Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 6, стр. 576-582
Влияние химически активной среды на магнитные характеристики аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта
Н. А. Скулкина a, *, **, Н. Д. Денисов a, А. С. Боярченков a, Е. С. Некрасов a
a Уральский федеральный университет, Екатеринбург
Екатеринбург, ул. Мира, 19, Россия
* E-mail: nadezhda-skulkina@yandex.ru
** E-mail: nadezhda.skulkina@urfu.ru
Поступила в редакцию 25.11.2019
После доработки 14.01.2020
Принята к публикации 21.01.2020
Аннотация
На примере образцов аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта АМАГ-172 (Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B) исследовано взаимодействие поверхности ленты с ацетоном и его влияние на магнитные характеристики ленты. Исследования показали, что влияние обработки ленты ацетоном на распределение намагниченности и магнитную проницаемость материала различно для состояний с разными знаками магнитострикции насыщения. Такая обработка способствует повышению объема доменов с ортогональной намагниченностью и повышению остроты магнитной текстуры в плоскости ленты в состоянии с λs > 0; уменьшению объема доменов с ортогональной намагниченностью, снижению остроты магнитной текстуры и увеличению максимальной магнитной проницаемости в состоянии с λs < 0. Это может быть следствием преимущественно плоских анизотропных сжимающих напряжений, индуцируемых в ленте в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона.
ВВЕДЕНИЕ
Используемые в промышленности аморфные магнитомягкие сплавы достаточно часто взаимодействуют с химически активными средами, которые оказывают влияние на их магнитные свойства. К таковым относится, например, вода. В результате химических реакций с элементами поверхности ленты происходит ее оксидирование и гидрирование. Внедренные в поверхность ленты атомы водорода и кислорода индуцируют преимущественно плоские растягивающие напряжения, которые в зависимости от знака магнитострикции насыщения по-разному влияют на распределение намагниченности. В состоянии ленты с положительной магнитострикцией насыщения они способствуют переориентации намагниченности в плоскость ленты, уменьшая стабилизацию границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью и улучшая магнитные характеристики [1]. При отрицательной магнитострикции насыщения такие напряжения увеличивают объем доменов с ортогональной намагниченностью (Vорт), что приводит к затруднению процессов намагничивания и ухудшению магнитных свойств ленты [2, 3]. Напряжения, индуцируемые внедренными в поверхность ленты атомами, являются анизотропными. В соответствии с теорией направленного упорядочения оси пар немагнитных атомов ориентируются перпендикулярно результирующей намагниченности, так как в этом состоянии энергия взаимодействия оси пары с намагниченностью минимальна [4]. В соответствии с минимумом энергии анизотропии формы результирующая намагниченность в плоскости ленты направлена вдоль ее оси, поэтому поперек оси ленты образуется повышенная концентрация внедренных в поверхность ленты атомов, индуцируя в этом направлении псевдоодносное растяжение. B состоянии с положительной магнитострикцией насыщения такие напряжения способствуют уменьшению остроты магнитной текстуры η в плоскости ленты, характеризуемой отношением объемов доменов с планарной намагниченностью (Vпл), ориентированной вдоль (V180) и поперек (V90) оси ленты. При отрицательной магнитострикции насыщения под действием индуцированных напряжений острота магнитной текстуры увеличивается [2, 3]. Следовательно, анализ перераспределения намагниченности в ленте после обработки ее поверхности водой можно использовать для определения знака магнитострикции насыщения. Взаимодействие поверхности ленты с атмосферным паром при термообработке на воздухе аналогичным образом влияет на распределение намагниченности в ленте [3, 5–8].
В настоящей работе представлены результаты исследования влияния обработки поверхности ленты АМАГ-172 (Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B) ацетоном на распределение намагниченности и магнитную проницаемость. Ацетон широко используется для очистки и обезжиривания поверхности различных материалов, входит в состав клеев, лаков, красок. Априори считается, что он не оказывает влияния на магнитные характеристики лент аморфных магнитомягких сплавов. Тем не менее известно, что в присутствии катализатора может иметь место реакция окисления ацетона. Например, катализаторами являются оксиды переходных металлов: хрома, железа, кобальта, марганца, никеля (Cr2O3, Fe2O3, Co3O4, MnO2, NiO), которые присутствуют на поверхности лент исследуемых сплавов и обладают сравнительно низкой энергией связи атомов кислорода на поверхности оксидов. Продуктами реакций каталитического окисления являются, например, уксусная кислота, углекислый газ, вода [9]. Известно также каталитическое гидрирование ацетона. Катализатором этой реакции, например, может выступать никель, а продуктом является изопропиловый спирт или пропан [10].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводили на образцах сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B в форме полос размерами 100 × 10 × 0.020 мм. В закаленном состоянии лента исследуемого сплава обладает низкими (10–7) отрицательными значениями магнитострикции насыщения. Важным моментом в выборе материала является тот факт, что подбором параметров термообработки можно формировать состояния ленты с разными знаками магнитострикции насыщения без вариации элементного состава. Исследования проводили на образцах в закаленном состоянии и после термообработок (ТО) на воздухе при 370 и 380°С с длительностью изотермической выдержки 10 и 40 мин, формирующих состояния с разными знаками магнитострикции насыщения. Кривые намагничивания измеряли индукционно-импульсным методом с погрешностью измерения магнитной индукции и поля не превышающей 2%, максимальной магнитной проницаемости – 3%. Распределение намагниченности в ленте определяли при помощи авторской методики по корреляционной зависимости между максимальными значениями остаточной индукции (Brs) и объемом доменов с ортогональной намагниченностью, полученной с помощью мессбауэровских исследований, и измерения остаточной индукции частных петель гистерезиса [3, 11]. 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 [1, 2, 5, 11]. При обработке поверхности ленты ацетоном образцы погружали в ацетон на 20 ч.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В табл. 1 представлены результаты исследования влияния обработки поверхности ленты ацетоном и водой на магнитные характеристики образцов исследуемого сплава, предварительно прошедших термообработку при 380°С с длительностью изотермической выдержки 40 мин скоростью охлаждения 40 К/мин. Использовали две серии образцов: образцы 2 серии обрабатывали ацетоном непосредственно после термообработки, образцы 1 серии – после промежуточной обработки поверхности ленты водой. Для исследования были выбраны образцы с близким уровнем магнитных характеристик в исходном (закаленном) состоянии. Видно, что при обработке поверхности ленты водой наблюдается переориентации намагниченности в ее плоскость, уменьшая объем доменов с ортогональной намагниченностью. Этому способствуют преимущественно плоские растягивающие напряжения, индуцируемые внедренными в поверхность ленты атомами водорода и кислорода. Наблюдаемое уменьшение остроты магнитной текстуры η = V180/V90 в ее плоскости обусловлено псевдоодноосными растягивающими напряжениями, ориентированными поперек оси ленты. Такое перераспределение намагниченности под действием напряжений, индуцированных взаимодействием поверхности ленты с водой, соответствует состоянию с положительной магнитострикцией насыщения и подтверждает результаты, представленные в работах [2, 3, 12].
Таблица 1.
Состояние ленты | μmax | Vорт, % | V180, % | V90, % | η |
---|---|---|---|---|---|
Серия 1 | |||||
Закаленное | 26 000 | 20.5 | 52.5 | 27.0 | 1.95 |
ТО | 450 000 | 8.7 | 54.3 | 37 | 1.47 |
Обработка водой | 560 000 | 7.4 | 51.8 | 40.8 | 1.28 |
Обработка ацетоном | 510 000 | 8.5 | 65 | 26.5 | 2.45 |
Серия 2 | |||||
Закаленное | 24 700 | 22.4 | 45.9 | 31.7 | 1.43 |
ТО | 430 000 | 7.0 | 56.6 | 36.4 | 1.54 |
Обработка ацетоном | 420 000 | 7.8 | 67.8 | 24.4 | 2.77 |
Анализ результатов влияния обработки поверхности ленты ацетоном, проведенной непосредственно после термической обработки, на распределение намагниченности показал, что такая обработка способствует увеличению объема доменов с ортогональной намагниченностью при одновременном повышении остроты магнитной текстуры в плоскости ленты (табл. 1).
Наблюдаемый эффект противоположен результатам взаимодействия поверхности ленты с водой для этого состояния. Увеличение объема доменов с ортогональной намагниченностью может быть вызвано индуцированием преимущественно плоских сжимающих напряжений вследствие уменьшения концентрации кислорода и водорода в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона. Согласно законам диффузии, более высокая концентрация способствует и большей скорости диффузии. Поэтому более сильное уменьшение концентрации атомов кислорода и водорода в плоскости ленты поперек ее оси индуцирует в этом направлении анизотропное сжатие, способствуя переориентации намагниченности вдоль оси ленты. Эти факторы оказывают противоположное действие на процессы намагничивания и максимальную магнитную проницаемость. Отсутствие изменения максимальной магнитной проницаемости в этом случае (рис. 1, табл. 1) может быть обусловлено компенсацией усиления стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью вследствие увеличения их объема и повышением остроты магнитной текстуры в плоскости ленты.
Промежуточная обработка поверхности ленты водой кроме определения знака магнитострикции насыщения имела и другую цель: повышение концентрации кислорода и водорода в поверхностном слое ленты перед обработкой ацетоном для проверки выдвинутых предположений по объяснению влияния воздействия ацетона на распределение намагниченности и процессы намагничивания. Видно (рис. 2, табл. 1), что обработка поверхности ленты водой способствует существенному повышению максимальной магнитной проницаемости. Преимущественно плоские растягивающие напряжения приводят к уменьшению объема доменов с ортогональной намагниченностью и содействуют ослаблению стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью. Переориентация намагниченности в плоскость ленты энергетически выгодна еще и потому, что соответствует меньшей энергии анизотропии формы. Анизотропные напряжения, обусловленные повышенной концентрацией внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода поперек ее оси, уменьшают остроту магнитной текстуры в плоскости ленты и затрудняют процессы намагничивания. Увеличение максимальной магнитной проницаемости в этом случае происходит вследствие преобладающего влияния первого фактора.
Последующая обработка поверхности ацетоном способствует перераспределению намагниченности в ленте. В этом случае также наблюдается повышение объема доменов с ортогональной намагниченностью и остроты магнитной текстуры в ее плоскости. В результате взаимодействия с ацетоном деоксидирование и дегидрирование поверхности ленты снижает уровень преимущественно плоских растягивающих напряжений, а снижение концентрации внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода поперек ее оси уменьшает псевдоодноосное растяжение и способствует переориентации намагниченности вдоль оси ленты. После обработки поверхности ленты ацетоном значения максимальной магнитной проницаемости несколько выше, чем после термообработки вследствие повышения остроты магнитной текстуры в ее плоскости.
В табл. 2 и на рис. 3 и 4 представлены результаты влияния обработки поверхности ленты водой и ацетоном на распределение намагниченности и магнитную проницаемость образцов исследуемого сплава после термообработки на воздухе при 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин. Анализ результатов исследования показывает, что в этом случае после обработки поверхности ленты водой не происходит изменения объема доменов с ортогональной намагниченностью. То есть преимущественно плоские растягивающие напряжения не приводят к переориентации намагниченности в направление растягивающих напряжений. Тем не менее, псевдоодноосные растягивающие напряжения, индуцируемые повышенной концентрацией внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода поперек ее оси, способствуют переориентации намагниченности вдоль оси ленты, повышая остроту магнитной текстуры в ее плоскости. Следовательно, в результате такой термообработки формируется состояние с отрицательной магнитострикцией насыщения. Полученные результаты также согласуются с результатами предыдущих исследований [3, 13].
Таблица 2.
Состояние ленты | μmax | Vорт, % | V180, % | V90, % | η |
---|---|---|---|---|---|
Серия 1 | |||||
Закаленное | 34 300 | 15.7 | 47 | 37.1 | 1.27 |
ТО | 500 000 | 13.9 | 51 | 35.5 | 1.43 |
Обработка водой | 500 000 | 13.6 | 59 | 27.5 | 2.14 |
Обработка ацетоном | 550 000 | 10.5 | 49 | 41 | 1.18 |
Серия 2 | |||||
Закаленное | 36 000 | 15.8 | 48 | 36.1 | 1.33 |
ТО | 540 000 | 13.4 | 63 | 23.4 | 2.71 |
Обработка ацетоном | 640 000 | 11.7 | 55 | 33.6 | 1.63 |
Представленные в табл. 2 результаты показывают, что обработка поверхности ленты ацетоном непосредственно после отжига вызывает уменьшение и объема доменов с ортогональной намагниченностью, и остроты магнитной текстуры в плоскости ленты. Снижение концентрации кислорода и водорода в поверхностном слое ленты в результате деоксидирования и дегидрирования ее поверхности индуцирует преимущественно плоские сжимающие напряжения, способствующие переориентации намагниченности в плоскость ленты. Ослабление стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью является причиной повышения максимальной магнитной проницаемости, несмотря на то, что анизотропные сжимающие напряжения, индуцируемые в этом случае поперек оси ленты, снижают остроту магнитной текстуры в ее плоскости.
Качественно аналогичная картина наблюдается при обработке поверхности ленты ацетоном после промежуточной обработки ее поверхности водой. Одновременное уменьшение значений Vорт и η = V180/V90 может быть связано с индуцированием преимущественно плоских анизотропных сжимающих напряжений поверхностным слоем ленты вследствие уменьшения концентрации кислорода и водорода в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона. Сравнительно меньшее повышение максимальной магнитной проницаемости после обработки поверхности ленты ацетоном может быть связано с остаточными растягивающими напряжениями, индуцированными внедренными в поверхность ленты атомами водорода и кислорода при взаимодействии ее поверхности с водой.
Результаты, представленные в табл. 3, демонстрируют влияние взаимодействия поверхности ленты исследуемого сплава в закаленном состоянии с водой и ацетоном. По данным производителя [14] эта лента в закаленном состоянии обладает низкими отрицательными значениями магнитострикции насыщения. Обработка поверхности ленты водой в этом случае в пределах погрешности измерений не приводит к изменению максимальной магнитной проницаемости и не влияет на значения объема доменов с ортогональной намагниченностью. Тем не менее, имеет место перераспределение намагниченности в плоскости ленты. Преимущественно плоские растягивающие напряжения, ориентированные поперек оси ленты, которые индуцируются повышенной концентрацией внедренных в этом направлении атомов водорода и кислорода, способствуют переориентации намагниченности вдоль ее оси, повышая остроту магнитной текстуры в этом направлении. Это соответствует заявляемому производителем состоянию ленты с отрицательной магнитострикцией насыщения. Переориентация намагниченности перпендикулярно плоскости ленты под действием преимущественно плоских растягивающих напряжений не происходит по двум причинам: высокого уровня обусловленных закалкой внутренних напряжений и существенным повышением энергии анизотропии формы.
Таблица 3.
Состояние ленты | μmax | Vорт, % | V180, % | V90, % | η |
---|---|---|---|---|---|
Серия 1 | |||||
Закаленное | 49 000 | 13.4 | 48.1 | 38.5 | 1.25 |
Обработка водой | 50 000 | 13.4 | 57.7 | 28.9 | 2.00 |
Обработка ацетоном | 48 000 | 13.4 | 44.7 | 41.1 | 1.07 |
Серия 2 | |||||
Закаленное | 46 000 | 13.3 | 62.3 | 24.4 | 2.55 |
Обработка ацетоном | 46 000 | 13.1 | 56.7 | 30.2 | 1.88 |
Обработка поверхности ленты ацетоном непосредственно в закаленном состоянии и с промежуточной обработкой водой в пределах погрешности измерений не приводит к изменению максимальной магнитной проницаемости и объема доменов с ортогональной намагниченностью. Тем не менее в плоскости ленты наблюдается уменьшение остроты магнитной текстуры η= V180/V90, аналогично тому, как это имело место после термообработки, формирующей состояние с отрицательной магнитострикцией насыщения (табл. 2). Наиболее ярко это проявляется после промежуточной обработки поверхности ленты водой и также может быть связано с индуцированием преимущественно плоских анизотропных сжимающих напряжений поверхностным слоем ленты вследствие уменьшения концентрации кислорода и водорода в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования взаимодействия поверхности ленты аморфного магнитомягкого сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B с ацетоном показали, что влияние обработки ленты ацетоном на распределение намагниченности и магнитную проницаемость материала различно для состояний с разными знаками магнитострикции насыщения. Обработка поверхности ленты ацетоном оказывает эффект, противоположный воздействию воды. Она способствует повышению объема доменов с ортогональной намагниченностью и повышению остроты магнитной текстуры в плоскости ленты в состоянии с λs > 0; уменьшению объема доменов с ортогональной намагниченностью, снижению остроты магнитной текстуры и существенному увеличению максимальной магнитной проницаемости в состоянии с λs < 0. Это может быть следствием преимущественно плоских анизотропных сжимающих напряжений, индуцируемых в ленте в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, проект FEUZ-2020-0051.
Список литературы
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Павлова И.О. Взаимодействие с водой лент аморфных магнитомягких сплавов на основе железа и их магнитные свойства // ФММ. 2011. Т. 112. № 12. С. 483–490.
Скулкина Н.А., Иванов О. А., Степанова Е.А., Блинова О.В., Кузнецов П.А., Мазеева А.К. Влияние термообработки на воздухе и химически активной среды на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта // ФММ. 2016. Т. 117. С. 1015–1022. https://doi.org/10.7868/ S0015323016100120
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Мазеева А.К., Кузнецов П.А., Степанова Е.А., Блинова О.В., Михалицына Е.А., Денисов Н.Д., Чекис В.И. Влияние полимерного покрытия и прессующего давления на магнитные свойства аморфных сплавов на основе кобальта // ФММ. 2017. Т. 118. № 12. С. 1248–1256. https://doi.org/10.7868/S0015323017120026
Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. М.: Металлургия, 1989. 496 с.
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Павлова И.О., Минина О.А. Взаимодействие с паром поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов на основе железа // ФММ. 2014. Т. 115. № 6. С. 563–572. https://doi.org/0.7868/S0015323014060138
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Павлова И.О., Минина О.А. Взаимодействие поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов с паром во время изотермической выдержки при термообработке // ФММ. 2015. Т. 116. № 11. С. 1143–1152. https://doi.org/10.7868/S0015323015120116
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Павлова И.О., Минина О.А. Взаимодействие поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов с паром на разных стадиях термической обработки // ФММ. 2015. Т. 116. № 10. С. 1031–1039. https://doi.org/10.7868/S0015323015100137
Skulkina N.A., Ivanov O.A., Stepanova E.A., Shubina L.N., Kuznetsov P.A., Mazeeva A.K. Mechanisms of the magnetic properties improvement of amorphous soft magnetic Fe- and Co-based alloys as a result of heat treatment on air// Physics Procedia (2016), V. 82C. P. 69–77.https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.05.013https://doi.org/10.7868/S0015323017120026
Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.
Шуткина О.В. Гидроалкилирование бензола ацетоном на бифункциональных катализаторах. Дис. … к. х. н. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Москва, 2014.
Скулкина Н.А. Распределение намагниченности и магнитные свойства кристаллических, аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов. Дис. … д. ф.-м. н. Уральский государственный университет им. А.М. Горького. Екатеринбург, 2007.
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Мазеева А.К., Кузнецов П.А., Чекис В.И., Денисов Н.Д. Условия формирования полимерного покрытия и магнитные свойства аморфных сплавов на основе кобальта // ФММ. 2018. Т. 119. № 12. С. 1216–1223. https://doi.org/10.1134/ S0015323018120197
Скулкина Н.А., Иванов О.А., Мазеева А.К., Кузнецов П.А., Чекис В.И., Денисов Н.Д. Температура формирования полимерного покрытия и магнитные свойства аморфных сплавов на основе кобальта // ФММ. 2019. Т.120. №.6. С. 615–621. https://doi.org/10.1134/ S0015323019060123
https://amet.ru.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физика металлов и металловедение