1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика металлов и металловедение
  4. T. 120, № 8, 2019

Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 8, стр. 787-792

Атомное упорядочение и эффект термомагнитной обработки в магнитомягких сплавах Fe–Si

В. В. Губернаторов a, Ю. Н. Драгошанский a, Т. С. Сычева a, *

a Институт физики металлов УрО РАН
620108 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18, Россия

* E-mail: sych@imp.uran.ru

Поступила в редакцию 30.01.2019
После доработки 26.02.2019
Принята к публикации 12.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Предложен механизм изотропного улучшения магнитных свойств магнитомягких сплавов Fe–Si с ОЦК-решеткой при термомагнитной обработке в знакопеременном магнитном поле. Его суть заключается в том, что приложенное знакопеременное магнитное поле, переориентируя оси пар ближайших атомов кремния (“направленное упорядочение атомов”) в нанокластерах со сверхструктурой FeSi (тип В2), переводит атомы кремния из устойчивого равновесного положения в центрах кубических ячеек в неравновесное. При этом силы связи между ними ослабевают и появляется возможность перемещения их движущимися границами магнитных доменов. В результате происходит разрушение нанокластеров, перераспределение слабосвязанных атомов кремния по объему и изотропное улучшение магнитных свойств железокремнистых сплавов. Объяснена зависимость эффекта термомагнитной обработки в сплавах Fe–Si от напряженности приложенного постоянного магнитного поля (в слабых полях он анизотропен, в сильных – изотропен).

Ключевые слова: магнитомягкие железокремнистые сплавы, кристаллографическая текстура, атомное упорядочение, нанокластеры, термомагнитная обработка, магнитные домены, магнитные свойства

ВВЕДЕНИЕ

Одним из способов энергосбережения является разработка и применение магнитомягких материалов с пониженными удельными магнитными потерями в энергомашиностроении [1, 2]. В настоящее время магнитопроводы генераторов и электродвигателей изготавливают в основном из электротехнической изотропной стали (ЭИС – изотропный магнитомягкий ОЦК сплав Fe – до 4 мас. % Si), а сердечники трансформаторов – из электротехнической анизотропной стали (ЭАС – сплав Fe ~ 3 мас. % Si с кристаллографической текстурой (110)[001]). Авторы обзора [2], перечисляя перспективные направления научно-прикладных исследований по улучшению магнитных свойств (прежде всего по снижению удельных магнитных потерь при перемагничивании Р и повышению магнитной индукции В) электротехнических сталей, неоправданно оставляют без внимания проблему термомагнитной обработки (ТМО – термическая обработка материала в присутствии внешнего магнитного поля) этих сталей в знакопеременном (ТМО~) или постоянном (ТМО–) магнитных полях. Между тем, несмотря на то что эффекту ТМО посвящено большое число работ, некоторые важные детали его формирования в электротехнических сталях до сих пор остаются неясными, что препятствует выбору оптимальных условий его получения и использования. Так пока непонятна установленная в [3] сложная зависимость коэрцитивной силы Нс в ЭИС от величины и характера (постоянного Н– или знакопеременного Н~) приложенного магнитного поля (табл. 1). Видно, что Нс уменьшается вдоль и поперек направления действовавшего при ТМО внешнего Н~. Т.е. эффект ТМО~ изотропен.

Таблица 1.  

Относительное изменение Нс квадратных образцов (0.35 × 40 × 40 мм) ЭИС при ТМО, измеренной вдоль (||) и поперек (⊥) направления приложенного Н~ или Н– [3]

Н при ТМО, кА/м ΔНс после ТМО~, % ΔНс после ТМО–, %
|| ⊥ || ⊥
12 –40 –30 –40 +15
48 –44 –45 –44 –18

Примечание: (–) – уменьшение, (+) – увеличение Нс.

Отжиг в небольшом поле Н– приводит к уменьшению Нс вдоль и увеличению поперек направления приложенного поля (эффект ТМО– анизотропен), а в большом – к уменьшению Нс вдоль и поперек приложенного поля (эффект ТМО– изотропен).

Эффект ТМО в электротехнических сталях, по мнению [4], обусловлен перераспределением направлений легкого намагничивания и стабилизацией магнитной доменной структуры под влиянием индуцированной анизотропии, которая развивается в процессе “направленного упорядочения атомов” [5]. При этом считают, что основную роль в формировании магнитных свойств этих сталей при ТМО играют микронеоднородности со сверхструктурой В2 стехиометрического состава FeSi (далее по тексту – нанокластеры). В данной работе предпринята попытка связать изотропность эффекта ТМО в сплавах Fe–Si с поведением нанокластеров под действием внешних магнитных полей.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследованы квадратные образцы (0.5 × 50 × × 50 мм) ЭИС с 1.6% Si и полоски (0.3 × 10 × 100 мм) ЭАС с 3% Si с текстурой (110)[001] и (110)[1$\bar {1}$0]. Длинная сторона полосок совпадала с направлением легкого [001] или более трудного [1$\bar {1}$0] намагничивания. Образцы вырезали из готовых заводских полос, прошедших заключительный высокотемпературный отжиг после холодной прокатки на конечную толщину. Стороны квадратных образцов и длинные стороны полосок располагали вдоль или поперек направления прокатки. После изготовления они были отожжены при 1200°С в вакууме и охлаждены без магнитного поля. Исходные магнитные свойства образцов соответствовали характеристикам высоких марок: ЭАС – 3408, 3409 и ЭИС – 2214.

Режим ТМО: нагрев образцов до 450°С, включение постоянного или знакопеременного магнитного поля и после 2-х минутной выдержки охлаждение до комнатной температуры со скоростью 20°С/мин в присутствии магнитного поля (для ЭАС – Н = 12 кА/м, для ЭИС – Н = 48 кА/м).

Удельные магнитные потери Р и коэрцитивную силу Нс образцов до и после ТМО измеряли на магнитоизмерительной установке МК-4Э (ЗАО НПО “Интротест”) с относительной погрешностью (при доверительной вероятности 0.95) по Нс не более 2% и по Р – 4%. Магнитные потери измеряли в области низких частот и средних амплитуд индукции, близких к условиям работы трансформаторов малой мощности: Р1.5/50 и Р1.0/60, т.е. при индукциях 1.5 и 1.0 Тл и частотах 50 и 60 Гц. Повышенная частота 60 Гц обеспечивала более устойчивый режим перемагничивания образцов ЭАС. Измерение Р квадратных образцов ЭИС проводили вдоль и поперек направления приложенного поля при ТМО, а полосок ЭАС – вдоль длинной стороны, вдоль которой было приложено поле при ТМО. В табл. 2 и 3 приводятся средние значения по пяти образцам.

Таблица 2.  

Величина и снижение удельных магнитных потерь в образцах ЭИС после ТМО~, измеренных вдоль (||) и поперек (⊥) Н~

Р1.5/50, Вт/кг
до ТМО после ТМО~
Р׀׀ Р⊥ Р׀׀ ΔР׀׀, % Р⊥ ΔР⊥, %
4.0 4.8 3.5 12.5 4.4 8.4
Таблица 3.  

Величина и снижение удельных магнитных потерь в полосках ЭАС двух ориентаций после ТМО~

Текстура образцов Р1.0/60, Вт/кг ΔР, %
до ТМО после ТМО~
(110)[001] 0.60 0.57 5
(110)[1$\bar {1}$0] 1.41 1.09 23

Магнитную доменную структуру образцов исследовали методом магнитопорошковых суспензий. Ориентация кристаллитов определена по виду доменной структуры [6]. С помощью устройства для одновременного оптического мониторинга двух поверхностей плоских твердых тел МП-2 [7] установили, что в кристаллах (110)[001] толщиной 0.3 мм основные 180° полосовые магнитные домены и мелкие узкополосные и каплевидные замыкающие домены являются сквозными. При намагничивании сквозные 180° полосовые домены, намагниченность которых близка к направлению приложенного вдоль [001] внешнего поля, расширяются за счет соседних доменов. При этом границы некоторых 180° доменов перемещаются по объему образца вместе с состыкованными с ними 90° замыкающими доменами, т.е. при намагничивании перемещаются по объему и комплексы 180°–90° магнитных доменов (КМД).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Изменение удельных магнитных потерь под действием ТМО~

Измерения Р1.5/50 в двух перпендикулярных направлениях квадратных образцов ЭИС до и после ТМО показали, что не только по Нс, но и по Р эффект ТМО~ изотропен (табл. 2). Р1.5/50 уменьшается и вдоль, и поперек направления действовавшего при ТМО внешнего поля Н~ (как и во всех других направлениях в плоскости образца). Некоторая разница в величинах эффекта в продольном и поперечном направлениях (12.5 и 8.4%) связана с неидеальной изотропностью свойств образцов заводской ЭИС, в которой соответствующие величины различались на 17% уже в исходном (до ТМО) состоянии. Неидеальная изотропность образца “изотропной” ЭИС может быть обусловлена неоднородным распределением текстурных компонент, внутренних напряжений, неоднородной формой кристаллитов и однонаправленностью холодной прокатки при ее изготовлении.

Эффект ТМО~ в ЭАС зависит от направления приложенного поля Н~ (табл. 3). Когда магнитное поле приложено вдоль направления легкого намагничивания [001], он незначителен, и высок, когда поле приложено вдоль направления более трудного намагничивания [1$\bar {1}$0].

Как показывает практика, при низкотемпературном отжиге электротехнических сталей в магнитном поле макро- и микроструктурных превращений не происходит (размер кристаллитов, кристаллографическая текстура и крупные включения, сформировавшиеся при предыдущих высокотемпературных обработках, не меняются); остается полагать, что эффект ТМО~ связан с изменениями тонкой (атомной) структуры стали, а именно с поведением нанокластеров.

2. Нанокластеры и магнитные свойства сплавов Fe–Si

В электротехнических сталях нанокластеры образуются при деформационном старении на стадии атомного упорядочения [8]. В основе этого процесса лежит взаимодействие атомов кремния со “свежими” дефектами кристаллической решетки, внесенными в сталь ускоренным охлаждением (60–100°С/мин) после заключительного высокотемпературного отжига и переходом стали из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Следует отметить, что в сплавах Fe – до 5.5% Si превращение беспорядок (А) → порядок (В2) осуществляется ниже температуры Кюри ТС [9]. Считается [10], что: а) из-за малого содержания кремния в стали нанокластеры состоят в основном из двух элементарных ОЦК-ячеек с атомами кремния внутри (твердый раствор замещения) и, естественно, имеют анизотропную форму; б) атомы кремния могут перемещаться под действием внешнего магнитного поля.

Так как превращение А → В2 протекает ниже ТС, то нанокластеры и оси пар атомов кремния в них ориентируются в соответствии с самопроизвольной намагниченностью. В квадратных образцах ЭИС они располагаются вдоль трех направлений легкого намагничивания 〈001〉, а в длинных с малым поперечным сечением образцах ЭАС – вдоль одного (из трех возможных) направления легкого намагничивания [001], выделенного формой образца (размагничивающим фактором) [11]. Атомные конфигурации сверхструктур в сплавах Fe–Si обладают высокой стабильностью (устойчивостью по отношению к внешним воздействиям), так как имеют наименьшую конфигурационную энергию и сильное атомное взаимодействие [9].

Ясно, что наличие анизотропных нанокластеров в стали оказывает существенное влияние на ее магнитные свойства. Так, по данным [8], образцы ЭАС (0.33 × 5 × 100 мм) с текстурой (110)[1$\bar {1}$0] и нанокластерами (обработка – ускоренное охлаждение + деформационное старение) имеют Нс больше на 14%, чем контрольные (обработка – только медленное охлаждение после высокотемпературного отжига). Отрицательное влияние нанокластеров может быть обусловлено стабилизацией магнитной доменной структуры образующимися около них КМД, подобно их образованию на неподвижных включениях и участках локальных напряжений, препятствующих перемещению доменных границ (рис. 1).

Рис. 1.

КМД около включения в кристалле (110)[001] (а) и локального напряжения в кристалле (100)[001] (б). Стрелки указывают ориентацию намагниченности в доменах; НП – направление прокатки.

3. Поведение нанокластеров при ТМО

Зная строение нанокластеров, учитывая их устойчивость и ориентацию осей пар атомов кремния в них, изотропное улучшение магнитных свойств электротехнических сталей при ТМО можно представить следующим образом.

Эффект ТМО~ в ЭАС, когда внешнее поле Н~ направлено вдоль [001], незначителен (см. табл. 3). Движущиеся границы магнитных доменов не в состоянии что-либо сделать с устойчивыми нанокластерами, в которых оси пар атомов кремния ориентированы в направлении легкого намагничивания [001]. Некоторое (5%) уменьшение удельных магнитных потерь ЭАС связано с тем, что движущиеся границы доменов делают более равномерным распределение подвижных дефектов и примесных атомов в объеме металла. Но если направление поля Н~ расположить в плоскости (110) под углом φ к кристаллографическому направлению [001] (рис. 2), то при достаточной напряженности этого поля и при всех прочих равных условиях в нанокластерах произойдет переориентация осей пар атомов кремния. Она происходит путем перемещения этих атомов из устойчивых равновесных положений в центре элементарной кубической ячейки (положение 1) в неравновесные (положение 2). При этом расстояние между ними увеличится, силы связи ослабнут [12] и движущиеся границы доменов, благодаря магнитоупругому взаимодействию, могут перемещать отдельные атомы кремния и распределять их более равномерно в металле; т.е. происходит разрушение нанокластеров, что и увеличивает эффект ТМО~. Причем этот эффект станет изотропным, так как в стали не будет нанокластеров, препятствующих движению границ доменов при перемагничивании. Перенос слабосвязанных атомов кремния по объему образца обеспечивается перемещением КМД, который был расположен около нанокластера.

Рис. 2.

Положения атомов кремния в нанокластерах в кристалле (110)[001] ЭАС и их изменение под действием направленного под углом φ к [001] Н~ при ТМО.

Процесс разрушения нанокластеров, возможно, аналогичен перестройке и откреплению дислокаций от стопоров и перемещению их по образцу на расстояние порядка 10–6 м при движении границ магнитных доменов [13], а также процессу исчезновения мелких неоднородностей после прохождения границ магнитных доменов при перемагничивании (рис. 3). На поверхности кристалла (110)[001] сплава Fe–3%Si вблизи состояния магнитного насыщения в домене четко выявляются мелкие магнитные неоднородности, притягивающие частицы магнитной суспензии благодаря своим магнитным полям рассеяния (темные точки на рис. 3а). На этом фоне вблизи крупных неоднородностей (например, немагнитных включений – оксидов кремния и алюминия, нитридов титана) формируются клиновидные зародыши перемагничивания (рис. 3а), снижающие поля рассеяния этого дефекта. С уменьшением напряженности намагничивающего поля возникают новые домены (рис. 3б, сверху), а указанные зародыши с обратной намагниченностью становятся основными полосовыми доменами (рис. 3в). Рост доменов происходит путем смещения их 180° границ в обе стороны (вверх и вниз на снимке). В процессе этого движения границы растущего домена взаимодействуют с неоднородностями в кристалле через магнитоупругие деформации, и наиболее подвижные и дисперсные неоднородности перемещаются границей по образцу. В результате, как видно на рис. 3в, плотность этих включений внутри растущих доменов оказывается значительно меньшей, чем по обе стороны от него.

Рис. 3.

Формирование новых, более чистых магнитных доменов с обратной намагниченностью в кристалле (110)[001] сплава Fe–3% Si при снижении напряженности намагничивающего поля Н– (а → в).

Справедливость приведенных рассуждений подтверждают результаты работ, в которых повысили эффект ТМО~ в ЭАС, например, приложением растяжения в направлении магнитного поля при ТМО~ [4] или ионно-лучевой обработкой перед ТМО~ [14]. Эти внешние дополнительные воздействия на ЭАС, по нашему мнению, нарушают равновесное состояние пар атомов кремния в нанокластерах и создают условия для устранения их движущимися границами магнитных доменов.

Поскольку ЭИС в основном состоит из октаэдрических (111)〈uvw〉 и кубических (100)〈0vw〉 кристаллитов [2], то при ТМО~ в первых разрушатся все нанокластеры, так как они отклонены на большой угол от направления поля Н~, а во вторых – сохранятся ориентированные вдоль направления поля Н~ нанокластеры. Поэтому и наблюдается некоторая разница в ΔНс и ΔР, измеренных вдоль и поперек приложенного поля (табл. 1 и 2). При ТМО в слабом поле Н– ориентация осей пар атомов в нанокластерах приближается к направлению поля (1–1 → 2–2, рис. 4), что понижает Нс вдоль поля и повышает ее в поперечном направлении, т.е. эффект ТМО анизотропен. В сильном поле Н– изотропность эффекта ТМО– в ЭИС обусловлена тем, что поле, переориентируя отклоненные на большой угол от направления поля оси пар атомов кремния в нанокластерах, переводит атомы кремния в междоузлия (1–1 → 3–3, рис. 4). Эти атомы, обладая хорошей подвижностью, во время ТМО– могут диффундировать по объему металла, что приводит к разрушению указанных нанокластеров и изотропности эффекта ТМО– в ЭИС.

Рис. 4.

Положения атомов кремния в нанокластерах в кристалле (100)[1$\bar {1}$0] ЭИС и их изменение при ТМО в поле Н–, отклоненном на угол 45° от направления легкого намагничивания [001]. НП – направление прокатки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа результатов собственных исследований и литературных данных предложен механизм перестройки и разрушения анизотропных нанокластеров со сверхструктурой FeSi (тип В2) в магнитомягких ОЦК-сплавах Fe–Si при ТМО в знакопеременном и сильном постоянном магнитных полях. Его суть заключается в следующем.

При ТМО~ в ЭИС и ЭАС происходит переориентация осей пар ближайших атомов кремния в нанокластерах (“направленное упорядочение атомов”) и переход этих атомов из устойчивого равновесного положения в центрах кубических ячеек в неравновесное и создание возможности их перемещения по объему металла движущимися границами магнитных доменов. Отсутствие нанокластеров и более равномерное распределение атомов кремния обусловливают изотропность эффекта ТМО~ в электротехнических сталях.

При ТМО в сильном постоянном магнитном поле в ЭИС происходит разрушение только тех нанокластеров, в которых оси пар ближайших атомом кремния отклонены от направления приложенного поля на большой угол. Это приводит к изотропности эффекта ТМО– в ЭИС.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема “Магнит”, № АААА-А18-118020290129-5) при частичной поддержке УрО РАН (проект № 18-10-2-5).

Список литературы

  1. Молотилов Б.В. Проблемы разработки и производства прецизионных и специальных электротехнических сталей // Сталь. 2017. № 2. С. 59–62.

  2. Редикульцев А.А., Цырлин М.Б. Производство электротехнических сталей: вчера, сегодня, завтра // Черная металлургия. 2013. № 1. С. 44–63.

  3. Шулика В.В., Старцева И.Е., Шур Я.С. Термомагнитная обработка трансформаторной стали в переменном магнитном поле // ФММ. 1975. Т. 40. № 2. С. 296–303.

  4. Зайкова В.А., Старцева И.Е., Филиппов Б.Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. 271 с.

  5. Тикадзуми Т. Физика ферромагнетизма: Магнитные характеристики и практические применения. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 420 с.

  6. Драгошанский Ю.Н., Есина Н.К., Зайкова В.А. Влияние совершенства кристаллографической текстуры (110)[001] на величину электромагнитных потерь в трансформаторной стали // ФММ. 1978. Т. 45. № 4. С. 723–728.

  7. Драгошанский Ю.Н., Пудов В.И. Устройство для оптического мониторинга поверхностей твердых тел // Патент РФ № 174673. Бюл. № 30 от 25.10.2017.

  8. Губернаторов В.В., Сычева Т.С., Драгошанский Ю.Н. Формирование свойств ферромагнитных сплавов при термомагнитной и термомеханической обработках // ФММ. 2004. Т. 98. № 1. С. 31–37.

  9. Глезер А.М., Молотилов Б.В. Упорядочение и деформация сплавов железа. М.: Металлургия, 1984. 168 с.

  10. Кузнецов А.Р., Горностырев Ю.Н., Ершов Н.В., Лукшина В.А., Черненков Ю.П., Федоров В.И. Атомные смещения и ближний порядок в магнитомягком сплаве FeSi: эксперимент и результаты ab initio расчетов // ФТТ. 2007. Т. 49. Вып. 12. С. 2184–2191.

  11. Зусман А.И., Арцишевский М.А. Термомагнитная обработка железоникелевых сплавов. М.: Металлургия, 1984. 94 с.

  12. Карнаухов И.Н., Погорелов А.Е., Чернолевский М.С. Направленный массоперенос под действием внешнего импульса // Металлофизика и новые технологии. 2012. Т. 34. № 2. С. 159–174.

  13. Чеботкевич Л.А., Урусовская А.А., Ветер В.В. Движение дислокаций под действием магнитного поля // Кристаллография. 1965. Т. 10. № 5. С. 688–691.

  14. Губернаторов В.В., Сычева Т.С., Драгошанский Ю.Н., Овчинников В.В., Ивченко В.А. Влияние бомбардировки ускоренными ионами на эффекты термомагнитной обработки ферромагнетиков // ДАН. 2006. Т. 410. № 2. С. 194–196.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Физика металлов и металловедение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал