки при кристаллизации. Вероятно, в исследуемом сплаве (выдержки до 1 ч) так же, как и в работе [5], на начальной стадии кристаллизации образуется фаза, представляющая собой неупорядоченный твердый раствор α-(Fe, Ni)Si, которая, как установлено в работе [4], не приводит к значительному изменению магнитных свойств. Для исследуемого сплава при продолжительности НО от 10 мин до 1 ч значительного изменения магнитных свойств не наблюдается (рис. 2). С дальнейшим ростом продолжительности НО, как показано в работе [5], в сплавах наблюдается вторая стадия кристаллизации: формируется тетрагональная фаза Fe₃NiSi_1.5. Эта фаза, как установлено в работе [4], приводит к ухудшению магнитомягких свойств сплава. Для исследуемого сплава при увеличении продолжительности НО от 1 до 4 ч наблюдается резкое изменение магнитных свойств (рис. 2а, 2б). Можно предположить, что при продолжительностях НО от 1 до 4 ч имеет место вторая стадия кристаллизации и наблюдаемое изменение магнитных свойств связано с формированием тетрагональной фазы.

Рассмотрим магнитные свойства образцов исследуемого сплава с наведенной магнитной анизотропией (НМА), возникающей в процессе ТМехО. Поведение коэрцитивной силы и константы НМА представлены на рис. 3. На этом же рисунке для сравнения приведены изменение Н_с и K_u Файнмета после ТМехО.

Рис. 3.

Величина H_c и K_u для образцов файнмета Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ (кривые 1) и исследуемого сплава с никелем Fe_63.5Ni₁₀Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ (кривые 2 и 3) в зависимости от продолжительности ТМехО с σ = = 200 МПа (кривые 1 и 2) и с σ = 290 МПа (кривые 3).

Из рис. 3а видно, что для Файнмета с ростом продолжительности ТМехО (σ = 200 МПа) коэрцитивная сила почти не изменяется, кривая 1 идет параллельно временной оси. То же самое наблюдалется в поведении Н_с для этого сплава с ростом продолжительности НО (рис. 2а, кривая 1). Только величина Н_с после ТМехО на порядок выше коэрцитивной силы после НО. Возрастание Н_с Файнмета после ТМехО, возможно, связано с наличием остаточной деформации в образцах сплава, которая возникает при нанокристаллизации в присутствии растягивающих напряжений. Так, в работах [13, 14] для нанокристаллических сплавов на основе Fe, прошедших НО в присутствии растягивающих напряжений, обнаружена остаточная деформация решетки нанокристаллов.

Для образцов исследуемого сплава, прошедших ТМехО с σ = 200 и 290 МПа в течение 10–60 мин, коэрцитивная сила практически не изменяется (рис. 3а, кривые 2 и 3). Только величина ее увеличивается по сравнению с Н_с после НО (рис. 2а, кривая 2), примерно в 10 и 15 раз соответственно. Причина возрастания коэрцитивной силы после ТМехО, вероятно, та же самая, что и для Файнмета: остаточная деформация решетки нанокристаллов. Величина ее зависит от приложенных растягивающих напряжений [13, 14].

При увеличении продолжительности ТМехО от 1 до 4 ч в исследуемом сплаве наблюдается рост Н_с (рис. 3а кривые 2 и 3). Причем бóльшая нагрузка в процессе ТМехО способствует еще бóльшему росту Н_с: кривая 3 (σ = 290 МПа) идет выше кривой 2 (σ = 200 МПа). Заметим, что для образцов исследуемого сплава, закристаллизованных без нагрузки, также наблюдался рост коэрцитивной силы при увеличении продолжительности НО от 1 до 4 ч (рис. 2а, кривая 2). Выше высказывалось предположение, что рост Н_с с увеличением продолжительности НО может быть связан с формированием тетрагональной фазы [5]. Можно предположить, что и в процессе ТМехО с увеличением ее продолжительности от 1 до 4 ч тоже происходит формирование тетрагональной фазы. Можно также предположить, что и остаточная деформация решетки нанокристаллов после ТМехО для нанокристаллических сплавов на основе Fe [13, 14], и возможное увеличение размера зерна с ростом продолжительности ТМехО вносят свой вклад в увеличение Н_с.

Поведение констант НМА приведено на рис. 3б. Из рисунка видно, что для образцов Файнмета (кривая 1) константа НМА достигает насыщения (1700 Дж/м³) после ТМехО в течение 10 мин. А для образцов исследуемого сплава (рис. 3б, кривая 2) константа НМА достигает насыщения (порядка 1800 Дж/м³) после ТМехО в течение 1 ч. Учитывая погрешность определения константы НМА (10%), можно считать, что введение 10 ат. % Ni в классический Файнмет практически не влияет на величину константы НМА. Это во-первых. Во-вторых, введение Ni в классический Файнмет замедляет процесс наведение магнитной анизотропии. В работе [6] получено, что повышение содержания никеля в сплаве Fe_{72.5 –x}Ni_xCu_1.1Nb_1.9Mo_1.5Si_14.3B_8.7 (x = 0–12.7 ат. %) более 6 ат. % снижает скорость кристаллизации в нем. Введение 10 ат. % Ni, по-видимому, уменьшает скорость кристаллизации в исследуемом сплаве по сравнению с Файнметом, и поэтому для того, чтобы K_u достигла насыщения, требуется ТМехО с большей выдержкой.

Из рис. 3б (кривая 3) видно, что для σ = 290 МПа в процессе ТМехО константа НМА в образцах исследуемого сплава достигает насыщения после ТМехО в течение 10 мин так же, как и в образцах классического Файнмета (кривая 1). Ранее для классического Файнмета [11] установлено, что растягивающие напряжения, приложенные при НО, ускоряют кристаллизацию в сплаве. Вероятно, увеличение величины растягивающих напряжений до 290 МПа привело к увеличению скорости кристаллизации и, следовательно, к росту объемной доли кристаллической фазы, ответственной за НМА. Это обеспечило достижение константой НМА насыщения после ТМехО продолжительностью всего лишь 10 мин.

Из результатов структурных исследований, опубликованных в работах [4, 5], следует, что в классическом Файнмете с введением Ni меняется состав структурных компонент и появляются новые фазы.

В настоящей работе исследуемый сплав проходил кристаллизацию в присутствии растягивающих напряжений, это могло оказать влияние на процесс фазового расслоения в сплаве, что требует дополнительных структурных исследований.

ВЫВОДЫ

Установлено, что введение 10 ат. % никеля за счет железа в нанокристаллический сплав Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ не влияет на тип магнитной анизотропии, наведенной в процессе ТМехО. Как и для Файнмета классического состава, наводится поперечная магнитная анизотропия.

Введение в состав сплава Файнмет 10% Ni практически не влияет на величину константы НМА, но приводит к замедлению процесса наведения магнитной анизотропии при σ ≤ 200 МПа.

Показано, что в сплаве с никелем при нанокристаллизующем отжиге (520°С) как в присутствии растягивающей нагрузки, так и без нее с увеличением продолжительности отжига от 1 до 4 ч наблюдается рост коэрцитивной силы сплава более чем в 200 раз.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме “Магнит” № АААА-А18-118 020 290 129-5 и проекту № 18-10-2-5 Программы УрО РАН.