Перспективные направления в разработке материалов с особыми магнитными свойствами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Уникальное сочетание магнитных свойств получено в кристаллизованных аморфных сплавах со смешанной аморфно-кристаллической структурой - нанокристаллических (НКС). Эти сплавы получили за рубежом название Finemet. Для них после термической обработки характерно сочетание высоких значений магнитной индукции Bs (не менее 1,2 Тл) с гистерезисными магнитными свойствами на уровне лучших магнитно-мягких кристаллических и аморфных сплавов (рис. 13.1).

Магнитные свойства магнитно-мягких материалов

Сплавы НКС имеют необычную для традиционных магнитно-мягких сплавов структуру: они состоят из кристаллитов твердого раствора кремния в б - Fe, размер которых составляет 10-20 нм (нанокристаллы), и аморфной фазы, образующей тонкую (в несколько атомных слоев) оболочку вокруг кристаллитов б - Fe(Si).

По сравнению с другими нанокристаллическими сплавами у сплава Finemet самые лучшие магнитные свойства, он производится и используется в промышленных масштабах.

Формирование нанокристаллической структуры обусловлено комбинированным легированием медью и ниобием. Роль меди заключается в инициировании гомогенного зарождения зерен твердого раствора - Fe(Si) и подавлением кристаллизации с образованием боридов железа, а роль Nb состоит в торможении роста этих зерен. Не растворяясь в  - Fe(Si), ниобий вытесняются в межзеренное пространство (аморфную фазу), повышая температуру кристаллизации этой части сплава. На начальном этапе кристаллизации в основном происходит обогащение аморфной фазы бором, атомы же ниобия, выделяясь из a - Fe(Si), концентрируются на межфазной границе, создавая области повышенной концентрации ниобия, и только с течением времени атомы ниобия постепенно насыщают аморфную фазу.

Нанокристаллы твердого раствора  - Fe(Si) содержат около 18-20 ат. % кремния, причем твердый раствор находится в частично упорядоченном состоянии. После оптимальной с точки зрения магнитных свойств термической обработки (отжиг при 530-550 °С в течение 1 ч) объемная доля аморфной фазы составляет 20-40 %. Эта фаза обогащена Nb, Сu и В по сравнению с составом исходного аморфного сплава.

Условием магнитной мягкости материала является равенство нулю магнитострикции и константы магнитной кристаллографической анизотропии. Это условие в сплавах Finemet достигается вследствие баланса магнитострикции кристаллической и аморфной фаз - результат того, что при среднем размере зерна около 10 нм поведение системы нанокристаллов в магнитном поле определяется не константой К1, а усредненной по группе зерен константой К, которая значительно меньше чем К1. Уровень магнитных свойств НКС определяется не только их микроструктурой (размером и количеством зерен  - Fe(Si)), но и такими химическими составами фаз, при которых величины лs и К1 наиболее близки к нулю.

Усредненная по группе зерен константа анизотропии К определяется обменной связью между наночастицами, которая формирует однонаправленность векторов (ось легкого намагничивания) в группе зерен.

Величины К, µнач и Нс очень сильно зависят от d. Оптимальный средний диаметр зерен d = 10,..20 нм.

В Японии НКС с высокими свойствами выпускаются в виде ленты толщиной до 40 мкм и шириной 0,5-100 мм и маркируются FT-1. Сплавы выпускаются с прямоугольной петлей гистерезиса (FT-1H), пологой (FT-1L) и со средней прямоугольностью (FT-1M).

Режим термической обработки: отжиг при 550°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.

Сплав 5БДСР выпускается в трех модификациях: с прямоугольной (5ВП), округлой (5В) и пологой (5ВТ) петлями гистерезиса.

Введение меди приводит к формированию более однородной структуры и снижению размера зерна, что улучшает магнитные гистерезисные свойства.

Исследовано влияние изотермических отжигов на магнитные свойства аморфных нанокомпозитов металл-диэлектрик. В частности исследовано влияние изотермических отжигов на магнитные свойства аморфных гранулированных композитов и . Установлено, что в результате отжига, проводимого при Т = 723 К в течение 5 мин. происходит увеличение намагниченности композитов (~ до 30 %), а магнитный порог смещается в область с большим содержанием диэлектрической фазы на 2-3 % ат. в зависимости от элементного состава композита. Наблюдаемые изменения связываются с увеличением диаметра металлических гранул вследствие диффузии атомов металла, растворенных в диэлектрической матрице. Обнаружено увеличение в 3-4 раза начальной магнитной проницаемости аморфных гранулированных нанокомпозитов после изотермических отжигов. Предполагается, что этот рост обусловлен уменьшением эффективной константы магнитной анизотропии гранул в результате релаксации их аморфной структуры.

В последнее время разработаны перспективные магнитно-мягкие материалы, а именно микрокристаллические сплавы (МКС). Их изготовляют методом быстрой закалки из жидкого состояния. Они представляют собой метастабильные сплавы с характерным малым размером зерна (около 10 мкм), что и предопределяет особенности их свойств и название. В промышленных условиях МКС получают путем закалки расплава на двухвалковых установках в виде ленты: толщиной 0,05-0,2 мм, шириной до 250-300 мм. Эти размеры могут быть в максимальной степени приближены к размерам изделий, что существенно сокращает технологический цикл их производства.

Основным преимуществом магнитно-мягких МКС является их весьма высокая технологическая пластичность. Получаемые закалкой из жидкого состояния МКС можно подвергать холодной прокатке, штамповке, резке и изгибу при сматывании в кольцевые сердечники или рулон. После изготовления изделий нужного размера их подвергают термической обработке, обеспечивающей наилучшие магнитные свойства.

Быстрая закалка из жидкого состояния не только обусловливает получение мелкого зерна (размером около 10 мкм), но существенно влияет на тонкую структуру и фазовое состояние сплавов. Для МКС характерны высокая плотность дислокаций и дислокационных петель..

Улучшение магнитных свойств МКС при отжиге связано с изменениями структуры (уменьшением плотности дислокаций, исчезновением дислокационных петель, ростом зерна), а также с установлением благоприятной с точки зрения магнитных характеристик степени упорядочения. Обычно в магнитно-мягких МКС размер зерна меняется весьма мало при нагреве до 800°С, но при более высоких температурах отжига (1000-1200°С) увеличивается на один - два порядка. В МКС системы Fe-Si существенное влияние на магнитные свойства оказывают параметры кристаллической текстуры, формирующейся при отжиге.

Создание МКС на основе сплавов железа с кремнием с повышенным содержанием кремния (> 4 %) перспективно потому, что с ростом его содержания уменьшаются значения К1 и Xs (при 6,5 % Si A = 0) увеличивается . Все это предопределяет низкие динамические потери и улучшение всего комплекса магнитных свойств этих электротехнических материалов. Однако высококремниевые Fe-Si-сплавы нетехнологичны - они обладают повышенной хрупкостью. В то же время в виде мелкокристаллической ленты они могут подвергаться холодной прокатке, а угол загиба ленты достигает 180° на оправке диаметром 1-2 мм. Отжиг этих сплавов улучшает их магнитные свойства. Например, для сплава железа с 6,5 % Si после отжига при 1200°С величина Нс снижается с 180 до 70 А/м, что примерно в 6 раз меньше, чем в тонкой текстурованной ленте из электротехнической стали. Высокотемпературный отжиг (1100-1200 °С) увеличивает размер зерна до 1-2 мм. В зависимости от условий его проведения может протекать нормальный или аномальный рост зерна, формироваться текстура. Лента МКС Fe-6,5 % Si с аксиальной кубической плоскостной текстурой имеет почти нулевую магнитострикцию и очень низкую коэрцитивную силу (Нс = 4 А/м) и потери. Такая текстура возникает в результате отжига при температуре 1050-1150 С в вакууме лент толщиной не более 130 мкм. Наиболее низкие удельные потери Р при создании плоскостной текстуры наблюдаются при толщине ленты около 60 мкм. С ростом толщины ленты сплава Fe-6,5 % Si в интервале 10-90 мкм потери возрастают, что является следствием увеличения потерь на вихревые токи. Потери при частоте 1 кГц в этом сплаве составляют примерно 1/3 потерь в текстурованной электротехнической кремнистой стали. Быстрое охлаждение от 600 С заметно улучшает магнитные свойства МКС Fe-6,5 % Si (Hc уменьшается на 10 %) из-за снижения степени упорядочения. Освоено промышленное производство микрокристаллической ленты из сплава Fe-12 % А1. Этот сплав относится к классу магнитно-мягких материалов, но используется для изготовления магнитострикционных преобразователей (константа К1 при 12 % А1 близка к нулю, но Xs весьма велика). В отличие от альсифера (Fe-13 % Si) МКС Fe-12 % A1 обладает достаточно высокой пластичностью, так что он может быть подвергнут холодной прокатке (20-30 %) и другим видам механических воздействий. Кроме того, этот сплав обладает сравнительно высокой коррозионной стойкостью.

МКС Fe-12 % Al отличается от других магнитострикционных материалов сравнительной дешевизной (в 1,5-2 раза дешевле 49К2Ф), отсутствием дефицитных компонентов, высокими лs и , что позволяет применять сплав при частотах до 100 кГц. Повышенное значение Xs получают путем формирования текстуры.

Новым направлением в создании магнитотвердых материалов является разработка магнитов состоящих из редкоземельных металлов с кобальтом, состав которых отвечает формулам RCо5 и R2Со17, где R - редкоземельный металл. В их числе самарий, празеодим, иттрий. Используют жидкофазный метод спекания тонких порошков. К порошкам РЗМ добавляют порошки сплавов этих элементов. Температура плавления их ниже таковой для порошков чистых металлов. Сплав расплавляется и заполняет поры. Например, к порошкам SmСо5, в которых 37,5 % Sm добавляют сплав состава 60 % Sm и 40 % Со.

Порошки прессуют в магнитном поле. Известны сплавы КС37 (37 % Sm+63 % Со), КСП-37 (37 %Sm+Рr)), остальное - Со. Значения Не в них в 4-5 раз больше, чем у бариевых и кобальтовых ферритов. У них наиболее высокие значения Нc и магнитной мощности из всех магнитно-твердых материалов.

Вопросы для самопроверки:

Назовите свойства, и что характерно для кристаллизованных аморфных сплавах со смешанной аморфнокристаллической структурой?

Отличие НКС от традиционных магнито-мягких сплавов?

Описать процесс формирования нанокристаллической структуры и роль легирующих элементов?

Назовите условия магнитной мягкости таких материалов?

Каковы режимы термической обработки?

Основные преимущества магнито-мягких МКС?

Способ получения магнитов состоящих из редко-земельных металлов?

кристаллизованный аморфный сплав легирующий

Перечень ссылок

Чейлях А. П. Экономнолегированные метастабильные сплавы и упрочняющие технологии / А. П. Чейлях. - Харьков : ННЦ ХФТИ, 2003. - 212 с.

Ляхович Л. С. Специальные стали Л. С. Ляхович. - М. : Высшая школа, 1985. - 208 с

Бернштейн М. Л. Металловедение и термическая обработка М. Л. Бернштейн. - М. : Металлургия, 1983. - т. 2. - 327 с.

Гольдштейн М. И. Специальные стали / М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер // М. : МИСИС, 1999. - 408 с.

Геллер Ю. А. Материаловедение / Ю. А. Геллер, А. Г. Рахштадт. - М. : Металлургия, 1989. - 455 с.

Размещено на Allbest.ru