» » Нанокристаллические магнитно-мягкие материалы
18.01.2016

Новый класс магнитных материалов разработан на основе нанокристаллических структур быстрозакаленных сплавов железа.
Термообработка аморфного сплава (Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1) системы Fe—Сu—Nb—Si—В при температуре, несколько превышающей температуру первичной кристаллизации (520 °С), приводит к образованию смешанной структуры (из α-Fe-нанокристаллов и остаточной аморфной матрицы), которая обладает высокими магнитными свойствами (высокой магнитной проницаемостью, низкими коэрцитивной силой, потерями на перемагничивание).
Размер нанокристаллов α-Fe составляет 5—20 нм, а их объемная доля 50—80 % в зависимости от состава и термической обработки. Толщину прослоек аморфной фазы оценивают по формуле d = (1-Vкрист)D/3, где Vкрист, D — объемная доля и размер α-Fe-нанокристаллов соответственно. Полученные значения толщины прослоек аморфной фазы составляют 1—2 нм.
Первичная кристаллизация аморфных сплавов системы Fe—Сu—Nb—Si—В протекает по механизму гетерогенного зарождения кристаллов α-Fe. Это достигается добавкой меди, которая приводит к химической неоднородности с образованием кластеров в начальной стадии отжига.
Механизм подобного действия добавки меди обусловлен сильным отталкивающим взаимодействием атомов Сu, Fe, Nb, что способствует образованию кластеров Си. Массивное превращение с образованием нанокристаллов α-Fe происходит при гетерогенном образовании центров кристаллизации на Cu-кластерах. Последующий рост α-Fe-кристаллов сопровождается перераспределением компонентов сплава, так что и В обогащают остаточную аморфную фазу, поскольку обладают низкой растворимостью в α-Fе(Si)-фазе.
Установлено, что кремний обогащает α-Fе-нанокристаллы, образуя в процессе первичной кристаллизации твердый раствор Fе(Si), содержащий около 20 % Бк Ниобий и бор обогащают остаточную аморфную фазу таким образом, что медленно диффундирующий ниобий создает резкий скачок концентрации, а быстро диффундирующий бор образует пологий градиент концентрации в остаточной аморфной фазе на границе с растущими кристаллами α-Fе.
Повышенное содержание ниобия с резким скачком концентрации на границе остаточной аморфной фазы способствует ее стабилизации и препятствует образованию интерметаллидной фазы. Добавка галлия в системе Fе—Ga—Nb—Si—В также стимулирует протекание массивного превращения при образовании α-Fе-фазы и процессе первичной кристаллизации аморфного сплава.
Легирование тугоплавкими металлами влияет на размер α-Fе(Si)-нанокристаллов, образующихся в частично кристаллических сплавах системы Fе—Сu—Nb—Si—В—X, (X = V, Мо, Zr). Средний размер частиц и объемная доля Fе(Si)-кристаллов уменьшаются при переходе от легирования ванадием к легированию цирконием. Это свидетельствует о большей термической устойчивости к протеканию кристаллизации сплавов с добавкой Zr. Добавки Мо, V, наоборот, снижают термическую стабильность аморфной фазы.
Нанокристаллические сплавы системы Fе—Ме—В (Ме = Zr, Нf, Nb) марки NАNОРЕRМ с высоким содержанием железа 85—90 % ат. разработаны с целью достижения уникальных магнитно-мягких свойств, которые представлены на рис. 17.16. В этих сплавах α-Ре-фаза имеет состав, близкий к чистому Fе, и магнитострикция λs принимает отрицательные значения.
Нанокристаллические магнитно-мягкие материалы

В сплавах Fе—Zr—В зарождение α-Fе стимулируется образованием упорядоченной доменной структуры без флуктуаций состава при температурах ниже температуры кристаллизации (~ 400 °С). Размер доменов возрастаете повышением температуры, и эти домены являются центрами первичной кристаллизации частиц α-Ре. Атомы Zr почти полностью вытесняются в аморфную матрицу, тогда как атомы В частично остаются в α-Fе-кристаллах. Со временем происходит обогащение Zr и В остаточной аморфной фазы. Для Zr как наиболее медленно диффундирующего элемента характерно образование резкого градиента концентрации на границе α-Fе/аморфная фаза. В результате достигается метастабильное равновесие остаточной аморфной фазы и α-Fе-нанокрнсталлов, кинетика роста которых контролируется диффузионной подвижностью атомов Zr. Обогащение бором поверхности раздела между кристаллической и аморфной фазами обусловлено высоким значением энергии взаимодействия атомов бора и циркония.
Малые добавки Сu или Рd к сплавам системы Fе—Ме—В уменьшают размер α-Fе-частиц. Например, атомы Си в сплаве Fe89Zr7B3Cu1 образуют кластеры, но не приводят к перераспределению атомов Zr и В. Добавка Си действует подобно тому, как она действует в сплавах системы Fe—Cu—Nb—Si—В, и образование кластеров Cu-атомов стимулирует выделение α-Fe-частиц в результате массивного превращения.
Эксперименты по исследованию влияния добавок легирующих элементов на образование на некристаллической структуры и магнитные свойства сплавов типа Fe86Zr7B6Me1 (Me = Pd, Pt, Ag, Au) показали, что наиболее эффективным стимулятором зародышеобразования при кристаллизации является медь. Добавки бора подавляют рост частиц α-Fe-фазы вследствие повышения термической стабильности остаточной аморфной фазы и подавления второй стадии кристаллизации остаточной аморфной фазы с образованием интерметаллидных фаз.
Быстрозакаленные сплавы на основе системы Fе—Zr—В с малыми добавками Al и Si характеризуются структурой с нaнокристаллическими твердыми растворами α-Fe(Al) и α-Fe(Si) соответственно и близкой к нулю магнитострикцией λs.
На рис. 17.17, 17.18 приведены зависимости магнитных свойств этих сплавов от содержания Al и Si. Магнитно-мягки с свойства сплавов (достижение нулевого значения λs, повышение проницаемости μс до 1,7*10в4 и индукции насыщения Bs > 1,5 Тл) обусловлены формированием при закалке расплава структуры из нанокристаллов α-Fe фазы, распределенных в аморфной матрице.
Нанокристаллические магнитно-мягкие материалы

В частично кристаллическом сплаве Fe86Zr7B3Si4 α-Fe-фаза содержит 96 % ат. Fe, 2 % ат. Zr, 1,5 % ат. Si и менее 1 % ат. В, тогдa как остаточная аморфная фаза содержит 7 % ат. Si, 17 % ат. Zr и 2% ат. В Обогащение кремнием остаточной аморфной матрицы обусловлено более высокой энергией взаимодействия между Si и Zr по сравнению с энергией взаимодействии Si и Fe. Установлено, что Zr вытесняется из α-Fe-фазы в аморфную матрицу: кремний, взаимодействуя с Zr, также обогащает аморфную матрицу, несмотря на то что он имеет высокую растворимость в α-Fe.
Определяющими характеристиками материалов с высокими магнитно-мягкими свойствами являются высокая магнитная проницаемости μc, высокая индукция насыщения Bs, низкая коэрцитивная сила Hc, близкая к нулю магнитострикция λs. Эти свойства тесно связаны с размерами нанозерен α-Fe-фазы и межзеренной аморфной матрицы в структуре быстрозакаленных сплавов. Типичные магнитные свойства нанокристаллических сплавов на основе α-Fe приведены в табл. 17.5.
Нанокристаллические магнитно-мягкие материалы

Hанокристаллические сплавы на основе Fe имеют также другие уникальные магнитные свойства, такие, как пьезомагнитный эффект и очень высокое магнитное сопротивление (GMI).
Механизм GM1-эффскта в нанокристаллических материалах является в настоящее время предметом исследования. Установлено, что GM1 коррелирует с высокой эффективной проницаемостью, присущей нанокристаллическим структурам.
Рассмотренные четверные магнитно-мягкие сплавы имеют перспективы применения в различных устройствах, включая силовые трансформаторы, компоненты интерфейсов передачи цифровой информации, компоненты электромагнитной защиты, магнитные головки, сенсоры, магнитные экраны. Кроме того, магнитно-мягкие материалы рассматриваются как перспективные в различных типах магнитопроводов трансформаторов, дросселей насыщения.
Недостаток нанокристаллических сплавов — их высокая хрупкость: скручивать или осуществлять другого вида деформацию лент не удавалось ни при каком виде термообработки.
Замена традиционного отжига резистивным нагревом быстрозакаленной ленты при пропускании тока плотностью 10в7 А/м2 в течение 10—100 c позволила получить высокую деформацию изгиба при изломе и высокую начальную проницаемость в сплаве Fe73,5Si13,5B9Nb3Cu1.