Физика металлов и металловедение, 2021, T. 122, № 11, стр. 1142-1148

Взаимодействие поверхности ленты с ацетоном и магнитные характеристики аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта

Н. А. Скулкина a***, Н. Д. Денисов a, Е. С. Некрасов a

a Уральский федеральный университет
620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19, Россия

* E-mail: nadezhda-skulkina@yandex.ru
** E-mail: nadezhda.skulkina@urfu.ru

Поступила в редакцию 21.04.2021
После доработки 10.07.2021
Принята к публикации 16.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведенные исследования показали, что обработка ацетоном ленты аморфного магнитомягкого сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B оказывает влияние на ее магнитные характеристики. Оно различно для состояний ленты с разными знаками константы магнитострикции (λs). В состоянии с λs > 0 наблюдается увеличение объема доменов с ортогональной намагниченностью и остроты магнитной текстуры в плоскости ленты; с λs < 0 имеет место уменьшение объема доменов с ортогональной намагниченностью, снижение остроты магнитной текстуры в плоскости ленты и повышение максимальной магнитной проницаемости. Увеличение длительности обработки усиливает ее влияние на объемную компоненту намагниченности и ослабляет воздействие на перераспределение намагниченности в плоскости ленты. Это может быть связано с повышением уровня сжимающих напряжений, индуцированных каталитическим окислением и гидрированием ацетона.

Ключевые слова: аморфные магнитомягкие сплавы, термообработка, магнитная проницаемость, распределение намагниченности, константа магнитострикции, ацетон, вода

ВВЕДЕНИЕ

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 кислорода на поверхности оксидов. Продуктами реакций каталитического окисления являются, например, уксусная кислота, углекислый газ, вода [1]. Известно также каталитическое гидрирование ацетона. Катализатором этой реакции, например, может выступать никель, а продуктом является изопропиловый спирт или пропан [2].

Исследования, проведенные в работе [3], показали, что обработка поверхности ленты аморфного сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B ацетоном оказывает эффект противоположный воздействию воды. В результате химических реакций при обработке поверхности ленты водой происходит ее оксидирование и гидрирование [411]. Внедренные в поверхность ленты атомы водорода и кислорода индуцируют преимущественно плоские анизотропные растягивающие напряжения, которые в зависимости от знака константы магнитострикции (λs) по-разному влияют на распределение намагниченности. Такие напряжения способствует снижению остроты магнитной текстуры в плоскости ленты и объема доменов с ортогональной намагниченностью (Vорт) в состоянии с λs > 0; повышению Vорт и остроты магнитной текстуры в состоянии с λs < 0 [810]. В свою очередь, обработка ацетоном поверхности ленты в состоянии с λs > 0 приводит к увеличению остроты магнитной текстуры в плоскости ленты и объема доменов с ортогональной намагниченностью; а в состоянии с λs < 0 к снижению Vорт и остроты магнитной текстуры. Это может быть следствием уменьшения напряжений, индуцируемых атомами кислорода и водорода, при снижении их концентрации на поверхности ленты в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона [12]. Отсюда следует, что грамотное использование ацетона в определенных целях способствует предотвращению нежелательных последствий ухудшения магнитных свойств, а также получению корректных результатов исследования. Поэтому в настоящей работе представлены результаты исследования влияния длительности обработки ацетоном на магнитные характеристики ленты аморфного магнитомягкого сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B в состояниях с положительной и отрицательной константами магнитострикции.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводили на образцах сплава АМАГ-172 (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 константы магнитострикции (λs). 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 (ЗК) и после термообработок (ТО) на воздухе при 370 и 380°С с длительностями изотермической выдержки 10 и 40 мин, формирующих состояния с разными знаками константы магнитострикции [13]. Кривые намагничивания измеряли индукционно-импуль-сным методом с погрешностью измерения магнитной индукции и напряженности 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 [13, 14]. Относительная погрешность определения распределения намагниченности не превышала 5%. Знак константы магнитострикции определяли при помощи обработки поверхности ленты водой (ОВ) комнатной температуры в течение 15 мин без видимого окисления поверхности [3, 8, 9, 14]. Обработку ацетоном (ОА) проводили при комнатной температуре погружением ленты в ацетон. Учитывая медленную скорость реакций ацетона с элементами поверхности ленты, длительности обработки выбирали соизмеримыми с длительностью полимеризации клея БФ-2 при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования, результаты которых приведены в настоящей работе, являются продолжением исследований, представленных в работе [12]. Обработку ацетоном поверхности ленты исследуемого сплава проводили на образцах в разных исходных состояниях: с положительной и отрицательной константами магнитострикции, которые получали с помощью различных режимов термообработок на воздухе [12]. В табл. 1 представлена информация об исходном состоянии образцов перед обработкой ацетоном, о знаке константы магнитострикции, их магнитных характеристиках в этом состоянии: максимальной магнитной проницаемости, значениях относительного объема доменов с ортогональной намагниченностью (Vорт) и остроте магнитной текстуры в плоскости ленты η = V180/V90 (V180 и V90 – значения относительных объемов доменов с намагниченностью, ориентированной параллельно плоскости ленты вдоль и поперек ее оси). Для большей наглядности изменения магнитных характеристик после обработки ленты ацетоном полученные результаты представлены в виде диаграмм на рис. 1–5. Знак константы магнитострикции исследуемых образцов определен в работе [12].

Таблица 1.  

Магнитные характеристики исследуемых образцов в исходном (перед обработкой ацетоном) состоянии и длительность последующей обработки ацетоном

Серия Состояние ленты перед обработкой ацетоном µmax Vорт, % η Длительность ОА, час
Закаленное (λs < 0)
1.1 ЗК 46 000 13.1 1.88 20
1.2 ЗК + ОВ 50 000 13.4 2.00 20
1.3 ЗК 38 000 14.7 1.04 170
ТО 370оС, 10 мин (λs < 0)
2.1 ТО 540 000 13.4 2.71 20
2.2 ТО + ОВ 500 000 13.6 2.14 20
ТО 380оС, 40 мин (λs > 0)
3.2 ТО + ОВ 370 000 11.5 2.85 20
3.3 ТО + ОВ 560 000 7.4 1.28 46
3.4 ТО 430 000 7.0 1.54 46
Рис. 1.

Диаграмма изменения магнитных характеристик аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после обработки ацетоном в течение 20 ч ленты в состоянии с λs < 0 относительно исходного состояния (ТО 370°С, 10 мин и ЗК, серии 2.1 и 1.1).

Рис. 2.

Диаграмма изменения магнитных характеристик аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после обработки ацетоном в течение 20 ч с промежуточной обработкой поверхности водой и без нее ленты в состоянии с λs < 0 относительно исходного состояния (ТО 370°С, 10 мин и ЗК, серии 2.1, 2.2; 1.1 и 1.2, рис. а и б соответственно).

Рис. 3.

Диаграмма изменения магнитных характеристик аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после обработки ленты ацетоном в течение 20 ч с промежуточной обработкой поверхности водой, лента в состояниях с λs < 0: ТО 370°С, 10 мин + ОВ и ЗК + ОВ, серии 2.1 и 1.1 и λs > 0: ТО 380°С. 40 мин + ОВ, серия 3.2.

Рис. 4.

Диаграмма изменения магнитных характеристик аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после обработки ленты ацетоном в течение 20 и 46 ч с промежуточной обработкой по-верхности водой, лента в состоянии с λs > 0 (рис. 4а: ТО 380°С, 40 мин + + ОВ, серии 3.2 и 3.3), и после обработки ленты ацетоном в течение 20 и 170 ч без промежуточной обработки поверхности водой, лента в состоянии с λs < 0 (рис. 4б: ЗК, серии 1.1 и 1.3).

Рис. 5.

Диаграмма изменения магнитных харак-теристик аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B после обработки ленты ацетоном в течение 46 ч непосредственно после ТО и с промежуточной обработкой поверхности водой в состоянии с λs > 0 (ТО 380°С, 40 мин, серии 3.3 и 3.4).

Приведенные на рис. 1 результаты показывают, что обработка ацетоном в течение 20 ч поверхности ленты в состоянии с λs < 0 (непосредственно после ТО 370°С с длительностью изотермической выдержки 10 мин) вызывает уменьшение и объема доменов с ортогональной намагниченностью, и остроты магнитной текстуры η в плоскости ленты. Это является следствием преимущественно плоских анизотропных сжимающих напряжений, индуцируемых снижением концентрации кислорода и водорода в поверхностном слое ленты в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона. Такие напряжения в состоянии ленты с отрицательной константой магнитострикции способствуют переориентации намагниченности в плоскость ленты, уменьшению объема доменов с ортогональной намагниченностью. Переориентация намагниченности в плоскость ленты знергетически выгодна, поскольку способствует уменьшению полей рассеяния. Так как термообработку проводили на воздухе при температуре выше температуры Кюри, в результате взаимодействия с атмосферным паром повышенная концентрация внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода поперек ее оси образуется во время охлаждения при температуре ниже точки Кюри [11, 15]. Во время обработки поверхности ленты ацетоном скорость диффузии атомов из этого направления выше, что приводит к анизотропному сжатию поперек оси ленты. Индуцированные в этом направлении анизотропные сжимающие напряжения способствуют переориентации намагниченности поперек оси ленты и уменьшению остроты магнитной текстуры в плоскости ленты. Фактор ослабления стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью является в этом случае преобладающим и приводит к повышению максимальной магнитной проницаемости.

Аналогичное влияние оказывает обработка ацетоном поверхности ленты в закаленном состоянии. В этом случае также имеет место уменьшение остроты магнитной текстуры в плоскости ленты. Тем не менее вследствие высокого уровня обусловленных закалкой внутренних напряжений не наблюдается переориентации намагниченности в плоскость ленты и изменения максимальной магнитной проницаемости.

Увеличение концентрации внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода в результате промежуточной обработки водой способствует повышению воздействия ацетона на распределение намагниченности в ленте (рис. 2). Более сильное уменьшение остроты магнитной текстуры в плоскости ленты в этом случае уже приводит к меньшему увеличению максимальной магнитной проницаемости (рис. 2а).

Результаты, представленные на рис. 3, показывают, что обработка ацетоном в течение 20 ч поверхности ленты в состоянии с положительной константой магнитострикции оказывает противоположное воздействие на магнитные характеристики. Преимущественно плоские анизотропные сжимающие напряжения, индуцируемые в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона, вызывают переориентацию планарной намагниченности вдоль оси ленты, повышая остроту магнитной текстуры. Тем не менее в этом случае такие напряжения не способствуют увеличению объема доменов с ортогональной намагниченностью из-за того, что влияние энергии анизотропии формы и преимущественно плоских растягивающих напряжений, обусловленных поверхностной кристаллизацией ленты [16, 17] и взаимодействием с атмосферным паром во время отжига, преобладает над влиянием магнитоупругой энергии, индуцированной в результате взаимодействия поверхности ленты с ацетоном. Максимальная магнитная проницаемость в этом случае не изменяется.

Длительность обработки поверхности ленты ацетоном также оказывает влияние на степень изменения магнитных характеристик. Из рис. 4а видно, что в состоянии с положительной кон стантой магнитострикции (после термообработки на воздухе при 380°С с длительностью изотермической выдержки 40 мин) преимущественно плоские сжимающие напряжения, индуцируемые обработкой поверхности ленты ацетоном в течение 46 ч, вызывают увеличение объема доменов с ортогональной намагниченностью. Это обусловлено повышением уровня сжимающих напряжений вследствие увеличения толщины поверхностного слоя, обедненного атомами кислорода и водорода. Меньшая степень роста остроты магнитной текстуры с увеличением длительности обработки ацетоном также может быть связана с анизотропией сжимающих напряжений, уровень которых поперек оси ленты может быть меньше в результате соответствующей анизотропии скорости диффузии атомов кислорода и водорода как изнутри, так и извне ленты. Ослабление внешнего воздействия может быть связано, например, с неполным окислением ацетона. В результате этой реакции одним из продуктов реакции является вода. С увеличением длительности обработки ленты ацетоном динамический процесс деоксидирования – оксидирования и дегидрирования – гидрирования ее поверхности способствует сохранению большей концентрации внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода поперек ее оси и препятствует переориентации намагниченности вдоль оси ленты. Усиление стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью в этом случае является основной причиной уменьшения максимальной магнитной проницаемости.

На рис. 5 показано относительное изменение магнитных характеристик после обработки поверхности ленты ацетоном в течение 46 ч непосредственно после термообработки при 380°С с длительностью изотермической выдержки 40 мин и с промежуточной обработкой ее поверхности водой (λs > 0). Видно, что в этом случае промежуточная обработка поверхности ленты водой также повышает чувствительность магнитных характеристик к воздействию ацетона, аналогично данным, полученным при обработке ацетоном в течение 20 ч.

Рисунки 6 и 7 демонстрируют влияние длительности обработки поверхности ленты ацетоном на полевую зависимость магнитной проницаемости образцов исследуемого сплава после термообработки при 380°С в течение 40 мин, формирующей состояние с положительной константой магнитострикции. Видно, что в результате обработки поверхности ленты ацетоном продолжительностью 20 ч не изменяется не только максимальная магнитная проницаемость, но и ход ее полевой зависимости (рис. 6). Это также обусловлено недостаточностью уровня преимущественно плоских сжимающих напряжений, индуцированных взаимодействием поверхности ленты с ацетоном, для переориентации намагниченности перпендикулярно плоскости ленты. Другая ситуация имеет место при увеличении длительности обработки поверхности ленты ацетоном (рис. 7). В этом случае наблюдается не только уменьшение максимальной магнитной проницаемости, но и сдвиг максимума на полевой зависимости в область более сильных полей. Это связано с большим уровнем преимущественно плоских сжимающих напряжений в силу следующих причин. Повышение длительности обработки ацетоном способствует более сильному уменьшению внедренных в поверхность ленты атомов водорода и кислорода при взаимодействии поверхности ленты с водой и атмосферным паром во время отжига. Кроме этого, также должно иметь место, увеличение толщины поверхностного слоя, обедненного атомами водорода и кислорода, поскольку диффузия внедренных атомов наиболее легко осуществляется через аморфную прослойку между кристаллитами в поверхностном аморфно-кристаллическом слое, выполняющую функцию границ зерен [18].

Рис. 6.

Полевая зависимость магнитной проницаемости аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B до и после обработки ленты ацетоном в течение 20 ч с промежуточной обработкой поверхности водой, лента в состоянии с λs > 0 (ТО 380°С, 40 мин, серия 3.2).

Рис. 7.

Полевая зависимость магнитной проницаемости аморфного сплава Co–Fe–Ni–Cr–Mn–Si–B до и после обработки ленты ацетоном в течение 46 ч с промежуточной обработкой поверхности водой, лента в состоянии с λs > 0 (ТО 380°С, 40 мин, серия 3.3).

Результаты, представленные на рис. 4б, на примере ленты в закаленном состоянии показывают влияние длительности обработки ацетоном на магнитные характеристики ленты с отрицательной константой магнитострикции. Видно, что вследствие высокого уровня внутренних напряжений, обусловленных изготовлением ленты, повышение длительности обработки ацетоном с 20 до 170 ч практически не влияет на изменение объема доменов с ортогональной намагниченностью. Тем не менее в этом случае, те же причины, как и для ленты в состоянии с положительной константой магнитострикции, приводят к существенно меньшему перераспределению намагниченности в плоскости ленты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов исследования, представленных в настоящей работе, показал, что обработка ацетоном поверхности ленты аморфного магнитомягкого сплава Co–Ni–Fe–Cr–Mn–Si–B, способствуя перераспределению намагниченности, оказывает влияние на ее магнитные характеристики. Изменение магнитных характеристик различно для состояний ленты с разными знаками константы магнитострикции. В состоянии с λs > 0 наблюдается увеличение объема доменов с ортогональной намагниченностью и повышение остроты магнитной текстуры в плоскости ленты. Для состояния ленты с λs < 0, наоборот, имеет место уменьшение объема доменов с ортогональной намагниченностью и снижение остроты магнитной текстуры в плоскости ленты. В этом случае влияние первого фактора является преобладающим и приводит к повышению максимальной магнитной проницаемости из-за уменьшения стабилизации границ доменов с планарной намагниченностью доменами с ортогональной намагниченностью. В свою очередь перераспределение намагниченности может быть следствием преимущественно плоских анизотропных сжимающих напряжений, индуцируемых в ленте в результате каталитического окисления и гидрирования ацетона. Повышение длительности обработки поверхности ленты ацетоном не изменяет характера ее влияния на перераспределение намагниченности и максимальную магнитную проницаемость. Тем не менее в этом случае наблюдается усиление влияния обработки на объемную компоненту намагниченности и ослабление воздействия на перераспределение намагниченности в плоскости ленты. Причина такого влияния может заключаться в повышении уровня сжимающих напряжений, индуцированных каталитическим окислением и гидрированием ацетона в результате увеличения толщины поверхностного слоя, обедненного атомами водорода и кислорода.

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

Список литературы

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

  2. Шуткина О.В. Гидроалкилирование бензола ацетоном на бифункциональных катализаторах дис. … канд. хим. наук. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Москва, 2014. 116 с.

  3. 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.

  4. Зубов В.Е., Кудаков А.Д., Левшин Н.Л. Поверхностная перпендикулярная магнитная анизотропия в аморфном ферромагнетике, индуцируемая процессами адсорбции–десорбции молекул воды // Сб. трудов ХХI Международной конференции “Новое в магнетизме и магнитных материалах”. (Москва, 28 июня–4 июля 2009 г.). Москва, 2009. С. 32–34.

  5. Wei G., Cantor B. The oxidation behavior of amorphous and crystalline Fe78Si9B13 // Acta Metall. 1988. V. 36. P. 2293–2305.

  6. Flanders P.J, Liebermann H.H., Graham C.D. Jr. Changes in curie temperature, physical dimensions, and magnetic anisotropy during annealing of amorphous magnetic alloys // IEEE Trans. Magn. 1977. V. 13. № 5. P. 1541–1543.

  7. Bulavin L.A., Karbivskyy V., Artemyuk V., Karbivska L. Relaxation and vitrification processes of disordered iron based systems // Springer Proceedings in Physics. 2018. V. 197. P. 331–372.

  8. 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. № 10. С. 1015–1022. https://doi.org/10.7868/S0015323016100120

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. Скулкина Н.A., Денисов Н.Д., Боярченков А.С., Некрасов Е.С. Влияние химически активной среды на магнитные характеристики аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта // ФММ. 2020. Т. 121. № 6. С. 576–582. https://doi.org/10.31857/S001532302006015

  13. 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

  14. Скулкина Н.А. Распределение намагниченности и магнитные свойства кристаллических, аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов дис. / Дис. … докт. физ.-мат. наук. Уральский государственный университет им. А.М. Горького. Екатеринбург, 2008. 340 с.

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

  16. Modin E.B., Pustovalov E.V., Fedorets A.N., Dubinets A.V., Grudin B.N., Plotnikov V.S., Grabchikov S.S. Atomic structure and crystallization processes of amorphous (Co,Ni)–P metallic alloy // J. Alloys Comp. 2015. V. 641. P. 139–143.

  17. Minič Dragica M., Minič Dušan M., Žák Tomáš, Roupcová Pavla, Bohumil David. Structural transformations of Fe81B13Si4C2 amorphous alloy induced by heating//J. Magn. Magn. Mater. 2011. V. 323. P. 400–404.

  18. Silveyra Josefina M., Illeková Emília. Effects of air annealing on Fe–Si–B–M–Cu (M = Nb, Mo) alloys // J. Alloys Comp. 2014. V. 610. P. 180–183.

Дополнительные материалы отсутствуют.