Технические науки. 1. Металлургия

 

К.т.н. Дорогина Г.А., член.-корр. РАН. Балакирев В.Ф., к.х.н.

Лисин В.Л., к.ф-м.н. Костылев В.А.

ФГБУН Институт  металлургии Уральского отделения РАН

Прекурсоры Fe-Cr для магнитотвердого порошкового материала системы Fe-Cr-Co

Магнитотвердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы Нс и остаточной намагниченностью или индукцией Вr. Обычно, магнитотвердые на основе железа материалы подразделяют по области применения на три группы [1]: для производства постоянных магнитов; для использования в гистерезисных двигателях; и для магнитной записи. Тенденция постоянного роста потребности в малогабаритных постоянных магнитах для различных систем управления и приборов (например, для магнитоуправляемых контактов (герконов), релейной техники и т.д.) служат   причиной исследования новых магнитотвёрдых материалов. Одним из наиболее часто используемых подобных материалов  являются материалы системы  Fe-Cr-Co [2-4].

Традиционные методы изготовления материалов системы Fe-Cr-Co довольно трудоемкие. В  них должны присутствовать две фазы [5]: a­1 фаза, богатая железом и a2 - богатая хромом. Как правило, подобные материалы изготавливают методом литья и прокаткой.

Ранее нами проведены исследования [6] по влиянию различных этапов получения магнитожестких Fe-Cr-Co порошковых материалов: 1) высокотемпературный отжиг; 2) изотермическая выдержка; 3) термомагнитная обработка, на функциональные свойства. Показано, что наибольшее влияние оказывает высокотемпературный отжиг, что согласуется с работой [7]. В данной работе рассмотрена фаза a2   и взаимодействие  прекурсоров Fe и Cr при спекании, а также влияние этого взаимодействия на  магнитные свойства материалов.

Порошки железа и хрома, полученные электрохимическим способом восстановления из расплава галогенидов металлов [8, 9] смешивали в различных соотношениях, прессовали и спекали в аргоне в течение 3 часов при 10000С. После этого, измеряли магнитные свойства образцов по петле гистерезиса. Далее производили аналогичные второй и третий отжиги с последующим измерением свойств. Часть образцов на втором и третьем этапах отжигали в азоте и  сравнивали магнитные свойства материалов со свойствами материалов, отожженных в аргоне.

Рассмотрим динамику изменения магнитного состояния материалов   в зависимости от концентрации хрома. Материалы системы Fe-Cr обладают слоистой структурой, где антиферромагнитные слои хрома перемешаны со слоями железа ферромагнитного порядка [10]. Материал, легированный 10%Сr еще остается  ферромагнитным (рис. 1). На рисунке видно, что коэрцитивная сила (-) и (+) и остаточная индукция  (↑↓) имеют близкие значения между собой. Гистерезисная кривая материала, легированного 15%Сr  (рис .2) несколько изменила свои параметры: у нее практически не стало коэрцитивной силы и остаточная индукция не пресекает ось намагниченности, что характерно для антиферромагнитного состояния. На рис. 3 мы видим классическую петлю гистерезиса для антиферромагнитного состояния, где в области нуля нет коэрцитивной силы и остаточной индукции.

При 30% Сr начинается процесс изменения классического антиферромагнетика, у которого две подрешетки находятся строго антипараллельно,  на состояние, в котором между двумя подрешетками имеется некоторый угол. Это состояние называется скошенным (неколлинеарным) антиферромагнетизмом,при которое из-за имеющегося угла между подрешетками, коэрцитивная сила относительно нуля может иметь один знак по полю или против поля (рис. 4).

 

Рис. 1. Фрагмент петли гистерезиса материала Fe-10%Cr после первого этапа спекания

 

Рис. 2 . Фрагмент петли гистерезиса материала Fe-15%Cr после первого этапа спекания

При вторичном этапе спекания в аргоне уже при 10%Сr магнитное состояние материалов соответствует скошенному антиферромагнетику. При увеличении концентрации хрома, заметно увеличивается площадь петли гистерезиса этого магнитного состояния.  

 

Рис. 3. Фрагмент петли гистерезиса материала Fe-20%Cr после первого этапа спекания

Рис. 4 Фрагмент петли гистерезиса скошенного антиферромагнетика материала   

Fe-30%Cr после первого этапа спекания

Длительность спекания в азоте приводит к большему увеличению площади петли гистерезиса. Как видно на рис. 5, после третьего отжига коэрцитивная сила увеличилась, по сравнению с Нс материала после второго отжига, но при этом значительно уменьшилась остаточная индукция.

 

 

Рис. 5 Гистерезисные кривые Fe-20%Cr  материала в зависимости от длительности отжига среды спекания

Выводы:

1. Спекание в азоте материалов, легированных хромом, увеличивает коэрцитивную силу по сравнению с материалом того же состава, но спеченным в аргоне;

2. С увеличением концентрации хрома, магнитное состояние материала изменяется: ферромагнитное → антиферромагнитное → скошенное антиферромагнитное. 

Литература

1.                 Бурханов Г.С., Дормидонтов А.Г., Миляев И.М., Юсупов В.С. Практика и дальнейшие перспективы использования высокопрочных наноструктурированных магнитотвердых сплавов системы Fe-Cr-Co. Нанотехнологическое общество России. 2011 г. С. 1-5;

2.                 Трошкина В.А. Способ термообработки сплавов системы Fe-Cr-Co. Патент 2023024. Дата подачи 03. 04. 1991. Опубликовано: 15. 11.1994;

3.                 Белова В.М., Ефименко С.П., Миляев И.М. Сплав на основе железа. Патент 2072745.  Дата подачи 01.07.1994. Опубликовано: 27. 01.1997;

4.                 Шацов А.А. Способ изготовления порошковых материалов системы Fe-Cr-Co для постоянных магнитов. Патент 203818 Дата подачи 22.10.1991. Опубликовано: 09.07.1995;

5.                 Masuo Okada, Gareth Thomas, Motofumi Homma, and Hideo Kaneko Microstructure and Magnetic Properties of Fe-Cr-Co alloys. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. VOL. VAG-14, NO. 4 JULY 1978. P. 245 – 252;

6.                 Лисин В.Л., Костылев В.А., Дорогина Г.А., Ведмидь Л.Б., Балакирев В.Ф. Сравнительный анализ способов получения порошкового магнитотвердого материала системы Fe-Cr-Co. Физика и химия обработки материалов (в пчати);

7.                 Устюхин А.С., Алымов М.И., Миляев И.М. Магнитные гистерезисные свойства Fe-26Cr-16Co порошковых магнитотвердых сплавов. Письма о материалах т. 4 №1 (2014) 59-61;

8.                  Костылев В.А., Леонтьев Л.И., Лисин В.Л., Петрова С.А. «Способ получения порошков тугоплавких металлов». Патент № 2397279 Дата подачи 20.11.2009 г. Опубликовано: 20.08.2010 г.;

9.                 ​ Вараксин А.В., Лисин В.Л., Костылев В.А., Леонтьев Л.И., Захаров Р.Г., Петрова С.А. Получение наноразмерных и ультрадисперсных порошков металлов и их карбидов электрохимическим способом. Бутлеровские сообщения. 2014. Vol.37. No.1 P.76-83;

10.            J. Hauschild, H. Fritzsche, S. Bonn, Y. Liu Determination of the temperature dependence of the coercivity in Fe/Cr (110) multilayers. Appl. Phys. A 74 [Suppl.], S1541–S1543 (2002) / Digital Object Identifier (DOI) 10.1007/s003390201773 p. S1541 - S1543

Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Урал-М» при финансовой поддержке РФФИ, грант №13-03-12180_офи и программы ОХНМ РАН №2 проект №12-Т-3-1027.