Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 6, стр. 615-621

ВВЕДЕНИЕ

Ленты аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта находят применение в магнитном экранировании, поскольку обладают близкой к нулю магнитострикцией насыщения и высокими значениями максимальной магнитной проницаемости. При изготовлении магнитного экрана зачастую необходимо формирование на поверхности ленты склеивающего полимерного покрытия (ПП). При изготовлении экрана, разработанного в ЦНИИ КМ “Прометей” [1], в качестве связующего используется двустороннее полимерное покрытие (ПЭТФ), которое формируется в интервале температур 90–130°С в присутствии прессующего давления (ПД) и выполняет защитные функции. Поверхностные покрытия, формируемые на лентах аморфных магнитомягких сплавов, как правило, являются магнитоактивными. Индуцируемые ими напряжения влияют на распределение намагниченности, процессы намагничивания и, следовательно, на магнитные свойства [2–7]. Вследствие усадки пленки при охлаждении полимерное покрытие создает плоские сжимающие напряжения [8]. Прессующее давление и полимерное покрытие индуцируют напряжения, которые оказывают противоположное воздействие на свойства ленты. Эти воздействия частично нивелируют друг друга при формировании покрытия. Степень влияния полимерного покрытия на магнитные свойства зависит от состояния ленты и знака магнитострикции насыщения в этом состоянии [8]. Она также зависит и от условий формирования полимерного покрытия [9]. Полимерное покрытие, формируемое на ленте аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B в состоянии с положительной магнитострикцией насыщения (после термообработок при 300 и 380°С с длительностью изотермической выдержки 60 и 40 мин) неоднозначно влияет на распределение намагниченности. В интервале температур формирования 90–110°С в течение 7 мин индуцируемые покрытием плоские сжимающие напряжения приводят к повышению объема доменов с ортогональной намагниченностью (V_орт), что соответствует состоянию с λ_s > 0. При температурах формирования 110–130°С наблюдается обратный эффект, связанный с изменением знака магнитострикции насыщения: плоские сжимающие напряжения способствуют переориентации намагниченности в плоскость ленты. Изменение знака λ_s связано с изменением структурно-фазового состояния ленты в результате ее повторного нагрева и выдержки при этих температурах [9]. Следует отметить, что индуцируемые покрытием плоские сжимающие напряжения во всем интервале температур его формирования способствуют уменьшению максимальной магнитной проницаемости вследствие повышения уровня внутренних напряжений. В этом случае наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости составило около 300 000. Примечателен тот факт, что на протяжении 9 мес. в ленте с полимерным покрытием имело место повышение μ_max. Через 9 мес. наибольшее значение μ_max составило 380 000 при температуре формирования полимерного покрытия 90°С.

В настоящей работе исследовано влияние условий формирования полимерного покрытия на ленте в состоянии с отрицательной магнитострикцией насыщения, поскольку индуцируемые покрытием плоские сжимающие напряжения способствуют переориентации намагниченности в плоскость ленты и ослабляют стабилизацию границ доменов с планарной намагниченностью.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проведены на образцах в форме полос размерами 100 × 10 × 0.020 мм. Кривые намагничивания получены индукционно-импульсным методом с погрешностью измерения магнитной индукции и поля, не превышающей 2%, максимальной магнитной проницаемости – 3%. Относительный объем доменов с ортогональной намагниченностью (V_орт) определяли из корреляционной зависимости между максимальными значениями остаточной индукции (B_rs) и объема доменов с ортогональной намагниченностью, полученной при мессбауэровских исследованиях [7, 8]. Для определения распределения намагниченности в плоскости ленты: относительных объемов доменов с планарной (параллельной плоскости ленты) намагниченностью (V_пл), ориентированной вдоль (V₁₈₀) и поперек (V₉₀) ее оси, использовали зависимость остаточной индукции (B_r) от максимальной (B_m). Значения остаточной индукции, необходимые для построения зависимости B_r(B_m), определяли из частных петель гистерезиса. Относительная погрешность определения распределения намагниченности не превышала 5%. Знак магнитострикции насыщения определяли при помощи обработки поверхности ленты водой комнатной температуры в течение 15 мин без видимого окисления поверхности [10–14]. Полимерное покрытие формировали в присутствии прессующего давления в интервале температур 90–130°С. Для разделения влияния прессующего давления и полимерного покрытия образцы подвергали обработке, имитирующей формирование покрытия: при тех же условиях, но без нанесения покрытия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследования условий формирования полимерного (ПЭТФ) покрытия на распределение намагниченности и максимальную магнитную проницаемость представлены на рисунках 1–6 и в табл. 1. Полимерное покрытие формировали на ленте, предварительно прошедшей термообработки на воздухе при 370 и 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин. Обработка поверхности ленты водой показала, что при таком режиме отжига реализуется состояние с λ_s < 0. Индуцируемые внедренными в поверхность ленты атомами водорода и кислорода преимущественно плоские растягивающие напряжения способствуют переориентации намагниченности перпендикулярно направлению их действия: несколько увеличивается объем доменов с ортогональной намагниченностью (см. табл. 1). Согласно теории направленного упорядочения, в плоскости ленты перпендикулярно ее оси образуется повышенная концентрация внедренных в поверхность ленты атомов, поскольку результирующая намагниченность после термообработок ориентирована вдоль оси ленты. В результате этого поперек оси ленты индуцируются анизотропные растягивающие напряжения, которые вызывают перераспределение намагниченности в ленте, увеличивая остроту магнитной текстуры η = V₁₈₀/V₉₀.

Рис. 1.

Влияние прессующего давления (1) и полимерного покрытия (2) на максимальную магнитную проницаемость аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 370°С сразу (а) и через 1 (б) и 2 (в) года.

Рис. 2.

Влияние прессующего давления (1) и полимерного покрытия (2) на объем доменов с ортогональной намагниченностью аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si– B после термообработки на воздухе при 370°С сразу (а) и через 1 (б) и 2 (в) года.

Рис. 3.

Влияние прессующего давления (1, 3, 5) и полимерного покрытия (2, 4, 6) на максимальную магнитную проницаемость аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин сразу (а) и через 1 (б) и 2 (в) года.

Рис. 4.

Влияние прессующего давления (1, 3, 5) и полимерного покрытия (2, 4, 6) на объем доменов с ортогональной намагниченностью аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин сразу (а) и через 1 (б, кривые 3, 4) и 2 (в, кривые 5, 6) года.

Рис. 5.

Влияние прессующего давления (1) и полимерного покрытия (2) на зависимость магнитной проницаемости от поля аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин сразу (а) и через 1 год (б).

Рис. 6.

Влияние прессующего давления (1) и полимерного покрытия (2) на зависимость магнитной проницаемости от поля аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин сразу (а) и через 1 год (б).

На рис. 1 и 3 показано влияние полимерного покрытия и прессующего давления на максимальную магнитную проницаемость образцов сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B, сформированного после термообработок на воздухе при 370 и 380°С с длительностью изотермической выдержки τ = 10 мин. Видно (рис. 1а и 3а), что и в этом случае формирование полимерного покрытия приводит к снижению максимальной магнитной проницаемости во всем интервале температур его формирования. При этом значения максимальной магнитной проницаемости ленты с покрытием находятся в интервале от 200 000 до 350 000. Наибольшие значения μ_max наблюдаются при температуре формирования 90°С.

Рис. 2 и 4 демонстрируют влияние полимерного покрытия, сформированного в интервале температур 90–130°С, на распределение намагниченности в ленте. Обращает на себя внимание тот факт, что и в этом случае при разных температурах формирования наблюдается неоднозначное влияние полимерного покрытия на объем доменов с ортогональной намагниченностью. Эти результаты аналогичны соответствующим результатам, полученным при нанесении покрытия на ленту после термообработок, формирующих состояние с положительной магнитострикцией насыщения [9]. Зависимость V_орт от температуры нанесения покрытия также имеет вид кривой с максимумом, который сдвинут в область более высоких температур. Для образцов с покрытием, сформированным после термообработки при 370°С, максимум приходится на 120°С (см. рис. 2а). В интервале температур выше 95 и чуть ниже 130°С индуцируемые полимерным покрытием сжимающие напряжения приводят к повышению объема доменов с ортогональной намагниченностью, в то время как формирование покрытия при 90 и 130°С способствует некоторому уменьшению V_орт. Активируемые низкотемпературной термообработкой диффузионные процессы приводят к изменению структурно-фазового состояния ленты, вызывающего смену знака магнитострикции насыщения в определенном температурном интервале [9]: при 100–120°С λ_s > 0. На зависимости V_орт от температуры нанесения покрытия на ленту после термообработки при 380°С наблюдаются некоторые отличия. Практически во всем интервале температур полимерное покрытие приводит к повышению объема доменов с ортогональной намагниченностью (рис. 4а). Это соответствует состоянию с положительной магнитострикцией насыщения. Лишь при 130°С индуцируемые покрытием плоские сжимающие напряжения способствуют переориентации намагниченности в плоскость ленты в результате смены знака λ_s. Также обращает на себя внимание и тот факт, что максимум на зависимости V_орт(t) смещается в область более низких температур: 110°С. Такое поведение может быть связано с некоторыми различиями в структурно-фазовом состоянии ленты в результате большей степени активизации диффузионных процессов при термообработке с более высокой температурой (например, увеличением толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя).

Изменение со временем магнитных характеристик ленты с полимерным покрытием, сформированным после термообработок на воздухе при 370 и 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин. анализировали на протяжении двух лет. Видно, что объем доменов с ортогональной намагниченностью существенно изменяется с течением времени (рис. 2 и 4). Аналогия зависимости V_орт от температуры формирования покрытия для образцов, отожженных при 370°С (λ_s < 0), с формированием покрытия на ленте в состоянии с λ_s > 0 становится более ярко выраженной [9]. В интервале температур выше 90 и чуть ниже 110°С индуцируемые покрытием сжимающие напряжения способствуют переориентации намагниченности перпендикулярно плоскости ленты. Следовательно, в этом диапазоне температур состояние ленты с покрытием также характеризуется положительными значениями λ_s. При температурах 110–130°С полимерное покрытие приводит к уменьшению объема доменов с ортогональной намагниченностью, что соответствует состоянию с λ_s < 0. На протяжении 1 года в ленте с покрытием, сформированным при 90°С, не происходит смены знака магнитострикции насыщения. Тем не менее, протекание диффузионных процессов с течением времени приводит к тому, что изменение структурно-фазового состояния ленты с полимерным покрытием через 2 года вызывает смену знака магнитострикции насыщения с отрицательного на положительный и при температуре формирования 90°С.

В образцах ленты с покрытием, сформированным после термообработки при температуре 380°С, на протяжении 2 лет не наблюдается смены знака магнитострикции насыщения во всем интервале температур формирования. Однако при 380°С имеет место существенное уменьшение относительного объема доменов с ортогональной намагниченностью, которое может быть связано с изменением величины магнитострикции насыщения. Особенно ярко влияние уменьшение λ_s со временем проявляется в этом случае при температуре формирования покрытия 110°С, поскольку при этой температуре имеют место наибольшие значения объема доменов с ортогональной намагниченностью (см. рис. 4а). На рис. 5 представлены зависимости максимальной магнитной проницаемости от поля сразу после формирования покрытия при 110°С и через год. Видно, что по сравнению с имитацией покрытия в ленте со сформированным покрытием помимо уменьшения максимальной магнитной проницаемости наблюдается сдвиг максимума на зависимости μ(Н) в сторону больших полей (рис. 5а). Это обусловлено не только повышением общего уровня внутренних напряжений, но и стабилизацией границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью. Уменьшение магнитострикции насыщения с течением времени снижает чувствительность ленты к индуцируемым покрытием напряжениям. В результате этого уменьшается объем доменов с ортогональной намагниченностью, ослабляется стабилизация границ доменов с планарной намагниченностью. В результате этого максимальная магнитная проницаемость ленты с покрытием, сформированным при 110°С, с течением времени возрастает, тем не менее и в этом случае ее значения ниже, чем в ленте с имитацией покрытия. На зависимости μ(Н), измеренной через 1 год на ленте с полимерным покрытием, практически отсутствует смещение максимума относительно соответствующей кривой для имитации формирования покрытия (рис. 5б). На протяжении второго года при дальнейшем уменьшении λ_s наблюдается снижение μ_max, которое составляет около 12%. При этом максимум на зависимости μ(Н) ленты с имитацией формирования покрытия находится практически в том же поле: 0.66 А/м, а для ленты с покрытием имеет место смещение до 1.04 А/м. Уменьшение объема доменов с ортогональной намагниченностью ослабляет стабилизацию границ доменов с планарной намагниченностью. Следовательно, наблюдаемый в этом случае сдвиг максимума на зависимости μ(Н) обусловлен влиянием напряжений на процессы намагничивания, уровень которых возрастает с увеличением толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя с течением времени. Сдвиг максимума на зависимости μ(Н) может быть следствием неоднородности структурно-фазового состояния ленты. Например, при компенсационном механизме формирования величины λ_s даже при ее нулевом значении может иметь место отсутствие полевой компенсации на зависимости λ(Н). Анализ зависимостей B_r(B_m) показывает, что максимальная магнитная проницаемость в обоих случаях достигается при участии смещения 90-градусных доменных границ [8]. Например, увеличение магнитострикционной деформации с течением времени в поле, соответствующем максимальной магнитной проницаемости, может приводить к сдвигу максимума на зависимости μ(Н) в область больших полей. К аналогичному сдвигу максимума зависимости μ(Н) приводят плоские сжимающие напряжения, индуцируемые полимерным покрытием при его формировании при 120°С на ленте после отжига при 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин (рис. 6). Через год сдвиг максимума также практически исчезает. Однако в этом случае индуцируемые полимерным покрытием плоские сжимающие напряжения приводят к существенному (в 1.5 раза) повышению максимальной магнитной проницаемости из-за смены знака λ_s с положительного на отрицательный.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование влияния температуры нанесения полимерного покрытия на поверхности ленты аморфного магнитомягкого сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B после термообработок, формирующих состояние с отрицательной магнитострикцией насыщения, показало, что индуцируемые полимерным покрытием сжимающие напряжения приводят к уменьшению максимальной магнитной проницаемости. Обнаружено существование интервала температур, в котором при формировании покрытия происходит изменение знака магнитострикции насыщения. Оно обусловлено изменением структурно-фазового состояния ленты из-за диффузионных процессов при ее нагревании. Формирование покрытия способствует некоторому уменьшению максимальной магнитной проницаемости, тем не менее на протяжении 2 лет не наблюдается снижения μ_max в ленте с покрытием, сформированным в интервале температур 110–130°С.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, проект 3.6121.2017/8.9.