Физика металлов и металловедение, 2021, T. 122, № 11, стр. 1135-1141

ВВЕДЕНИЕ

Метод быстрой закалки из расплава является одним из основных способов получения лент аморфных сплавов. Структура аморфных сплавов, полученных этим методом, является неравновесной: имеют место высокий уровень закалочных напряжений и наличие областей с различным типом ближнего порядка, что существенно влияет на свойства этих материалов. Например, неоднородные внутренние напряжения способствуют формированию сложной доменной структуры и стабилизации доменных границ. Для улучшения магнитных свойств используются термообработки (ТО). Большую роль при этом играют процессы структурной релаксации и связанная с этими процессами релаксация внутренних напряжений [1–4]. Неоднородность внутренних напряжений в закаленном состоянии не позволяет получить после термообработки оптимальный уровень магнитных характеристик и их однородность, поскольку для релаксации разного уровня напряжений требуется различная длительность изотермической выдержки [5–7]. Косвенной характеристикой уровня внутренних напряжений является относительный объем доменов с ортогональной намагниченностью (V_орт), поскольку переориентация намагниченности перпендикулярно плоскости ленты энергетически невыгодна. Результаты исследований аморфных магнитомягких сплавов на основе железа с положительной константой магнитострикции, представленные в работах [5, 6], показали, что термообработка образцов с одинаковым объемом доменов с ортогональной намагниченностью и максимальной магнитной проницаемостью (μ_max), отличающейся на 4% в исходном (закаленном) состоянии, приводит к повышению μ_max и снижению V_орт. Тем не менее при этом формируются состояния с одинаковыми значениями V_орт и сохранением различия значений μ_max также на 4%. Аналогичная термообработка образцов, значения V_орт которых в исходном состоянии отличаются на 33%, а максимальной магнитной проницаемости на 77%, качественно одинаково влияет на изменение магнитных характеристик. Однако после термообработки сохраняется их существенное различие: значения объемов доменов с ортогональной намагниченностью отличаются на 17%, а μ_max на 53% [6]. Следовательно, одним из возможных направлений оптимизации магнитных характеристик аморфных сплавов является повышение однородности этих характеристик в закаленном состоянии.

В настоящей работе представлены результаты исследования неоднородности магнитной проницаемости и объема доменов с ортогональной намагниченностью аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта АМАГ-172 (Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B) в закаленном состоянии с целью выявления возможности оптимизации эксплуатационных характеристик.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводили на образцах в форме полос, вырезанных из промышленной ленты шириной 20 мм производства НИИМЭТ (Калуга), размерами 110 × 10 × 0.022 мм. Сформировано две серии образцов, полученных разрезанием ленты шириной 2 см на две части по ширине с последовательной нумерацией вырезанных участков по длине ленты. Суммарная длина исследуемых участков составила около 4 метров. Номера исследуемых образцов соответствуют номеру участка ленты.

Кривые намагничивания измеряли индукционно-импульсным методом с погрешностью измерения магнитной индукции и напряженности поля, не превышающей 2%, магнитной проницаемости – 3%. Объем доменов с ортогональной намагниченностью, являющийся косвенной характеристикой уровня внутренних напряжений, определяли по корреляционной зависимости между максимальными значениями остаточной индукции и объемом доменов с ортогональной намагниченностью, полученной с помощью мессбауровских исследований [7, 8]. Относительная погрешность определения распределения намагниченности не превышала 5%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты измерения магнитных характеристик представлены на рис. 1 и 2. Видно, что для обеих серий образцов имеет место существенная неоднородность максимальной магнитной проницаемости: для первой серии образцов ее значения изменяются от 28 000 до 63 000, значения μ_max второй серии образцов находятся в интервале 69 000–225 000. Объемы доменов с ортогональной намагниченностью этих серий образцов также сильно отличаются друг от друга: для первой серии образцов значения V_орт изменяются в пределах 15.7–60%, а второй – 7.0–15.6%. На рис. 3 и 4 показаны полевые зависимости магнитной проницаемости участков ленты с относительно высокими и низкими значениями максимальной магнитной проницаемости. Видно, что значения максимальной магнитной проницаемости одного участка разных серий образцов отличаются в 3 раза, а объемов доменов с ортогональной намагниченностью от 2.5 до 3 раз. Т.е. имеет место и существенная неоднородность магнитных характеристик по ширине ленты.

Рис. 1.

Неоднородность максимальной магнитной проницаемости (а) и объема доменов с ортогональной намагниченностью (б) образцов первой серии по длине ленты.

Рис. 2.

Неоднородность максимальной магнитной проницаемости (а) и объема доменов с ортогональной намагниченностью (б) образцов второй серии по длине ленты.

Рис. 3.

Полевая зависимость магнитной проницаемости двух серий образцов с относительно высокими значениями объема доменов с ортогональной намагниченностью.

Рис. 4.

Полевая зависимость магнитной проницаемости двух серий образцов с относительно низкими значениями объема доменов с ортогональной намагниченностью.

Анализ изменения магнитных характеристик по длине ленты показывает, что наблюдаемая неоднородность максимальной магнитной проницаемости обеих серий образцов носит не случайный, а закономерный характер. Зависимость μ_max(l) периодическая. Наблюдается корреляция периода изменений магнитных характеристик с размерами охлаждающего диска стандартных установок по производству ленты. Форма же зависимости μ_max(l) имеет синусоидальный вид. Характер изменения V_орт(l) аналогичен. Отличие заключается в том, что по отношению к изменению максимальной проницаемости значения объема доменов с ортогональной намагниченностью изменяются в противофазе. Уменьшение объема доменов с ортогональной намагниченностью способствует повышению объема ленты, перемагничиваемого смещением доменных границ, а также ослаблению стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью. Эти факторы приводят к повышению максимальной магнитной проницаемости. И, наоборот, максимальная магнитная проницаемость уменьшается при увеличении V_орт.

На участках с минимальными значениями объема доменов с ортогональной намагниченностью для образцов второй серии обнаружена бимодальная полевая зависимость магнитной проницаемости. Такая зависимость имеет место для второй серии образцов №№ 4–10 и 25–27, соответствующих первому и второму минимумам V_орт (рис. 2б). На рис. 5 на примере образцов №№ 4–10 показаны зависимости магнитной проницаемости от напряженности поля. Отличающиеся символы соответствуют многократным уточняющим измерениям, в том числе проведенным на разных установках. При переходе от одного участка ленты к другому наблюдается изменение высоты максимумов и их соотношения. Трансформация полевой зависимости магнитной проницаемости на этом участке осуществляется следующим образом. Сначала в области слабых полей появляется дополнительный пик, высота которого меньше основного. Затем при переходе к последующим участкам высота дополнительного пика возрастает, становится больше высоты основного пика, и далее она изменяется в обратном порядке. При этом интервал напряженности поля ΔH между первым и вторым максимумами на полевой зависимости магнитной проницаемости уменьшается (рис. 5, 6), и в итоге происходит слияние максимумов. Для образцов второй серии, соответствующих участку ленты № 11, двойной максимум на полевой зависимости магнитной проницаемости уже не наблюдается.

Рис. 5.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образцов второй серии, соответствующих участку с минимальными значениями объема доменов с ортогональной намагниченностью.

Рис. 6.

Изменение интервала напряженности поля ΔH = H₂–H₁, где H₂ и H₁ значения напряженности магнитного поля, соответствующие второму и первому максимумам на полевой зависимости магнитной проницаемости.

Бимодальный вид полевой зависимости магнитной проницаемости может быть связан с неоднородностью ленты по толщине из-за различия уровня внутренних напряжений, обусловленного градиентом температуры в этом направлении при изготовлении ленты.

В силу того, что ленты аморфных сплавов, изготовленных методом быстрой закалки, рентгено-аморфны, выявить струкурные различия поверхностей ленты крайне сложно. Визуально поверхности леты отличаются тем, что на контактной поверхности имеют место более крупные дефекты в виде газовых строчек, каверн и полос прокатки, в то время как на свободной поверхности наблюдается структура в виде свилей [9]. Однако различия в структуре поверхностных слоев начинают проявляться при повышении температуры. В работе [3] установлено, что отчетливое изменение химического порядка на расстоянии ближайшего соседа 0.3 нм происходит уже при 50°С.

Кристаллизация лент быстрозакаленных сплавов происходит неравномерно: она начинается с поверхности и протекает при более низкой температуре, чем в объеме. Этому способствует пониженное содержание в поверхностном слое атомов металлоидов и бора, а также наличие развитой пористости в приповерхностных слоях. Поверхностная кристаллизация становится уже заметной при температурах 150–200°С [10, 11]. Например, в аморфном сплаве на основе железа первые зародыши фазы Fe₃Si были обнаружены на свободной стороне ленты после термообработки при 200°С, в то время как та же фаза на контактной стороне появляется в результате отжига при 450°С. Кроме этого, при поверхностной кристаллизации на свободной поверхности образуются кристаллиты большего размера [12]. Таким образом, процесс кристаллизации на контактной поверхности ленты осуществляется в результате зарождения и роста кристаллитов, а на свободной поверхности – за счет роста зародышей кристаллической фазы [11]. На основании исследований, проведенных в работе [9], делается вывод о возможном формировании уже в расплаве кластеров кристаллической фазы, не выявляющихся из-за их малых размеров. При нагревании происходит рост кристаллитов, которые на свободной поверхности ленты обнаруживаются при более низких температурах.

На рис. 7 и 8 показана полевая зависимость магнитной проницаемости образца, не входящего в серии образцов, представленных выше, в закаленном состоянии и после обработки его поверхности ацетоном в течение 170 ч. Видно, что в исходном состоянии (перед обработкой ацетоном) бимодальный вид полевой зависимости явно не выражен, но имеет место предрасположенность к этому эффекту: на кривой, представленной на рис. 7, виден перегиб.

Рис. 7.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образца аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B в закаленном состоянии до обработки его поверхности ацетоном.

Рис. 8.

Полевая зависимость магнитной проницаемости образца аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B в закаленном состоянии после обработки его поверхности ацетоном.

После обработки поверхности ленты ацетоном становится заметной трансформация полевой зависимости магнитной проницаемости к бимодальному виду: проявляется небольшой пик в области слабых полей. Это также может быть связано с различием состояний контактной и свободной поверхностей ленты. При охлаждении свободная сторона ленты взаимодействует с находящимся в атмосфере водяным паром, в результате этого имеет место ее оксидирование и наводороживание. Заметим, что в закаленном состоянии лента обладает отрицательной константой магнитострикции [13]. Ранее проведенные исследования показали, что поверхность ленты исследуемого сплава взаимодействует с ацетоном [13]. Каталитическое окисление и гидрирование ацетона [14, 15] вызывает уменьшение концентраци атомов водорода и кислорода, внедренных в поверхность ленты при ее взаимодействии с водой или паром [16, 17]. При этом в ленте индуцируются преимущественно плоские сжимающие напряжения, которые в состоянии с отрицательной константой магнитострикции способствуют переориентации намагниченности в плоскость ленты, уменьшая долю объема доменов с ортогональной намагниченностью. Ослабление стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью приводит к повышению максимальной магнитной проницаемости приповерхностного слоя. В результате полевая зависимость магнитной проницаемости приобретает бимодальный вид.

В табл. 1 представлены ретультатах вляния различных режимов ТО на максимальную магнитную проницаемость образцов ленты аморфного споава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B. Термообработки проводили на сериях из 10 образцов без подбора идентичности образцов по магнитным характеристикам внутри серии. В качесте граничных значений итервала указаны наименьшее и наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости внутри серии. В качесте среднего значения приведено среднее арифметическое по всем образцам внутри серии. Термообработки проводили в интервале температур 300–400°С с разными длительностями изотермической выдержки: от 10 до 60 мин. Анализ результатов показывает, что при всех режимах термообработки имеет место существенная неоднородность максимальной магнитной проницаемости образцов исследуемого сплава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, представленные в настоящей работе, полностью соответствуют результатам ранее проведенных исследований. Наиболее вероятной причиной высокой неоднородности магнитных свойств может являться неоднородность внутренних напряжений, обусловленная различной скоростью теплоотвода при изготовлении ленты. Тем не менее на основании полученных результатов можно заключить, что имеется возможность снизить неоднородность ленты оптимизацией условий ее изготовления.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации FEUZ-2020-0051.