Распределение намагниченности и магнитные свойства кристаллических, аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Скулкина Надежда Александровна

Распределение намагниченности и магнитные свойства кристаллических, аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов

(01.04.11 - физика магнитных явлений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Екатеринбург

2008 г.

Работа выполнена в Уральском государственном университете им. А.М. Горького на кафедре физики магнитных явлений и в отделе магнетизма твердых тел НИИ физики и прикладной математики.

Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор Иванов Олег Андриянович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Драгошанский Юрий Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор Спивак Лев Волькович,

доктор физико-математических наук, профессор Исхаков Рауф Садыкович.

Ведущая организация ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - Уральский политехнический институт.

Защита состоится ___ __________ 2008 года в ____ часов

на заседании диссертационного совета Д 212.286.01 при Уральском государственном университете им. А.М. Горького по адресу: 620083, Екатеринбург, пр. Ленина, 51, ауд. 248.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного университета им. А.М. Горького

Автореферат разослан ______ ____________ 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, Н.В. Кудреватых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

В настоящее время магнетизм представляет собой широкую научную область, а магнитные материалы нашли разнообразное практическое применение [1]. Совокупность магнитных материалов подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы используют, в основном, в электротехнике. Трансформаторные и динамные стали применяют в качестве сердечников магнитопроводов в трансформаторах, электрогенераторах и моторах, дросселях и накопителях. Кроме магнитной проницаемости и коэрцитивной силы к числу наиболее важных характеристик магнитомягких материалов относятся удельные магнитные потери, поскольку такие материалы чаще всего используют в переменных магнитных полях. Высокий уровень магнитных свойств магнитомягких материалов достигается в результате уменьшения энергии магнитной кристаллографической анизотропии и магнитоупругой энергии, а также за счет повышения их чистоты и однородности. К материалам, обладающим высокой проницаемостью, относятся пермаллои (сплавы Fe-Ni). Их преимуществом является хорошая технологичность, что позволяет получить ленты толщиной до 0,5 мкм и расширить частотный диапазон их применения. Технология закалки из расплава помогает решить проблему производства лент и проволок на основе трудно деформируемых сплавов, а также получать ленты магнитомягких сплавов с аморфной структурой на основе Fe, Co и Ni, содержащих около 20 ат. % металлоида. Особенности химического состава и структуры аморфных магнитомягких сплавов приводят к формированию уникального сочетания магнитных, электрических, механических свойств и существенно расширяют номенклатуру магнитомягких материалов. При использовании магнитомягких материалов в фильтрах, стабилизаторах частоты и других устройствах большое значение имеет температурная стабильность магнитных свойств.

Ферритовые и металлические магнитострикционные материалы применяются для изготовления магнитострикционных преобразователей. Для магнитострикционных излучателей звука большое значение имеет величина магнитострикции насыщения, которая определяет предельную мощность в условиях нагрузки. Наиболее распространенными металлическими магнитострикционными материалами являются никель и сплавы на его основе, а также железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы. Формирование кристаллографической текстуры оказывает существенное влияние на уровень магнитных свойств.

Магнитные свойства магнитомягких материалов зависят также от вида доменной структуры, ширины доменов, типа доменных границ, участвующих в процессах намагничивания и перемагничивания материала, их степени стабилизации, следовательно, и скорости движения доменных границ [2-5]. Определенные физические воздействия могут приводить к изменению кристаллической структуры образцов и к изменению их доменной структуры. Амплитудные и фазовые изгибы доменных границ в процессе перемагничивания и дробление доменной структуры с ростом частоты приводят к изменению скорости движения границ доменов и оказывают влияние на динамические характеристики и уровень удельных магнитных потерь [6-9]. Наиболее достоверную модель внутренней доменной структуры непрозрачного материала можно построить на основании совместных исследований вида поверхностной доменной структуры и измерения магнитострикции.

Развитие отраслей промышленности, которые используют магнитомягкие материалы, требует совершенствования наукоемких технологий. Улучшение свойств магнитомягких материалов, создание новых перспективных материалов с заданными свойствами невозможно без изучения физики процессов, протекающих при их намагничивании и перемагничивании. Изучение влияния различных процессов и факторов на магнитные свойства лежит в основе сознательного подхода к формированию требуемого уровня магнитных свойств. Кроме того, решение обозначенных выше вопросов вносит весомый вклад в развитие науки, поэтому интересно и с научной точки зрения. Следовательно, тема настоящих исследований является актуальной.

В основу проведенных исследований для широкого класса ферромагнитных магнитомягких материалов (кристаллических, нанокристаллических и аморфных) заложены измерения комплекса магнитных свойств, таких как удельные магнитные потери, в широком диапазоне частот, индукций и температур, квазистатические кривые намагничивания и петли магнитного гистерезиса, кривые магнитострикции.

К моменту начала настоящих исследований (семидесятые годы прошлого века) изучение причин преобладания экспериментально измеренных значений удельных магнитных потерь в динамическом режиме перемагничивания над теоретически рассчитанными без учета доменной структуры материала проводили по двум направлениям. Первая группа ученых на основе только вихретокового механизма занималась исследованием влияния скорости движения доменных границ на удельные магнитные потери в металлических магнитомягких материалах. Проведены теоретические расчеты удельных магнитных потерь с учетом влияния амплитудных и фазовых изгибов доменных границ и для комнатной температуры получено удовлетворительное соответствие с экспериментальными данными [7-10]. Другая группа исследователей занималась выявлением физических процессов, способствующих превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию (механизмов магнитных потерь). Кроме макро- и микровихревых токов выявлены следующие механизмы: спин-спиновая релаксация, магнитострикционная деформация в движущихся доменных стенках, внутриграничные возбуждения, магнитоупругое взаимодействие доменных границ с дефектами кристаллической решетки [11-15].

Вклад различных механизмов в удельные магнитные потери при одних и тех же условиях перемагничивания осуществляется одновременно, а отсутствие комплексных систематических исследований магнитных свойств широкого класса электротехнических материалов не позволяло сделать выводы о возможном вкладе того или иного механизма в удельные магнитные потери или преобладании некоторых из них. Кроме того, изменение температуры приводит к нарушению соответствия теоретически рассчитанных и экспериментально измеренных значений удельных магнитных потерь. Таким образом, модельные представления, на основе которых проводили теоретические расчеты удельных магнитных потерь, объясняют экспериментально наблюдаемые зависимости лишь качественно.

Сложность реального характера движения доменных границ в процессе намагничивания и перемагничивания не дает возможности получения удовлетворительного соответствия с экспериментально измеренными значениями, поскольку учитываются не все факторы, приводящие к изменению скорости движения доменных границ, и не анализируется возможное перераспределение намагниченности в образцах. Существенным недостатком является также и то, что все расчеты проведены для одних и тех же условий: при комнатной температуре, что не позволяет отделить влияние констант материала от изменения условий перемагничивания.

Аморфные магнитные материалы являются сравнительно новым классом магнитных материалов. Они существенно отличаются от кристаллических своей структурой, физическими и магнитными свойствами. В связи с отсутствием атомного упорядочения существенно снижается роль магнитной кристаллографической анизотропии, более ярким становится проявление роли магнитоупругой энергии в формировании уровня магнитных свойств [16]. Сравнительно меньшая плотность аморфных сплавов обеспечивает возможность протекания в них диффузионных процессов уже при комнатных температурах. Эти сплавы достаточно перспективны для применения их в промышленности, особенно при высоких частотах. Аморфные магнитные материалы являются интересным объектом для исследований с научной и практической точек зрения. Оптимизация уровня их физических свойств невозможна без понимания механизмов протекающих в них процессов.

По сравнению с кристаллическими материалами для аморфных сплавов с достаточно высокой степенью вероятности нельзя построить конкретную модель доменной структуры и из-за того, что они обладают низкой анизотропией, и их доменная структура не является сквозной. Вид поверхностной доменной структуры чувствителен к химически активным средам. Тензометрический метод измерения кривых магнитострикции не позволяет получить достоверную информацию о процессах намагничивания и распределении намагниченности в ленте, поскольку напряжения, индуцируемые пленкой клея, приводят к перераспределению намагниченности в ленте. Таким образом, в связи со слабо выраженной кристаллографической анизотропией в быстрозакаленных магнитомягких сплавах, их высокой чувствительностью к напряжениям и химически активным средам, отсутствуют методики, позволяющие достаточно быстро и надежно определять распределение намагниченности в этих сплавах. Знание этого фактора способствует пониманию особенностей протекания процессов намагничивания и перемагничивания в исследуемых материалах.

Магнитные свойства ленты аморфного магнитомягкого сплава зависят от структурного состояния ее поверхностного слоя и матрицы. Обычные методы рентгеноструктурного анализа неприменимы в этом случае. Модифицированный метод рентгенодифрактометрических исследований структуры приповерхностных слоев в параллельных скользящих лучах является достаточно трудоемким.

В закаленном состоянии аморфные ленты обладают сравнительно низкими свойствами из-за достаточно высокого уровня внутренних напряжений, обусловленных процессом закалки. Улучшение магнитных свойств аморфных лент после проведения термо- и термомагнитных обработок достигается, как правило, за счет снижения уровня внутренних закалочных напряжений. До настоящих исследований считали, что именно снижение внутренних напряжений является основной и практически единственной причиной улучшения магнитных свойств в результате термообработки. Сложность проведения и воспроизведения термических обработок применительно к лентам аморфных магнитомягких сплавов заключается в необходимости контроля нескольких параметров, например, таких как оптимальная температура отжига и длительность выдержки при этой температуре, скорость нагрева и охлаждения, атмосфера отжига и т. п. Тем не менее, высокую неоднородность уровня магнитных свойств образцов аморфной ленты после отжига, проведенного одновременно, и, следовательно, в одинаковых условиях, невозможно объяснить учетом лишь этой причины. Считается, что проведение термической обработки лент аморфных сплавов на воздухе не должно приводить к окислению поверхности из-за низких температур изотермической выдержки. Оптимизация уровня магнитных свойств ленты с помощью термической обработки невозможна без понимания физических причин их изменения. Важную роль в понимании особенностей протекания процессов намагничивания и перемагничивания в лентах аморфных магнитомягких сплавов играет установление взаимосвязи распределения намагниченности в ленте с магнитными характеристиками. Эффективность термической обработки также связана с распределением намагниченности в ленте.

Уровень магнитных свойств ленты аморфного магнитомягкого сплава зависит также и от ее структуры, которая, в свою очередь, связана со структурой расплава. Из литературы известно, что увеличение температуры расплава приводит к улучшению его однородности. При этом повышается степень однородности структуры и аморфной ленты [17]. Термовременная обработка расплава перед аморфизацией (ТВО) заключается в нагреве расплава до критической температуры и выдержке перед разливкой при минимально допустимых температурах. Отмечается, что в результате этого уменьшается содержание газов в металле, происходит упрочнение ленты, исчезает зависимость магнитной индукции от толщины ленты в интервале толщин (10-30) мкм и снижается анизотропия свойств. Тем не менее, отсутствуют систематические исследования взаимосвязи степени однородности расплава с распределением намагниченности и комплексом магнитных свойств ленты.

Вследствие пониженной плотности аморфных сплавов и высокой химической активности их поверхности даже окружающая атмосфера может являться химически активной средой для этих материалов. Взаимодействие поверхности ленты с химически активными средами приводит к изменению химсостава ее поверхностного слоя, что, в свою очередь, оказывает влияние на уровень магнитных свойств и распределение намагниченности в ленте. Насыщение лент аморфных сплавов водородом приводит к существенному изменению свойств материала. Известно, что водород легко диффундирует как в кристаллических, так и в аморфных сплавах и, следовательно, оказывает влияние на свойства материалов, зависящие от диффузии [18-20]. Изучение этих вопросов также интересно и с научной, и с практической точек зрения.

С целью устранения гальванического контакта и уменьшения магнитных потерь на макровихревые токи в сердечниках из листового материала применяют электроизоляционные покрытия. В литературе показано, что электроизоляционные покрытия являются магнитоактивными, т.е. создают плоские направленные напряжения, способствующие дроблению доменной структуры и снижению скорости движения доменных границ, следовательно, и удельных магнитных потерь [4]. Взаимодействие покрытия с поверхностью листа связывается с адгезией, т.е. действием межмолекулярных сил. Индуцирование покрытием плоских растягивающих напряжений объясняется различием коэффициентов термического расширения покрытия и металла, а псевдоодноосное растяжение вдоль оси текстуры - анизотропией модулей упругости. Применение лент аморфных магнитомягких сплавов в качестве магнитопроводов, работающих в области высоких частот, предполагает формирование электроизоляционных покрытий на их поверхности. Разработанные составы покрытий для лент аморфных магнитомягких сплавов не дают устойчивого эффекта. Кроме того, формируемые на поверхности ленты покрытия тоже являются магнитоактивными и создают плоские псевоодноосные напряжения, причина которых неизвестна, поскольку в них практически отсутствует анизотропия модулей упругости. Выяснение характера взаимодействия покрытия с поверхностью ленты позволит понять причины влияния электроизоляционных покрытий на магнитные свойства аморфных сплавов, оптимизировать это воздействие и получить устойчивый эффект. Поэтому вопрос, касающийся выяснения физических причин влияния электроизоляционных покрытий, является достаточно важным. Использование листовых электротехнических материалов с электроизоляционным покрытием в магнитострикционных преобразователях и других аналогичных устройствах предъявляет совершенно иные требования к покрытиям: они не должны снижать магнитострикцию насыщения. Следовательно, спектр используемых электроизоляционных покрытий должен быть существенно расширен.

Решение этих вопросов требует проведения систематических исследований комплекса магнитных свойств, включающего в себя зависимость магнитных потерь от индукции и частоты при разных температурах для широкого класса магнитомягких материалов.

Основные цели и задачи исследований.

В соответствии с вышеизложенным, целью настоящей работы является выявление роли распределения намагниченности в формировании уровня магнитных свойств кристаллических, аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов.

Для достижения цели решаются следующие задачи:

Определение потенциального вклада известных механизмов в удельные магнитные потери и выявление механизмов, наиболее вероятных для электротехнических материалов.

Установление влияния распределения намагниченности (магнитной текстуры) на магнитные свойства электротехнических материалов и их температурное изменение для аморфных, нанокристаллических, моно- и поликристаллических текстурованных электротехнических материалов.

Применительно к быстрозакаленным магнитомягким сплавам разработка методов определения распределения намагниченности в лентах;

достижения оптимальной толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя;

оптимальных параметров термической обработки.

Выявление физических причин влияния термической обработки на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов.

Установление связи распределения намагниченности и магнитных свойств с особенностями структурного состояния лент быстрозакаленных магнитомягких сплавов. Выявление а) физических причин влияния состояния поверхностного слоя ленты на распределение намагниченности и уровень магнитных свойств аморфной матрицы; б) физических причин воздействия электроизоляционных покрытий на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов.

Решение поставленных задач достигается с помощью:

Проведения систематического исследования магнитных свойств кристаллографически изотропных электротехнических материалов при вариации удельного электросопротивления, констант магнитострикции и магнитной кристаллографической анизотропии.

Исследования комплекса магнитных свойств при изменении условий перемагничивания аморфных, нанокристаллических, моно- и поликристаллических образцов, анизотропное распределение намагниченности в которых существует на базе кристаллографической текстуры или создается с помощью различных физических воздействий.

Проведения исследований, позволяющих

с помощью изучения мессбауэровских спектров установить однозначную связь распределения намагниченности в ленте с ее магнитными характеристиками;

на основе результатов, полученных с помощью модифицированного метода рентгеновской дифракции для исследования структуры приповерхностных слоев в параллельных скользящих лучах выявить структурочувствительную характеристику и ее зависимость от толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя, позволяющую установить достижение его оптимальной толщины в процессе отжига;

установить связь эффективности термической обработки с уровнем магнитных свойств ленты в исходном (закаленном) состоянии.

Исследования влияния среды отжига и распределения намагниченности в лентах аморфных магнитомягких сплавов на эффективность термической обработки.

Изучения

а) связи структурного состояния матрицы и поверхности лент быстрозакаленных сплавов, изменение которых происходит в результате различных физических воздействий (термовременной обработки расплава перед аморфизацией, термической, термомагнитной, локальной лазерной обработок, электролитического насыщения поверхности ленты водородом и кислородом, взаимодействия с химически активной средой), с распределением намагниченности и магнитными свойствами лент быстрозакаленных магнитомягких сплавов;

б) влияния электроизоляционных покрытий различной морфологии на магнитные свойства магнитомягких электротехнических материалов; разработки покрытий и способов их формирования, не снижающих магнитострикцию насыщения магнитострикционных материалов.

В работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные и практически значимые результаты:

- Установлена взаимосвязь распределения намагниченности с магнитными свойствами аморфных, нанокристаллических, моно- и поликристаллических текстурованных электротехнических материалов и их температурным изменением.

- На основе совместных исследований магнитных свойств и мессбауэровских спектров разработан экспресс-метод определения распределения намагниченности (магнитных фаз) в объеме лент аморфных магнитомягких сплавов, позволивший установить взаимосвязь распределения намагниченности с уровнем магнитных свойств.

- Впервые обнаружено аномальное увеличение магнитных потерь за цикл перемагничивания в области низких частот и выявлены основные физические причины формирования низкочастотной аномалии магнитных потерь. Экспериментально доказано, что пик, наблюдаемый при частотах 20-40 Гц, формируется при участии смещения 90-градусных доменных границ в процессе перемагничивания, имеет сложную мультиплетную структуру и удовлетворительно объясняется релаксацией в процессе перемагничивания осей разных типов пар элементов (например, Si-B, C-B, B-B и т.п.).

- Выявлены физические причины влияния термической обработки на воздухе на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов. Показано, что кроме снятия индуцированных закалкой внутренних напряжений существенное влияние на уровень магнитных свойств оказывают влияние псевдоодноосные плоские напряжения, обусловленные анизотропным насыщением ленты водородом и кислородом из-за взаимодействия ее поверхности с находящимися в воздухе водяными парами и связанной с этим анизотропной кристаллизацией ее поверхности.

- Выявлены физические причины взаимодействия поверхности ленты с различными химически активными средами. Показано, что в результате химического взаимодействия индуцируются псевдоодноосные напряжения, связанные с распределением намагниченности в исходном состоянии и обусловленные анизотропным внедрением атомов различных элементов в поверхностный слой ленты, которые вызывают перераспределение намагниченности в ленте и соответствующее изменение магнитных свойств; взаимодействие поверхности ленты с атмосферой обусловлено действием дисперсионных сил (физической адсорбцией) и тоже приводит к перераспределению намагниченности в ленте за счет псевдоодноосных напряжений, обусловленных анизотропным расположением адсорбата. Выявлен механизм влияния электроизоляционных покрытий разной морфологии на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов, который тоже связан с индуцированием псевдоодноосных напряжений в плоскости ленты из-за анизотропного внедрения элементов покрытия в поверхностный слой ленты, а также анизотропного оксидирования и наводороживания ее поверхности с образованием избыточной концентрации элементов внедрения в направлении, перпендикулярном результирующей намагниченности.

Комплексные систематические исследования температурной зависимости магнитных свойств электротехнических материалов позволили сформулировать рекомендации по температурным диапазонам их рационального применения и улучшению термостабильности магнитных свойств.

Установлено, что для получения высокого уровня магнитных свойств в результате термической обработки необходимо формирование поверхностного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины (например, для сплава Fe-B-Si-C толщиной 25 мкм глубина такого слоя составляет 30-50 нм). Повышение эффективности термической обработки на воздухе может быть достигнуто также за счет предварительной обработки паром поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов и повышения скорости охлаждения в процессе обработки.

Показано, что устойчивость к нагреву эффекта локальной лазерной обработки лент аморфных магнитомягких сплавов связана с частичной кристаллизацией поверхности в месте прохождения луча лазера. Наиболее эффективное улучшение магнитных свойств ленты достигается при совместном применении локальной лазерной и термомагнитной обработок.

Выявление физических причин влияния электроизоляционных покрытий на магнитные свойства электротехнических материалов позволило

- для магнитострикционных материалов разработать составы электроизоляционных покрытий, не снижающих магнитострикцию насыщения, и способы их формирования;

- разработать составы и способы формирования многофункциональных электроизоляционных покрытий для лент быстрозакаленных магнитомягких сплавов;

- сформулировать общие рекомендации по достижению желаемого эффекта при помощи электроизоляционных покрытий.

Научная и практическая ценность результатов.

Представленные в диссертационной работе результаты исследования взаимосвязи распределения намагниченности с магнитными свойствами достаточно широкого класса электротехнических материалов способствуют более глубокому пониманию физики процессов и явлений, протекающих при их намагничивании и перемагничивании. Они служат основой для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, особенно в части, касающейся лент быстрозакаленных магнитомягких сплавов. Выявление физических причин влияния термической обработки на распределение намагниченности и магнитные свойства позволит осуществить осознанный подход к оптимизации уровня магнитных свойств лент аморфных магнитомягких сплавов. Установленные механизмы влияния электроизоляционных покрытий содействуют осознанному выбору компонентов раствора электроизоляционного покрытия, способа формирования и его морфологии для получения желаемого устойчивого эффекта.

Апробация работы.

По результатам диссертационной работы представлено около 65 докладов на 35 научных конференциях и совещаниях. В их число входят Российские научно-технические конференции в Иркутске (1982, 1992 гг.), Липецке (1985, 1995 гг.), Свердловске (1985, 1986, 1987, 1989 гг.), Ижевске (1995 г.), Екатеринбурге (2007 г.); конференции Всесоюзного уровня и межгосударственные семинары в Донецке (1977 г.), Аше (1981 г.), Москве (1984 г.), Липецке (1988 г.), Ростове Великом (1991 г.), Минске (1991 г.), Обнинске (1993, 1995, 1999 гг.); международные конференции: Soft magnetic materials 4: Munster,1979; 4th European East-West Conference and Exhibition on materials and Process: St-Petersburg (Russia) 1993; Soft Magnetic Materials Conference: Cracov,1995; 9th International conference on Rapidly quenched and metastable materials Bratislava: 1996; Soft Magnetic Materials 13 Conference: Grenoble, 1997; International Conference Texture and Properties of Materials, Ekaterinburg: 1997; VIII International seminar Dislocation Structure and Mechanical Properties of Metals and Alloys: Ekaterinburg, 1999; Soft Magnetic Materials 14 Conference: Balatonfured, 1999; Аморфные прецизионные сплавы. Технология - Свойства - Применение: Москва, 2000; EASTMAG: Екатеринбург, 2001; Международного семинара ДСМСМС-2002, Екатеринбург, 2002; International conference Functional Materials: Crimea, Ukraine, 2003; Eastmag - 2004, Krasnoyarsk, Russia. По результатам диссертационной работы опубликовано около 40 научных статей, получены патент и 3 авторских свидетельства на изобретение.

Достоверность результатов проведенных исследований.

Научные положения, выводы и рекомендации основываются на экспериментальных результатах, достоверность которых подтверждается применением современных и апробированных экспериментальных методик, статистическим характером экспериментальных исследований, анализом погрешностей измерений, применением компьютерных технологий обработки данных. Достоверность научных положений и выводов базируется также на непротиворечивости и качественном соответствии результатов систематического исследования комплекса магнитных свойств для различных электротехнических материалов. Представленные в диссертации результаты исследований не противоречат результатам других исследователей, опубликованным в открытой печати.

Основные результаты, полученные лично автором.

Автор диссертационной работы непосредственно участвовал в разработке новых оригинальных методик исследования для аморфных магнитомягких сплавов. Им осуществлена постановка задач по выявлению физических причин возникновения низкочастотной аномалии магнитных потерь, влияния термической обработки и электроизоляционных покрытий на распределение намагниченности и магнитные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов, установлению взаимосвязи структуры поверхностного слоя с уровнем магнитных свойств. Все представленные в диссертации результаты получены при непосредственном участии автора. Непосредственно автором или при его прямом участии дана интерпретация полученных результатов, предложены представленные в диссертации новые физические модели. В коллективных публикациях автору принадлежат защищаемые в диссертации положения и выводы. Тексты всех публикаций, в которых автор занимает первую позицию, написаны лично диссертантом, в остальных публикациях участие автора заключается в получении и обсуждении результатов.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти основных разделов, содержащих оригинальные результаты, заключения и основных выводов. Диссертация изложена на 372 страницах, включая 166 рисунков, 75 таблиц и список использованных источников из 322 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

магнитный потеря лента обработка

Анализ использованных источников в некоторой степени проведён во введении, а также во вступлениях к соответствующим главам и по ходу изложения оригинального материала. Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы основные цели и поставлены задачи исследования.

В первой главе представлены сведения об объектах исследования и используемых в настоящей работе методиках проведения исследований. Объекты исследования представляют собой широкий спектр кристаллических, аморфных и нанокристаллических электротехнических материалов. Подробно изложены оригинальные методики идентификации состояния поверхности лент аморфных магнитомягких сплавов, определения распределения намагниченности (магнитных фаз) в лентах аморфных магнитомягких сплавов и нахождения оптимальных параметров термической обработки. Все оригинальные методики базируются на результатах систематических исследований комплекса магнитных свойств.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В основу методики идентификации состояния поверхности ленты легла зависимость максимальной магнитной проницаемости от толщины поверхностного аморфно-кристаллического слоя, полученная с помощью модифицированного метода рентгеновской дифракции исследования структуры приповерхностных слоев в параллельных скользящих лучах (рис.1). Аналогичный вид имеет и зависимость максимальной магнитной проницаемости от длительности изотермической выдержки при термообработке, поскольку вариация этого параметра при неизменных других приводит к изменению структуры поверхностного слоя (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 - Схематическое представление распределения намагниченности (магнитных фаз) в ленте аморфного сплава и введенные обозначения

Распределение намагниченности в лентах аморфных сплавов (концентрацию фаз) определяли в рамках упрощенной модели, считая, что намагниченность в таких образцах распределена вдоль трех основных направлений, выделенных геометрией образца (по сути, речь идет о проекциях намагниченности на эти направления) (рис. 3).

Рис. 4 - Корреляционная зависимость между относительными значениями остаточной индукции, и объемом доменов с ортогональной намагниченностью

Относительный объем доменов с ортогональной намагниченностью устанавливали по корреляционной зависимости, полученной с помощью мессбауэровских исследований, между максимальными значениями остаточной индукции, и объемом доменов с ортогональной намагниченностью (рис. 4).

Относительные объемы доменов с планарной намагниченностью, ориентированной вдоль V180 и поперек V90 оси образца определяли с помощью измеренной по частным петлям гистерезиса зависимости остаточной индукции от максимальной, типичный вид которой показан на рис.5. Видно, что из-за разной степени стабилизации доменных границ на этой зависимости можно выделить три участка, соответствующие различным процессам: смещению 180-, 90-градусных доменных границ и обратимому вращению намагниченности. Значения соответствующих объемов можно определить с помощью следующих формул: V180 = Br180/Brs * V, V90 = V - V180.

Рис. 5 - Типичная зависимость остаточной индукции от максимальной для образцов магнитомягких аморфных сплавов

Рис. 6 - Корреляционная зависимость между длительностью изотермической выдержки при 380^оС на воздухе и значениями V в закаленном состоянии ленты сплава Fe₈₁B₁₃Si₄C₂

Исследования показали, что наиболее сильное влияние на значение максимальной магнитной проницаемости оказывает объем доменов с ортогональной намагниченностью. Поскольку в закаленном состоянии значения такого объема в основном связано с уровнем внутренних напряжений в ленте, то длительность изотермической выдержки при определенной температуре во время термообработки, необходимая для получения оптимального уровня магнитных свойств, зависит от распределения намагниченности в исходном состоянии ленты. Следовательно, подобрав температуру выдержки и проведя предварительные исследования можно построить корреляционную зависимость между объемом доменов с ортогональной намагниченностью в закаленном состоянии и оптимальной длительностью изотермической выдержки при определенной температуре (рис. 6), которую можно успешно использовать при проведении дальнейших исследований с образцами этого сплава.

Во второй главе приведены результаты исследования возможного вклада различных механизмов в удельные магнитные потери электротехнических материалов. Вариацию вклада различных механизмов осуществляли соответствующей вариацией основных констант материала с помощью изменения температуры (от - 196 до 300оС) и состава сплава. Оценки возможного вклада различных механизмов в удельные магнитные потери проводили для поликристаллических нетектурованных образцов кремнистого железа с содержанием кремния от 3,8 до 6,5% и никель-цинкового феррита 600НН с высоким значением удельного электросопротивления. Показано, что для мелкозернистого нетекстурованного поликристаллического материала с низкими значениями удельного электросопротивления при частотах (50 1000) Гц преобладающим является вклад вихретокового механизма и магнитоупругого взаимодействия доменных границ с дефектами кристаллической решетки. Температурная зависимость удельных магнитных потерь обусловлена соответствующим изменением вклада этих механизмов при изменении температуры. Для текстурованных материалов со сравнительно широкими доменами преобладающим является вклад вихретокового механизма.

Рис. 7 - Зависимость удельных магнитных потерь от индукции при +20^оС (кривые 1) и -196^оС (кривые 2) и частоте 50 Гц для монокристаллических рамок Fe-3%Si <110>{110} (₃=90^о), и <100>{110} (₃=0^о) (рисунки а и б соответственно)

В третьей главе представлены результаты исследования взаимосвязи распределения намагниченности и магнитных свойств моно- и поликристаллических текстурованных электротехнических материалов. Интересным результатом является температурная зависимость магнитных свойств, полученная для монокристаллических рамок Fe-3%Si <110>{110} (3=90о) и <100>{110} (3=0о) (см. рис. 7 и 8).

Рис. 8 - Зависимость магнитной проницаемости от поля при +20^оС (кривые 1) и -196^оС (кривые 2) для монокристаллических рамок Fe-3%Si <110>{110} (₃=90^о) и <100>{110} (₃=0^о) (рисунки а и д соответственно)

В этом случае понижение температуры до -196оС при перемагничивании вдоль <100> приводит к более сильному повышению удельных магнитных потерь и снижению максимальной магнитной проницаемости, нежели для изотропных образцов, а при перемагничивании вдоль <110> удельные магнитные потери при охлаждении уменьшаются, при этом происходит некоторый рост максимальной магнитной проницаемости. Характер изменения удельных магнитных потерь при охлаждении уже не объясняется уменьшением удельного электросопротивления даже качественно.

Результаты исследования температурного изменения удельных магнитных потерь, магнитной проницаемости, формы петель гистерезиса и магнитострикции под действием упругих растягивающих напряжений показывают, что при снижении константы магнитострикции 100 имеет место увеличение магнитоупругой энергии за счет повышения уровня внутренних напряжений при охлаждении образцов. Причем эти напряжения являются анизотропными, поскольку, как это следует из рисунка 9, приводят к повышению магнитострикции насыщения вдоль направления <100>, что соответствует уменьшению объема доменов с намагниченностью, ориентированной вдоль этой оси, и обусловлено псевдоодноосным растяжением вдоль осей <100>, не лежащих в плоскости образца.

Аналогичные результаты получены и для монокристаллических образцов железоалюминиевых сплавов. Индуцирование таких напряжений находит удовлетворительное объяснение в рамках теории направленного упорядочения, согласно которой примесные атомы внедрения преимущественно занимают позиции на ребрах куба, перпендикулярных результирующей намагниченности. Это препятствует уменьшению размеров кристалла при охлаждении в направлениях <100>, не лежащих в плоскости образца и создает эффект растяжения в этих направлениях. Таким образом, с понижением температуры на изменение удельных магнитных потерь оказывают влияние два фактора: уменьшение удельного электросопротивления и изменение исходной магнитной текстуры. При перемагничивании образцов вдоль <110> эти факторы являются противодействующими.

Рис. 9 - Зависимость магнитострикции от поля, измеренная для монокристаллического диска Fe-3%Si в направлении <100> в плоскости {110} при температурах +20 и -196^оС и намагничивании вдоль и поперек оси <100> (кривые 1 и 1^/; 2 и 2^/ соответственно)

Рис. 10 - Модели ориентации осей легкого намагничивания в трехосном кристалле, магнитных фаз, магнитного поля в плоскости образца и схематический пример перераспределения намагниченности при охлаждении образцов от +20 до -196^оС

В работе показано, что распределение намагниченности оказывает влияние на степень температурного изменения магнитных свойств и, в частности, удельных магнитных потерь поликристаллических материалов, магнитная текстура в которых существует на базе кристаллографической (например, анизотропная электротехническая сталь), а также создается с помощью различных физических воздействий, например, в нетекстурованных материалах, таких как пемаллои, приложением упругих напряжений или с помощью термомагнитных обработок. Упругие растягивающие напряжения, приложенные вдоль оси <100> к монокристаллическим образцам, способствуют повышению термостабильности магнитных потерь. Приложение к образцу постоянных по величине упругих растягивающих напряжений, хотя и улучшает магнитную текстуру в исходном состоянии, но не позволяет сохранить ее неизменной при понижении температуры. Наибольший эффект повышения термостабильности магнитных свойств достигается в результате формирования на поверхности электротехнической стали электроизоляционных покрытий. В этом случае, из-за различия коэффициентов термического расширения покрытия и метала, величина индуцируемых вдоль направления прокатки напряжений при охлаждении возрастает, препятствуя увеличению объема доменов с 90-градусными доменными границами.

Применение листовых железоалюминиевых сплавов с текстурой Госса в качестве магнитострикционных материалов требовало разработки методов получения устойчивого высокострикционного состояния, которому соответствует большой объем доменов с намагниченностью, ориентированной вдоль осей легкого намагничивания, не лежащих в плоскости листа. Исследование возможности получения такого состояния с помощью термомагнитной обработки в поперечном поле проводили на монокристаллических образцах Fe - 6%Al - 1%Si.

Рис. 11 - Зависимость магнитострикции ( и -1 и 1^/, и - 2 и 2^/) от поля, измеренная в исходном состоянии (а), и после ТМО (б) для монокристаллического образца Fe - 6%Al - 1%Si, вид поверхностной доменной структуры которого изображен на рис. 12

В результате такой обработки получили неожиданно низкие значения магнитострикции насыщения, которым соответствовала высокая остаточная магнитострикция при несовпадении направлений намагничивающего и размагничивающего полей, и не наблюдали изменения вида поверхностной доменной структуры (см. рисунки 11 и 12).

Рис. 12 - Вид поверхностной доменной структуры монокристаллического образца Fe - 6%Al - 1%Si в исходном состоянии (а) и после ТМО при размагничивании полем Н_~|| <100> (б) и Н_~|| <110> (в), а также в состоянии остаточной намагниченности после воздействия полем Н|| <110> (г). Модель доменной структуры приведена на рисунках (д - ж)

Вид поверхностной доменной структуры не изменялся и при намагничивании и размагничивании вдоль <110>, лишь имело место изменение периода структуры. Увеличение объема доменов с намагниченностью, ориентированной вдоль осей <100>, не лежащих в плоскости листа, и, одновременно наблюдаемое, уменьшение периода поверхностной доменной структуры с намагниченностью вдоль оси легкого намагничивания в плоскости листа можно интерпретировать в рамках предложенной модели (рис. 12). В ходе дальнейших исследований была обнаружена зависимость магнитострикции от направления размагничивающего поля, что позволило установить формирование метастабильного состояния после термомагнитной обработки в поперечном поле. Высокие значения остаточной магнитострикции и волнистость доменных границ, наблюдаемая после воздействия магнитного поля Н|| <110> (см. рис. 12 в и г), свидетельствует о наличии остаточной деформации [21], которая вызывает необратимую переориентацию намагниченности на 90 градусов или увеличение объема доменов с намагниченностью, параллельной осям легкого намагничивания <100>, не лежащим в плоскости образца. На изменение магнитных свойств исследуемого сплава в результате термомагнитной обработки оказывает влияние анизотропное направленное упорядочение пар атомов алюминия не только ближайшего соседства с осью симметрии <111>, но и соседства второго порядка с осью связи <100> [22]. Эффективный диаметр атомов алюминия больше эффективного диаметра атомов железа [23], следовательно, направленное упорядочение пар атомов алюминия создает некоторую тетрагональность в объемоцентрированной решетке сплава вдоль расположения осей пар.

Рис. 13 - Зависимость магнитострикции ( и -1 и 1^/, и - 2 и 2^/) от поля, измеренная для монокристаллического образца Fe - 6%Al - 1%Si после закалки от 800^оС

Относительно высокая магнитострикционная деформация, возникающая в магнитном поле в процессе смещения 90-градусных доменных границ, уже при комнатной температуре является достаточной для переориентации осей пар из направления <100> в плоскости образца в направления <100> , не лежащие в этой плоскости, или, наоборот, в зависимости от направления магнитного поля. При быстром выключении поля, вследствие соответствующего быстрого уменьшения межатомного расстояния, переориентация осей пар не успевает произойти, это и создает дополнительные растягивающие напряжения. Термическая обработка с высокой скоростью охлаждения (закалка от 800оС), подавляющая процессы упорядочения, приводит к исчезновению метастабильного состояния, зависимость магнитострикции от направления размагничивающего поля исчезает. Состояние характеризуется изотропным распределением намагниченности по осям легкого намагничивания, значения продольной магнитострикции возрастают до 60.10-6 (рис.13).

Четвертая глава посвящена исследованию магнитных свойств быстрозакаленных магнитомягких сплавов.

Рис. 14 - Зависимость магнитных потерь за цикл от частоты перемагничивания: а - схематическое изображение известной зависимости; б - экспериментальная зависимость, полученная для сплава Fe-B-Si-C в настоящей работе (B_m=0,5 Тл); (1 - полные магнитные потери; 2 - потери на гистерезис; 3 - динамическая составляющая магнитных потерь; 1 - потери, рассчитанные по классической формуле)

К числу наиболее ярких результатов относится обнаруженная нами на образцах аморфного сплава Fe81B13Si4C2 низкочастотная аномалия магнитных потерь (рис. 14): уменьшение частоты от 200 до 20 Гц приводит не к снижению, как это было известно ранее, а к росту магнитных потерь за цикл перемагничивания (рис.14 б).

Анализ результатов исследования показывает, что наблюдаемое аномальное увеличение магнитных потерь за цикл при низких частотах может быть обусловлено наличием магнитного последействия, которое приводит к увеличению поля вязкости, способствующего возникновению коррелированных скачков Баркгаузена, и, вследствие этого, повышению скорости движения доменных границ в процессе перемагничивания [24]. Исследование различных процессов и факторов, оказывающих влияние на распределение намагниченности в ленте, условия и степень закрепления доменных границ, на формирование аномалии частотной зависимости магнитных потерь за цикл проводили на образцах аморфных магнитомягких сплавов 7421 (Fe-B-Si-C) и 86КГСР (Со-Mn-Si-B) с нулевым и отличным от нуля значением магнитострикции насыщения. Установлено, что тип доменных границ, участвующих в процессе перемагничивания, оказывает влияние на низкочастотную аномалию магнитных потерь: смещение 180-градусных доменных границ не приводит к ее формированию, а с увеличением объема, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ, растет степень роста магнитных потерь с уменьшением частоты. Сами по себе процессы вращения намагниченности не приводят к формированию аномалии.

Рис. 15 - Частотная зависимость магнитных потерь за цикл перемагничивания для продольных образцов сплава Fe-Si-B-C после ТО в вакууме при 380^оС в течение 10 минут, скорость охлаждения 15 К/мин. Номера кривых соответствуют значениям магнитной индукции, при которых они измерены

Низкочастотная аномалия магнитных потерь существенно возрастает с усилением степени стабилизации доменных границ, увеличивающих скорость их скачкообразного движении в процессе перемагничивания. К факторам, влияющим на распределение намагниченности в ленте, стабилизацию границ доменов с планарной намагниченностью и степень неоднородности их движения, относятся магнитоупругая энергия, частичная объемная кристаллизация сплава, состояние поверхности ленты [25]. Увеличению аномалии способствуют повышение магнитоупругой энергии, частичная объемная кристаллизация сплава, аморфно-кристаллический поверхностный слой, толщина которого превышает оптимальную, структурные барьеры, создаваемые локальной лазерной обработкой, электроизоляционное покрытие, факторы, прямо или косвенно приводящие к повышению объема доменов с ортогональной намагниченностью.

Результаты более подробного (с шагом 1-2 Гц в интервале частот 20 - 100 Гц) исследования частотной зависимости магнитных потерь за цикл перемагничивания показали, что при частоте ~30 Гц в области магнитной индукции, где преобладающим является смещение 90-градусных доменных границ в процессе перемагничивания, формируется резонансный пик поглощения. Высота пика растет с ростом индукции, таким образом, что аномальные частотные зависимости, измеренные при разных индукциях, образуют систему вложенных пиков (рис.15). Формирование этого пика также находит удовлетворительное объяснение в рамках теории направленного упорядочения и обусловлено механизмом парной релаксации: повышением поля вязкости при переориентации осей пар атомов в процессе перемагничивания. На рисунке 16 показаны частотные зависимости магнитных потерь за цикл перемагничивания для образцов сплава классического состава Fe-Cu-Nb-Si-B в нанокристаллическом состоянии, измеренные при +20 и -196оС. Видно, что и в данном случае при сравнительно высоких индукциях, где в процессе перемагничивания преобладает смещение 90 - градусных доменных границ, в области частот 20 - 40 Гц имеет место формирование пика поглощения. Особенности заключаются в том, что структура пика поглощения в общем случае мультиплетна. Следовательно, его возникновение может быть обусловлено релаксацией осей не одного, а нескольких типов пар атомов, например, таких как С - С ; В - В ; Si - Si и т.п. Низкочастотная аномалия магнитных потерь обнаружена и для железоалюминиевого сплава, следовательно, она может проявляться и в кристаллических материалах с высокими значениями константы магнитострикции, где степень деформации в магнитном поле является достаточной для переориентации осей пар немагнитных атомов.

Исследования влияния различных факторов на кривизну начального участка частотной зависимости магнитных потерь за цикл перемагничивания показали, что она связана с распределением намагниченности в образце и процессами смещения доменных границ в процессе намагничивания и перемагничивания материала. Увеличению кривизны частотной зависимости магнитных потерь за цикл перемагничивания в кристаллических материалах способствуют те же факторы, что и формированию пика поглощения в быстрозакаленных сплавах, например, такие как увеличение объема, перемагничиваемого смещением 90-градусных доменных границ, рост магнитоупругой энергии. Это дает основание предположить, что и в кристаллических материалах слабо выраженные процессы релаксации атомов примесных элементов могут быть одной из физических причин повышения неоднородности движения доменных границ в области сравнительно слабых частот, их амплитудных и фазовых изгибов.

Рис. 16 - Частотная зависимость магнитных потерь за цикл перемагничивания для образцов нанокристаллического сплава Fe-Cu-Nb-Si-B после ТО в вакууме при 540^оС в течение 20 минут, скорость охлаждения 15 К/мин. при температуре +20^оС (а) и -196^оС (б, в)