1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 7, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 870-872

Влияние закалки из жидкого состояния и азотирования на структуру и магнитные гистерезисные свойства сплавов (Nd1 – хCeх)Fe11Ti (где 0 ≤ x ≤ 0.3)

М. В. Железный 1, *, И. В. Щетинин 1, А. Г. Савченко 1, М. В. Горшенков 1, А. И. Базлов 1, Э. Н. Занаева 1, В. Н. Вербецкий 2

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”
Москва, Россия

* E-mail: markiron@mail.ru

Поступила в редакцию 07.09.2018
После доработки 31.01.2019
Принята к публикации 27.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе показано влияние на структуру и магнитные гистерезисные свойства при комнатной температуре сплавов на основе соединения NdFe11Ti со структурным типом ThMn12 закалки из жидкого состояния, азотирования и легирования церием. Установлено, что оптимальное сочетание магнитных гистерезисных свойств наблюдается для сплавов (Nd1 – хCeх)Fe11Ti при x = 0.2 и 0.3 после закалки из жидкого состояния и азотирования.

ВВЕДЕНИЕ

Сплавы на основе интерметаллических соединений NdFe12 – yMyN (M = Ti, V, Mo) со структурным типом ThMn12 относятся к перспективным магнитотвердым материалам, которые обладают высокими значениями намагниченности насыщения, температуры Кюри, поля и константы магнитокристаллической анизотропии [1–3]. Рассматриваемые сплавы, после закалки из жидкого состояния или механоактивации находятся в наноструктурированном состоянии, что позволяет получать относительно высокие значения коэрцитивной силы [4–8]. В работе [9] показано, что для быстрозакаленных сплавов (Nd, Ce)(Fe, Mo)12 после азотирования удалось получить значения магнитных свойств: Tc = 337°C, iHc = 2.9 кЭ, (B · H)max = 1.6 МГс · Э.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Сплавы состава (Nd1 – xCex)Fe11Ti (x = 0; 0.1; 0.2; 0.3) массой 120 г получали методом дугового плавления в атмосфере аргона. Затем часть каждого слитка подвергалась закалке из жидкого состояния в атмосфере аргона, которую проводили на установке DVX-II. Линейная скорость вращения медного закалочного диска составляла 30 м ∙ с–1. Образцы после закалки из жидкого состояния азотировали при давлении азота 15 атм и температуре 430°С в течение 40 ч.

Элементный состав образцов определяли на рентгенофлуоресцентном спектрометре с волновой дисперсией Rigaku ZSX Primus II. Рентгеноструктурные исследования при комнатной температуре проводили на дифрактометре Rigaku Ultima IV (CoKα-излучение, λ = 1.79021 Å); экспериментальные спектры обрабатывали методом Ритвельда с помощью программного обеспечения RigakuPDXL2. Микроструктуру литых сплавов изучали на сканирующем электронном микроскопе TescanVega 3SB, оснащенном приставкой для энергодисперсионного элементного микроанализа Oxford Instruments. Микроструктуру закаленных образцов исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOLJEM 1400. Магнитные гистерезисные свойства образцов определяли на вибромагнетометре VSM-250 в магнитном поле до 1.6 МА ∙ м–1 (20 кЭ) при комнатной температуре.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно результатам рентгенофлуоресцентного спектрального анализа, элементный состав каждого сплавав литом состоянии практически отвечает точной стехиометрии интерметаллического соединения (Nd1 – xCex)Fe11Ti (x = 0–0.3). Методами РФА и СЭМ-МРСА было определено, что литые сплавы, микроструктура которых характеризовалась дендритной ликвацией, находились в многофазном состоянии. Основной фазой каждого сплава являлось соединение со структурным типом ThMn12 (I4/mmm), объемная доля которой составляла 70–80 об. %. В образцах также были обнаружены примесные фазы: α-Fe (Im-3m), Fe2Ti (P63/mmc), (Nd, Ce)Fe2 (Fd-3m) и α-Ce (P63/mmc),содержание которых не превышало 10–15 об. %.

В табл. 1 представлены магнитные гистерезисные свойства, измеренные при комнатной температуре, для сплавов Nd1 – xCexFe11Ti (x = 0–0.3) после различных обработок. Значение удельной намагниченности насыщения σs для сплавов в литом состоянии при увеличении содержания церия x от 0 до 0.3 уменьшилось от 128 до 116 А · м2 ∙ кг–1, а значения удельной остаточной намагниченности σr и коэрцитивной силы iHc практически не изменились и составили 5.3 А · м2 ∙ кг–1 и 9.2 кА ∙ м–1, соответственно. Такое изменение гистерезисных свойств можно объяснить фазово-структурной неоднородностью (крупнокристаллическое многофазное состояние, дендритная ликвация) сплавов в литом состоянии.

Таблица 1.  

Магнитные гистерезисные свойства при комнатной температуре сплавов Nd1 – xCexFe11Ti (x = 0–0.3) после различных обработок

Образец Коэрцитивная сила iHc, кА · м–1 (Э) Остаточная намагниченность σr, А · м2 · кг–1 Намагниченность насыщения σs, А · м2 · кг–1
После выплавки
x = 0 9.1 (114.3) 5.3 128.0
x = 0.1 9.1 (113.9) 5.4 124.0
x = 0.2 9.2 (115.4) 5.4 119.0
x = 0.3 9.3 (116.1) 5.5 116.0
После закалки из жидкого состояния
x = 0 15.4 (193.7) 9.3 97.3
x = 0.1 19.2 (240.7) 11.2 86.8
x = 0.2 28.3 (355.9) 15.8 97.6
x = 0.3 38.7 (486.4) 20.5 104.0
После азотирования
x = 0 30.8 (387.0) 16.8 120.0
x = 0.1 31.8 (400.2) 20.3 112.0
x = 0.2 49.9 (626.5) 32.2 137.0
x = 0.3 112.9 (1418.0) 41.5 117.0

Из рентгеноструктурных исследований следует, что в образцах после закалки из жидкого состояния доля основной фазы превысила 90 об. %. Наибольшее содержание фазы “1 : 12” (до 96 об. %) было обнаружено для сплава (Nd0.7Ce0.3)Fe11Ti (при x = 0.3). Объем элементарной ячейки фазы со структурным типом ThMn12 уменьшился с 353.4 до 349.8 Å3 при увеличении содержания церия x от 0 до 0.3. Примесной фазой во всех изученных сплавах являлось α-Fe. Согласно результатам ПЭМ, средний размер равноосных зерен фазы “1 : 12” после закалки из жидкого состояния составил 100–150 нм.

Коэрцитивная сила и удельная остаточная намагниченность для сплавов после закалки из жидкого состояния при увеличении содержании церия x от 0 до 0.3 монотонно увеличились от 15.4 до 38.7 кА ∙ м–1 и от 9.3 до 20.5 А · м2 ∙ кг–1, соответственно. Значение удельной намагниченности насыщения немонотонным образом изменилось от 97.3 до 104 А · м2 ∙ кг–1, достигая минимального значения, равного 86.6 А · м2 ∙ кг–1 при x = 0.1. Повышение значений коэрцитивной силы и остаточной намагниченности рассматриваемых образцов по сравнению с литым состоянием можно объяснить увеличением дисперсности зеренной структуры и повышением значений поля и константы магнитокристаллической анизотропии фазы “1 : 12” вследствие частичного замещения ионов Nd ионами Ce.

С помощью рентгеноструктурных исследований было установлено, что в закаленных из жидкости сплавах после процесса азотирования объем элементарной ячейки основной фазы “1 : 12” увеличился на 4–5%. Наблюдаемый объемный эффект связан с внедрением атомов азота в определенные позиции (2b) кристаллической решетки интерметаллического соединения со структурным типом ThMn12 и образованием фазы (Nd, Ce)Fe11TiN1 – δ (0 < δ < 1). Дисперсность зеренной структуры фазы “1 : 12” и количество примесной фазы α-Fe в рассматриваемых образцах практически не изменились по сравнению с закаленным состоянием.

Азотирование закаленных сплавов привело к заметному повышению гистерезисных свойств по сравнению с предыдущими состояниями. Для рассматриваемых образцов коэрцитивная сила и удельная остаточная намагниченность при увеличении концентрации церия x от 0 до 0.3 монотонно возрастают от 30.8 до 112.9 кА ∙ м–1 и от 9.3 до 20.5 А · м2 ∙ кг–1, соответственно. Значение удельной намагниченности насыщения немонотонным образом изменилось от 120 до 117 А · м2 ∙ кг–1, достигая максимального значения равного 137 А · м2 ∙ кг–1 при x = 0.2. Повышение значений магнитных гистерезисных свойств рассматриваемых образцов по сравнению с образцами, закаленными из жидкого состояния, связано с увеличением объема элементарной ячейки основной магнитотвердой фазы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам исследования было установлено, что после закалки из жидкого состояния исходных литых сплавов содержание фазы со структурным типом ThMn12 повысилось от 70 до 90 об. %, а средний размера зерна составил 100–150 нм. Легирование сплава NdFe11Ti небольшим количеством церия (x = 0.1–0.3) приводит к повышению магнитных гистерезисных свойств как после закалки из жидкого состояния, так и после азотирования. Оптимальное сочетание магнитных гистерезисных свойств наблюдается на быстрозакалeнных сплавах (Nd1 – xCex)Fe11Ti при x = 0.2 и 0.3 после азотирования: iHc = 49.9 и 112.9 кА ∙ м–1, σr = = 32.2 и 41.5 А ∙ м2 ∙ кг–1, σs = 137 и 117 А ∙ м2 ∙ кг–1.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых (грант № МК-3616.2017.2). Все магнитные измерения в работе выполнены при частичном финансировании Российским научным фондом в рамках гранта № 18-72-10161.

Список литературы

  1. Yang Y.C., Hong S., Zhen-yong Zh. et al. // Solid St. Commun. 1988. V. 68. P. 175.

  2. Yang J., Dong Sh., Yang Y.-C. et al. // J. Appl. Phys. 1994. V. 75. P. 3013.

  3. Buschow K.H.J. // J. Magn. Magn. Mater. 1991. V. 100. P. 79.

  4. Efthimiadis K.G., Makridis S., Chadjivasiliou S.C. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 267. P. 19.

  5. Itsukaichi T., Umemoto M., Okane I. et al. // J. Alloys Comp. 1993. V. 193. № 1–2. P. 262.

  6. Jin Z.-Q. Sun X.K., Liu W. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 1997. V. 169. № 1–2. P. 135.

  7. Lin Zh., Han J., Liu Sh. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2012. V. 324. P. 196.

  8. Liu Sh., Han J., Du H. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2007. V. 312. № 2. P. 449.

  9. Zhou C., Pinkerton F.E. // J. Magn. Magn. Mater. 2014. V. 369. P. 127.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал