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

Полный текст (PDF)

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.

Ключевые слова: аморфные магнитомягкие сплавы, термообработка, магнитная проницаемость, распределение намагниченности, магнитострикция насыщения, ацетон, вода

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, 58].

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.  

Влияние обработки поверхности ленты водой и ацетоном на распределение намагниченности и максимальную магнитную проницаемость образцов сплава Co–Ni–Fe–Cr–Si–B после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 40 мин, формирующей состояние с λs > 0

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.

Рис. 1.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образцов сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 40 мин и обработки ленты ацетоном непосредственно после отжига.

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.

Рис. 2.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образцов сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 40 мин и обработки ленты ацетоном с промежуточной обработкой водой.

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.  

Влияние обработки поверхности ленты водой и ацетоном на распределение намагниченности и максимальную магнитную проницаемость образцов сплава Co–Ni–Fe–Cr–Si–B после термообработки на воздухе при 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин, формирующей состояние с λs < 0

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
Рис. 3.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образцов сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин и обработки ленты ацетоном непосредственно после отжига.

Рис. 4.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образцов сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после термообработки на воздухе при 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин и обработки ленты ацетоном с промежуточной обработкой ее поверхности водой.

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.  

Влияние обработки поверхности ленты водой и ацетоном на распределение намагниченности и максимальную магнитную проницаемость образцов сплава Co–Ni–Fe–Cr–Si–B в закаленном состоянии (λs < 0)

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

  1. 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.

  2. 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

  3. 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

  4. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. М.: Металлургия, 1989. 496 с.

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.

  10. Шуткина О.В. Гидроалкилирование бензола ацетоном на бифункциональных катализаторах. Дис. … к. х. н. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Москва, 2014.

  11. 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.

  12. 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

  13. 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

  14. https://amet.ru.

Дополнительные материалы отсутствуют.