СОДЕРЖАНИЕ

На правах рукописи Работа выполнена в Уральском государственном университете
им.А.М. Горького на кафедре физики магнитных явлений.


Научный руководитель: старший научный сотрудник,
кандидат физико-математических наук
Степанова Елена Александровна Н.А. Скулкина


Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА И СОСТОЯНИЕ профессор Ю.Н.Драгошанский
ПОВЕРХНОСТИ ЛЕНТ АМОРФНЫХ
доктор физико-математических наук,
МАГНИТОМЯГКИХ СПЛАВОВ
профессор Л.В.Спивак

Ведущая организация: Институт физики им. Л.В. Киренского
СО РАН (г. Красноярск)
Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

Защита состоится 14 октября 2004 года в 16.00 часов
на заседании диссертационного совета Д 212.286.01 по защите дис-
сертаций на соискание учёной степени доктора физико-
АВТОРЕФЕРАТ математических наук при Уральском государственном университе-
диссертации на соискание ученой степени те им. А.М.Горького по адресу: 620083, г. Екатеринбург, пр. Лени-
кандидата физико-математических наук на, д. 51, ком. 248.


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ураль-
ского государственного университета им. А.М.Горького.

Автореферат разослан __ сентября 2004 года


Учёный секретарь диссертационного совета,
доктор физико-математических наук,
старший научный сотрудник Н.В. Кудреватых
Екатеринбург 2004
работок и взаимодействия с химически активными средами (элек-
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
троизоляционными покрытиями различной морфологии, средой
отжига, наводороживанием и оксидированием поверхности ленты).
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.
Одной из основных характеристик магнитопроводов являются
Аморфные и нанокристаллические сплавы, по сравнению с тра- магнитные потери. Известно несколько механизмов возникновения
диционными кристаллическими материалами, являются сравни- магнитных потерь, однако в проводящих материалах определяю-
тельно новым классом магнитных материалов. Аморфные магни- щую роль играют макро- и микровихревые токи, возникающие при
томягкие материалы представляют собой сплавы 75-85 % одного изменении магнитного потока. Расчеты показывают, что динамиче-
или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni) и 15-20 % метал- ская часть магнитных потерь имеет квадратичную зависимость от
лоида (B, C, Si, P и др.). частоты. Полагают, что потери на гистерезис зависят от частоты
Большое, по сравнению с кристаллическими материалами, со- линейно. Следовательно, динамические потери за цикл перемагни-
держание немагнитных элементов в аморфных магнитных сплавах чивания должны иметь линейную зависимость от частоты. Экспе-
(˜20 ат.%) понижает индукцию насыщения этих материалов, но яв- риментальная же зависимость является нелинейной, что объясняют
ляется необходимым условием для получения аморфного состоя- наличием неоднородности смещения доменных границ, их ампли-
ния. Вариации состава этих сплавов и применение различных об- тудным и фазовым изгибом и уменьшением ширины доменов с
работок позволяет получить такое сочетание магнитных и электри- ростом частоты. Для аморфных сплавов было обнаружено ранее
ческих свойств, которое дает возможность на их основе создать неизвестное резкое увеличение магнитных потерь при низких час-
магнитные материалы, имеющие широкие области использования в тотах перемагничивания, которое нельзя объяснить только дина-
технике. Поэтому изучение магнитных свойств быстрозакаленных мическим изгибом доменных границ и дроблением доменной
магнитомягких материалов имеет определенный практический ин- структуры [I]. Этот факт удовлетворительно объясняется в рамках
терес. Но не менее интересно исследование магнитных свойств теории магнитного последействия: увеличение поля вязкости при
данного класса материалов и с научной точки зрения. Сверхбы- низких частотах, обусловленного перескоком диффузионно под-
строе охлаждение расплава при получении аморфных металличе- вижных атомов, приводит к возникновению коррелированных
ских сплавов приводит к подавлению кристаллографической ани- скачков Баркгаузена и аномальному повышению скорости движе-
зотропии и позволяет выявить влияние других факторов, второсте- ния доменных границ в скачке. Однако, вопрос, касающийся меха-
пенных для кристаллических материалов, (например, магнитоупру- низмов формирования низкочастотной аномалии магнитных по-
гой энергии, энергии наведенной анизотропии и т.п.) на процессы терь, не является окончательно решенным. Поэтому весьма важ-
намагничивания и перемагничивания, следовательно, и формиро- ным является также изучение вопросов, связанных с выявлением
вание магнитных свойств. Учет влияния таких факторов, как физических причин формирования низкочастотной аномалии маг-
структурно-морфологические особенности, состояние поверхности нитных потерь.
ленты, высокая диффузионная активность атомов металлоида дает
более широкие возможности изучения физических механизмов, В соответствии с вышеизложенным, определены ЦЕЛИ РАБОТЫ:
влияющих на процессы намагничивания и перемагничивания, сле- – исследование магнитных свойств аморфных магнитомягких
довательно, и на формирование магнитных свойств данного класса сплавов при применении различных воздействий на состояние по-
материалов. Немаловажным является выявление физических при- верхности лент этих сплавов;
чин влияния поверхностного слоя ленты на магнитные свойства – выявление физических причин возникновения аномалии маг-
аморфных сплавов при изменении его состояния в результате спе- нитных потерь за цикл при низких частотах перемагничивания.
циальных (термической, термомагнитной, локальной лазерной) об-

3 4
Для этого в работе поставлены следующие ЗАДАЧИ: B и т.п.).
– провести исследования влияния различных воздействий (тер- Установлено, что процессы вращения намагниченности и смеще-
мообработок (на воздухе и в вакууме), нанесения электроизоляци- ния 180-градусных доменных границ не приводят к формированию
онных покрытий различной морфологии, проведения локальной низкочастотной аномалии магнитных потерь за цикл перемагничи-
лазерной обработки, электролитического наводороживания и т.д.) вания. Аномалия существенно уменьшается со снижением магни-
на магнитные свойства аморфных магнитомягких сплавов на осно- тоупругой энергии и объема, перемагничиваемого смещением 90-
ве железа; градусных доменных границ. Частичная поверхностная кристалли-
– выявить механизм влияния электроизоляционных покрытий на зация сплава, возрастание объема доменов с ортогональной намаг-
магнитные свойства аморфных быстрозакаленных сплавов; ниченностью способствуют усилению аномалии частотной зависи-
– проанализировать влияние различных факторов (вариации маг- мости магнитных потерь за цикл.
нитоупругой энергии; частичной кристаллизации поверхности; ти- Проанализировано влияние внедрения элементов различных хи-
па доменных границ, участвующих в процессах перемагничивания; мически активных сред (наводороживание и оксидирование по-
различных химически активных сред и т.п.) на вид частотной зави- верхности, нанесение электроизоляционных покрытий, атмосфера
симости удельных магнитных потерь, приведенных к единице ин- отжига) в поверхность лент аморфных магнитомягких сплавов на
дукции и частоты. распределение намагниченности и изменение магнитных свойств.
Выявлен механизм влияния электроизоляционных покрытий раз-
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: образцы аморфных сплавов на ос- ной морфологии на магнитные свойства аморфных магнитомягких
нове железа и кобальта с положительной магнитострикцией насы- сплавов.
щения. Исследуемые образцы имели форму полос размерами Показано, что вариация длительности изотермической выдержки
при постоянной температуре во время термообработки приводит к
130?10 мм и толщину 20 – 27 мкм.
соответствующей вариации толщины поверхностного аморфно-
кристаллического слоя. Для получения высоких магнитных свойств
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
в результате термической обработки и повышения их временной
На основе совместных исследований магнитных свойств и Мес-
стабильности необходимо формирование аморфно-кристал-
сбауэровских спектров разработан экспресс-метод определения
лического слоя оптимальной толщины (например, для сплава Fe-B-
распределения намагниченности в объеме лент аморфных магни-
Si-C толщиной 25 мкм глубина такого слоя составляет 30-50 нм).
томягких сплавов.
Исследование лент аморфных магнитомягких сплавов с разным
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.
структурным состоянием, уровнем магнитоупругой энергии, рас-
– Предложен и запатентован способ получения аморфной ленты с
пределением намагниченности в ленте позволило выявить основ-
электроизоляционным покрытием, свойства которой не хуже ленты
ные физические причины формирования низкочастотной аномалии
без ЭИП, прошедшей термообработку по оптимальному режиму.
магнитных потерь. Показано, что наблюдаемое аномальное повы-
Этот способ состоит в совмещении формирования ЭИП с термо-
шение магнитных потерь за цикл перемагничивания в области низ-
магнитной обработкой лент аморфных сплавов.
ких частот имеет вид резонансной кривой. Пик, наблюдаемый при
– Показано, что при локальной лазерной обработке лент аморф-
частотах 20-40 Гц, формируется при участии смещения 90-
ных магнитомягких сплавов в области прохождения лазерного луча
градусных доменных границ в процессе перемагничивания, имеет
имеет место частичная кристаллизация аморфного сплава, которая
сложную мультиплетную структуру и удовлетворительно объясня-
влияет на индуцируемые напряжения и, соответственно, на распре-
ется релаксацией в процессе перемагничивания осей разных типов
деление намагниченности и процессы намагничивания и перемаг-
пар элементов (например, для сплава Fe-B-Si-C пары Si-B, C-B, B-

5 6
ничивания. Наибольший эффект улучшения магнитных свойств ские свойства металлов и сплавов. Актуальные проблемы нанокристалличе-
ленты достигается при совместном применении лазерной и термо- ских материалов: Наука и технология» (Екатеринбург, 18-22 марта 2002 г.).
магнитной обработок.
– Выявлены физические причины влияния химически активных ПУБЛИКАЦИИ РАБОТЫ.
сред (воды, ацетона, электроизоляционных покрытий, атмосферы По результатам проведенных исследований опубликовано 13 на-
отжига, электролитического наводороживания и оксидирования учных статей, 28 тезисов докладов, получен 1 патент на изобрете-
поверхности) на магнитные свойства лент аморфных магнитомяг- ние.
ких сплавов. Псевдоодноосные растягивающие напряжения инду-
цируются за счет анизотропного внедрения элементов этих сред из- СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.
за анизотропии распределения намагниченности в исходном со- Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и
стоянии ленты. списка цитированной литературы. Работа содержит 167 страниц,
– Установлено, что для получения высокого уровня магнитных включая 62 рисунка и 33 таблицы. В списке литературы приведено
свойств в результате термической обработки необходимо форми- 187 наименований.
рование поверхностного аморфно-кристаллического слоя опти-
мальной толщины. 2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной ра-
боты, сформулированы её цель и основные задачи, научная новиз-
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Результаты исследований, составляющие основу диссертации, на и практическая значимость исследования, указаны результаты,
представлялись на следующих конференциях и семинарах: выносимые на защиту.
– V Всесоюзная конференция «Аморфные прецизионные сплавы: техно- Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены неко-
логия, свойства, применение» (Ростов Великий, 23-27 сентября 1991 г.); торые вопросы, касающиеся получения и структуры аморфных
– III межгосударственный семинар «Структурно-морфологичес-кие осно- сплавов, их физических свойств. Рассмотрены методы улучшения
вы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Об- магнитных свойств: термические и термомагнитные обработки, ло-
нинск, 14-16 июня 1995 г.); кальная лазерная обработка, нанесение электроизоляционных по-
крытий, электролитическое наводороживание поверхностного слоя
– Soft Magnetic Materials Conference (Cracov, 12-14 September, 1995);
– Российский семинар «Структурная наследственность в процессах сверх- ленты. Особое место в данной главе уделено механизмам удельных
быстрой закалки расплавов» (Ижевск, 26-28 сентября 1995 г.); магнитных потерь и их зависимости от индукции и частоты. На
– Шестое международное совещание «Аморфные прецизионные сплавы: основе представленной информации поставлены задачи исследова-
технология, свойства, применение» (Боровичи, 19-20 сентября 1996 г.); ния.
Во второй главе описаны исследуемые образцы, их состав, со-
– 9th International conference on Rapidly quenched and metastable materials
стояние, размеры, а также применяемые обработки и методики из-
(Bratislava, August 25-30,1996);
мерений магнитных свойств, погрешности измеряемых характери-
– Soft Magnetic Materials 13 Conference (Grenoble, 24-26 September, 1997);
стик. Приводится оригинальная методика оценочного расчета рас-
– Soft Magnetic Materials 14 Conference (Balatonfured, Hungary, September 8-
пределения намагниченности в лентах аморфных магнитомягких
10, 1999);
– V межгосударственный семинар «Структурно-морфологические основы сплавов на основе совместных исследований Мессбауэровских
модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Об- спектров и магнитных свойств образцов этих сплавов. Получена
нинск, 14-16 июня 1999 г.); корреляционная зависимость максимальной остаточной индукции
– IX Международный семинар «Дислокационная структура и механиче- (Brs) и объема доменов с ортогональной намагниченностью (V?)
8
7
(рис.1а). Поскольку в нашем случае наиболее сильным фактором В третьей главе представлены результаты исследования влияния
является магнитостатическая энергия, распределение намагничен- различных воздействий на состояние поверхности лент аморфных
ности в ленте связывали с осями симметрии, определяемыми гео- магнитомягких сплавов и их магнитные свойства.
• Исследование влияния термообработки показало, что наи-
метрией образцов. V?+ V|| =100%, где V|| – относительный объем
лучший уровень магнитных свойств ленты достигается при форми-
доменов с планарной намагниченностью. В свою очередь, V||
ровании поверхностного аморфно-кристаллического слоя опти-
=V180+V90 , где V180 и V90 - относительные объемы образца с намаг-
мальной толщины. Вследствие локальной кристаллизации поверх-
ниченностью вдоль и поперек оси ленты в ее плоскости, а
ности такой слой индуцирует в ленте преимущественно плоские
V??=(100- V?)%. Зависимость остаточной индукции, измеренной по
растягивающие напряжения и уменьшает объем доменов с ортого-
частным петлям гистерезиса, от максимальной индукции позволяет
нальной намагниченностью.
определить распределение намагниченности в плоскости ленты.
На рис.2 для образцов сплава Fe-B-Si-C толщиной 25 мкм пока-
зана зависимость максимальной магнитной проницаемости от тол-
а)
л б)
B ,T
rs
щины поверхностного аморфно-кристаллического слоя. Толщину
0,40 Br
1,6
s
слоя варьировали длительностью изотермической выдержки при
0,35
a)
1,4

380 оС и контролировали с помощью рентгеновских исследований
0,30 Br
1,2
180
в параллельных скользящих лучах [II]. Видно, что в этом случае
0,25
1,0

оптимальная толщина аморфно-кристаллического слоя составляет
Вr,Тл




0,20
0,8

30-50 нм.
0,15
0,6
0,10
0,4
80
3
2
1
0,05
0,2
Рис.2. Зависимость макси-
0,00
0,0




-3
60
мальной магнитной прони-
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6




* 10
01234567
0000000 8 9 10
000
Вm,Тл цаемости от толщины по-
V,%




max
40
верхностного частично-крис-
Рис.1. (а) - корреляционная зависимость Brs от объема до-




µ
таллизованного слоя h.
менов с намагниченностью, перпендикулярной плоскости 20
ленты V?; (б) - типичная зависимость остаточной индукции
от максимальной для образцов магнитомягких аморфных 0
0 100 200 300
Эта зависимость, как правило, имеет вид кривой с насыщением h, нм
(рис. 1б). Участок насыщения определяет значение Brs и соответст-
вует безгистерезисным процессам вращения намагниченности. Ли-
• Локальная лазерная обработка (ЛЛО) создает на поверхности
нейный участок от 0 до Br180 соответствует процессам смещения
ленты в зонах термического воздействия луча магнитоструктурные
слабо стабилизированных 180-градусных доменных границ. Гра- барьеры, приводящие к индуцированию продольных растягиваю-
ничное значение этого участка Br180 позволяет определить V180= щих напряжений между зонами термического воздействия. Это вы-
Br180/Brs . V??. Отклонение зависимости Br(Bm) от линейной на уча- зывает дробление доменной структуры, и соответствующее
стке от Br180 до Brs характеризуется преобладающим смещением уменьшению динамической составляющей удельных магнитных
сильно стабилизированных 90-градусных доменных границ. Значе- потерь. Проведенные исследования подтвердили наличие опти-
ние V90= V?? - V180 [12]. мального уровня энерговклада при ЛЛО, приводящего к наиболее


9 10
сильному снижению удельных магнитных потерь. Более низкий ную обработку, позволяет получить наиболее низкие значения
уровень энерговклада не позволяет получить напряжения, доста- удельных магнитных потерь.
• Влияние среды отжига на магнитные свойства магнитомягких
точные для создания оптимальной доменной структуры и соответ-
ствующего снижения магнитных потерь. В случае более высоких быстрозакаленных сплавов исследовали на примере аморфного
значений плотности облучения, как показали результаты наших ис- сплава Fe-B-Si-C. Образцы отжигали на воздухе и в вакууме при
следований, повышается объем доменов с ортогональной намагни- 380 °С с длительностью изотермической выдержки 10 мин, ско-
ченностью. Это приводит к усилению стабилизации границ доме- рость охлаждения составляла ˜10 К/мин. В Табл.2 приведены маг-
нов с планарной намагниченностью и увеличению магнитных по- нитные свойства и распределение намагниченности для образцов
терь. Результаты исследования влияния ЛЛО оптимальной плотно- аморфного сплава Fe-B-Si-C после отжига на воздухе и вакууме.
сти облучения и последующих термической и термомагнитной об-
работок на магнитные свойства и распределение намагниченности Таблица 2.
Р1,0/400, Вт/кг
образцов аморфного сплава Fe-B-Si-C представлены в Табл. 1. Для V??, V180, V90,
V?,
µmax
Состояние
Р Рг Рдин
сравнения приведены магнитные свойства образцов исследуемого % %
% %
ТО на
сплава после ТО и ТМО. 64000 1,48 0,64 0,84 14 86 62 24
воздухе
ТО
Таблица 1. 92000 2,28 0,59 1,69 8 92 71 21
в вакууме
Состояние ТО ЛЛО+ТО ТМО?? ЛЛО+ТМО??
Из таблицы 2 видно, что термообработка в вакууме позволяет по-
µmax*10-3 45 74 276 267
лучить лучшие статические свойства за счет меньшей степени ста-
Нс, А/м 4,6 4,4 1,5 1,7
билизации границ доменов с планарной намагниченностью вслед-
Р 4,2 3,2 3,1 2,87
ствие меньшего относительного объема доменов с ортогональной
Р1,0/400,
Вт/кг




Рг 0,95 1,4 0,62 0,85 намагниченностью. Однако удельные магнитные потери после ТО
Рдин на воздухе существенно ниже. Меньшие значения удельных маг-
3,2 1,8 2,46 2,02
нитных потерь обусловлены в этом случае вдвое меньшими значе-
21 12 2 7
V?, %
ниями их динамической составляющей. Эффект снижения динами-
79 88 98 93
V??, % ческой составляющей магнитных потерь после ТО на воздухе мо-
V180, % 73 73 98 83 жет быть связан с дроблением доменной структуры из-за псевдо-
V90, % 6 15 0 10 одноосного растяжения вдоль оси ленты. Такое растяжение, в свою
очередь, может быть следствием анизотропного оксидирования и
Видно, что эффект ЛЛО не снимается проведением термообра- наводороживания поверхности ленты из-за взаимодействия во вре-
ботки, как это имеет место в кристаллических материалах. Рентге- мя отжига с находящимися в атмосфере водяными парами. При ТО
новские исследования показали, что на дифрактограмме в области эффект анизотропии формы существенно ослабляется и на распре-
лазерной дорожки на фоне аморфного гало появляется пик ?-Fe, деление намагниченности в ленте основное влияние оказывают
соответствующий локальной частичной кристаллизации сплава. внутренние напряжения, индуцированные в результате закалки в
Анализ результатов также показал, что термомагнитная обработка, процессе изготовления ленты. Известно, что наибольшее растяже-
проводимая после ЛЛО лент аморфного сплава в закаленном со- ние в плоскости ленты имеет место в направлении, перпендику-
стоянии, также как и облучение ленты, прошедшей термомагнит- лярном ее оси, следовательно, в этом направлении и будет ориен-


11 12
тирована результирующая намагниченность. При внедрении в по- ниченность в этом случае ориентирована вдоль оси ленты, избы-
верхность ленты водорода и кислорода их избыточная концентра- точная концентрация элементов внедрения образуется в плоскости
ция создается в направлении, перпендикулярном результирующей ленты поперек ее оси. Этими причинами и обусловлено уменьше-
намагниченности [III], т.е. вдоль оси ленты. После охлаждения в ние (на 13 %) максимальной магнитной проницаемости и увеличе-
этом направлении аморфная матрица испытывает псевдодноосное ние удельных магнитных потерь (например, значение Р0,6/400 изме-
растяжение. нилось от 0,82 Вт/кг до 1,70 Вт/кг) при наводороживании образцов.
• С целью проверки выдвинутой гипотезы образцы подвергали • Электроизоляционные покрытия (ЭИП), наносимые на поверх-
электролитическому наводороживанию и оксидированию. В таб- ность листовых электротехнических материалов также являются
лице 3 показано влияние электролитического наводороживания и химически активными средами. Для понимания механизма воздей-
оксидирования поверхности на распределение намагниченности и ствия ЭИП на магнитные свойства лент аморфных магнитомягких
максимальную магнитную проницаемость предварительно ото- сплавов необходимо глубокое и полное изучение формирования
жженных при 3800С на воздухе с длительностью выдержки 2 мин адгезии покрытия к металлу. На поверхность лент аморфных спла-
образцов аморфного сплава Fe-B-Si-C. вов Fe-B-Si-C и Fe-Co-Si-B (с одинаковой магнитострикцией) ме-
тодом растворной керамики наносили аморфное (состава ZnO-
Таблица 3. Al2O3-P2O5) и кристаллическое (состава ZnO-Li2O-P2O5) ЭИП. при
V90, % µmax
Состояние одностороннем нанесении ЭИП на образцы по стреле прогиба ис-
V180, %
V? , % V??, %
исходное следовали величину и знак напряжений, создаваемых этими по-
14,5 85,5 72 13,5 23000
после наводороживания крытиями. Установили, что аморфное покрытие создает слабые
16 84 64 20 20000
исходное растягивающие напряжения, в то время как кристаллическое ЭИП
14 86 71 15 28000
после оксидирования в плоскости ленты индуцирует сжимающие напряжения величиной
9,5 90,5 52 38,5 38000
˜20 Н/мм2. Формирование адгезии в случае аморфного ЭИП про-
Видно, что после наводороживания объем доменов с ортогональ- исходит в один этап уже при температуре сушки. А в случае кри-
ной намагниченностью существенно не изменяется, в то время как сталлического ЭИП его формирование происходит в два этапа: при
оксидирование приводит к его снижению. Это обусловлено дейст- температуре сушки удаляется свободная вода, а при более высоких
вием плоских растягивающих напряжений, индуцируемых в температурах формирования происходит удаление связанной воды.
аморфной матрице поверхностным слоем ленты из-за сравнительно Исследуемые покрытия отличаются и по химическому взаимодей-
большего (относительно водорода) эффективного диаметра атомов ствию с поверхностью ленты. При нанесении аморфного покрытия
кислорода и меньшей глубиной его проникновения. С этим связа- возможно замещение алюминием кремния, содержащегося на по-
но, в основном, и увеличение максимальной магнитной проницае- верхности исследуемых аморфных сплавов. Внедрение атомов
мости (на 36%). В результате наводороживания и оксидирования алюминия или замещение атомов кремния приводит к возникнове-
поверхностного слоя ленты имеет место перераспределение намаг- нию растягивающих напряжений, поскольку эффективный диаметр
ниченности в ее плоскости: возрастает объем доменов с намагни- атомов алюминия больше эффективного диаметра атомов кремния
ченностью, ориентированной поперек оси ленты. Такая переориен- [IV, V]. В случае кристаллического ЭИП индуцированию сжимаю-
тация намагниченности может быть следствием псевдоодноосного щих напряжений в аморфной магнитной матрице способствует
плоского растяжения в этом направлении из-за анизотропного вне- уменьшение расстояния между атомами в поверхностном слое лен-
дрения водорода и кислорода в поверхностный слой ленты. По- ты из-за его обеднения атомами железа и возможного внедрения
скольку электролитическое оксидирование и наводороживание атомов цинка, эффективный диаметр которых несколько меньше
происходит при комнатной температуре, а результирующая намаг- эффективного диаметра атомов железа. Кроме того, уменьшение


13 14
объема покрытия вследствие удаления связанной воды и его ло- ше, а динамическая составляющая магнитных потерь – ниже. Та-
кальная кристаллизация также способствуют возникновению пре- ким образом, анизотропия распределения намагниченности в плос-
имущественно плоских сжимающих напряжений. кости, созданная термомагнитной обработкой перед нанесением
Для выявления физических причин индуцирования ЭИП анизо- ЭИП, приводит к разному характеру влияния ЭИП на магнитные
тропных напряжений исследовали модельные образцы с известным свойства лент аморфных магнитомягких сплавов. Следовательно,
распределением намагниченности и низким уровнем внутренних покрытие создает псевдоодноосные растягивающие напряжения,
закалочных напряжений: образцы аморфного сплава Fe-B-Si-C, направление которых связано с распределением намагниченности в
предварительно прошедшие термомагнитную обработку в про- исходном состоянии. Создание таких напряжений удовлетвори-
дольном и поперечном поле. Изменение магнитных свойств иссле- тельно объясняется анизотропным внедрением элементов покры-
дуемых образцов после контрольного отжига (без ЭИП) и в резуль- тия в поверхность ленты: создается их избыточная концентрация в
тате формирования ЭИП представлено в таблице. 4. направлении, перпендикулярном результирующей намагниченно-
сти. После охлаждения ленты с ЭИП в направлении избыточной
концентрации элементов внедрения создается псевдоодноосное
Таблица 4.
f = 400 Гц
Исходное со-




растяжение матрицы, которое приводит к переориентации намаг-
стояние




ниченности. Таким образом, улучшение магнитных свойств при
Bm =
Bm = 0,75 Тл
µmax
Состояние 1,45 Тл формировании ЭИП на образцах предварительно прошедших
Р, Рг, Рд, ТМО? объясняется индуцированием напряжений вдоль оси ленты,
Р, Вт/кг
Вт/кг Вт/кг Вт/кг
что приводит к увеличению объема доменов с намагниченностью,
Исходное 276 000 0,98 0,20 0,78 3,1
ориентированной вдоль продольной оси ленты и дроблению до-
ТО по реж.
менной структуры. При нанесении ЭИП объем доменов с намагни-
180 000 0,88 0,32 0,56 2,8
ТМО||




форм. ЭИП
ченностью, перпендикулярной плоскости увеличивается вследст-
ЭИП 55 000 1,04 0,48 0,57 3,5
вие создания сжимающих напряжений над воздушными «кармана-
Исходное 27 000 0,78 0,16 0,62 4,0
ми» на поверхности ленты. В настоящей работе предложен способ
ТО по реж.
117 000 1,00 0,36 0,64 3,2
ТМО?




формирования ЭИП в присутствии продольного магнитного поля.
форм. ЭИП
Этот способ позволяет получить аморфную ленту с покрытием,
ЭИП 91 500 0,99 0,56 0,43 3,8
свойства которой близки к свойствам ленты после отжига по опти-
мальному режиму (см. Табл.5).
Видно, что удельные магнитные потери и потери на гистерезис
увеличиваются после нанесения ЭИП для образцов, предваритель-
Таблица 5.
но прошедших ТМО как в продольном, так и поперечном поле. Но
Характери- ТО ЭИП+ТМО??
наиболее сильное возрастание гистерезисной составляющей на-
стики
блюдается для образцов с ЭИП, сформированным после ТМО?.
µmax 70 000 97 000
Динамическая составляющая удельных магнитных потерь в ре-
Нс, А/м 3,2 3,0
зультате формирования ЭИП а) после ТМО?? не изменяется, б) по-
Br/Bm 0,74 0,73
сле ТМО? - уменьшается. Разной оказывается и степень снижения Р1,45/400, Вт/кг 4,1 3,8
µmax: формирование ЭИП после предварительной ТМО?? приводит
Р1,00/400, Вт/кг 1,85 1,53
к уменьшению µmax на 70%, а после ТМО? – ишь на 20%. Сами же
значения µmax образцов с ЭИП, сформированным после ТМО? вы-
15 16
намагниченности. Частотная зависимость магнитных потерь за
В четвёртой главе подробно рассматриваются факторы, влияю- цикл перемагничивания для таких образцов представлена на
щие на появление аномального повышения магнитных потерь за рис.3б. Видно, что аномалия не является ярко выраженной: глубина
минимума ?РВ/50/Рmin невелика и не превышает 6 % при индукции
цикл перемагничивания при низкий частотах; анализируются фи-
зические причины возникновения такого вида зависимости. 1,5 Тл. Следовательно, процессы вращения намагниченности не
Из рис.3а видно, что для образца аморфного сплава Fe-B-Si-C, приводят к формированию низкочастотной аномалии магнитных
прошедшего ТМО??, аномалия исследуемого вида отсутствует во потерь. На рис. 3в показана частотная зависимость магнитных по-
всем исследуемом интервале индукций. Следовательно, процессы терь за цикл перемагничивания для образцов исследуемого сплава
в закаленном состоянии. Видно, что аномальное повышение маг-
смещения 180°-ных доменных границ не приводят к формирова-
нитных потерь при частотах 20 – 40 Гц появляется при индукции
нию аномалии. Для образцов, предварительно прошедших ТМО?,
выше 0,4 Тл и усиливается с ростом индукции. Исследование зави-
во интервале индукций вплоть до 1,6 Тл значения остаточной ин-
симости Br(Bm) показало, что именно в этом интервале индукций в
дукции, измеренной по частным петлям гистерезиса, достаточно
процессе перемагничивания преобладающим является смещение
низки (0,04 – 0,08 Тл) и практически не зависят от максимальной
90-градусных доменных границ.
индукции. Следовательно. Перемагничивание образцов в этом слу-
Таким образом, процессы смещения 90°-ных доменных границ
чае осуществляется, в основном, с помощью обратимого вращения
играют определяющую роль в процессе формирования низкочас-
тотной аномалии магнитных потерь. Уменьшение магнитоупругой
а) энергии, обусловленное снятием внутренних напряжений в резуль-
в) тате термообработки, приводит к перераспределению намагничен-
ности в ленте и снижению аномалии магнитных потерь при низких
частотах. На распределение намагниченности и степень стабилиза-
ции доменных границ в лентах аморфных магнитомягких сплавов
оказывают влияние также и структурные факторы (частичная по-
верхностная и объемная кристаллизация, локальная лазерная обра-
ботки и т.п.). Например, после ТО при 430°С, приводящей к объ-
б)
емной частичной кристаллизации сплава, в интервале частот 20 –
40 Гц происходит существенное повышение удельных магнитных
потерь за цикл перемагничивания. ЛЛО образцов, предварительно
прошедших термообработку при 380°С с длительностью изотерми-
ческой выдержки 10 минут, при достаточно высоких индукциях
(выше 1,25 Тл) вызывает появление исследуемого вида аномалии
магнитных потерь. Этот факт связан с тем, что в области частот,
где проявляются релаксационные процессы, дополнительное за-
крепление доменных границ структурными барьерами существен-
Рис.3. Частотная зависимость магнитных потерь за цикл для об-
но увеличивает скорость их скачкообразного движения и приводит
разцов аморфного слава Fe-B-Si-C (а) - после термомагнитной
к возрастанию магнитных потерь.
обработки в продольном поле; (б) – в поперечном поле; (в) – в
Результаты более подробного (с шагом 1-2 Гц) исследования час-
закаленном состоянии.

17 18
тотной зависимости магнитных потерь за цикл перемагничивания 2. Исследование взаимосвязи магнитных свойств с состоянием
для образцов нанокристаллического сплава Fe-Cu-Nb-Si-B после поверхности образцов аморфных магнитомягких сплавов, подверг-
термообработки в вакууме показаны на рис.4. Видно. что частотная нутых различным воздействиям, показало, что:
зависимость магнитных потерь за цикл перемагничивания имеет – для получения высокого уровня магнитных свойств в результа-
вид резонансной кривой. При частотах 20 – 40 Гц обнаружен пик те термической обработки необходимо формирование поверхност-
поглощения, характерный для той области магнитной индукции, ного аморфно-кристаллического слоя оптимальной толщины. На-
которая достигается благодаря преобладающему влиянию смеще- пример, для сплава FeBSiC толщиной 25 мкм глубина такого слоя
ния 90 - градусных доменных границ в процессе перемагничива- составляет 30-50 нм.
ния. Наблюдаемый пик поглощения имеет сложную мультиплет- – частичная кристаллизация сплава в области лазерной дорожки
ную структуру. Его возникновение также находит удовлетвори- при локальной лазерной обработке сплава влияет на индуцируемые
тельное объяснение в рамках теории направленного упорядочения напряжения, которые определяют вид доменной структуры, оказы-
и релаксации осей пар немагнитных атомов. вают воздействие на распределение намагниченности в ленте и
Электролитическое оксидирование и новодороживание ленты процессы намагничивания и перемагничивания. Наибольший эф-
приводит к формированию двух серий пиков водородной и кисло фект улучшения магнитных свойств ленты достигается при совме-
родной групп в области более высоких частот (40-90 Гц). стном применении лазерной и термомагнитной обработок.
– электролитическое наводороживание и оксидирование поверх-
ности ленты оказывает влияние на распределение намагниченности
a
0,0024
в ленте за счет создания псевдоодноосного растяжения. Такое рас-
тяжение может быть связано с анизотропным внедрением водорода
0,0020
и кислорода в поверхностный слой ленты из-за анизотропии рас-
Рис.4. Частотная зависи-
P/fB, J/(kg*Т)




пределения намагниченности в исходном состоянии.
мость магнитных потерь за
0,0016
В=1,1 Т
цикл для образца нанокри- – при температуре отжига атмосфера является химически актив-
сталлического сплава Fe- ной средой по отношению к лентам аморфных магнитомягких
0,0012
Nb-Cu-Mo-Co-B-Si после сплавов. Взаимодействие поверхности ленты с находящимися в
В=0,9 Т
ТО в вакууме при 540°С.
0,0008
воздухе водяными парами способствует индуцированию плоского
В=0,8 Т
псевдоодноосного растяжения из-за соответствующего анизотроп-
0,0004
ного оксидирования и наводороживания ее поверхности.
10 20 30 40 50 60
f, Hz
3. Исследование неорганических электроизоляционных покрытий
различных химсоставов и морфологии (аморфных и кристалличе-
ских) показало, что имеет место химическое взаимодействие элек-
3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. троизоляционных покрытий с поверхностью лент исследуемых
1. Разработан экспресс-метод определения распределения намаг- сплавов. Знак индуцируемых покрытием напряжений зависит от
ниченности в лентах аморфных магнитомягких сплавов на основе типа этого взаимодействия: внедрение элементов покрытия в по-
полученной с помощью Мессбауэровской спектроскопии зависи- верхностный слой ленты приводит к растяжению поверхности, а
мости максимального значения остаточной индукции от объема замещение более крупных элементов мелкими (с меньшим значе-
доменов с ортогональной намагниченностью и зависимости оста- нием эффективного радиуса атома)– к возникновению плоских
точной индукции, измеренной по частным петлям гистерезиса, от сжимающих напряжений. Дополнительным источником индуциро-
максимальной. вания плоских сжимающих напряжений в ленте является локальная


19 20
частичная кристаллизация покрытия. Влияние покрытия на распре- разного движения доменных границ (частичная поверхностная кри-
деление намагниченности и магнитные свойства ленты зависит от сталлизация сплава, возрастание магнитоупругой энергии и объема
распределения намагниченности в исходном состоянии и обуслов- доменов с ортогональной намагниченностью и т.п.), способствуют
лено анизотропным внедрением элементов покрытия, генерирую- усилению аномалии частотной зависимости магнитных потерь за
щим псевдоодноосные напряжения в ленте. цикл.
4. Выявление физических причин влияния электроизоляционных
покрытий на свойства аморфных магнитомягких сплавов позволи- 4. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ло разработать и запатентовать способ получения ленты с электро-
изоляционным покрытием, обладающей высоким уровнем магнит- 1. Скулкина Н.А., Горланова М.А., Широкова (Степанова) Е.А.,
ных свойств, который заключается в формировании ЭИП одно- Иванов О.А., Ханжина Т.А. Влияние электроизоляционных покры-
временно с термомагнитной обработкой, в результате чего сущест- тий на магнитные свойства и удельные магнитные потери аморф-
венно снижается объем доменов с ортогональной намагниченно- ного сплава Fe81B13Si4C2 // Изв. ВУЗов “Черная металлургия”.-
стью. 1993.-№1.-С.58-62.
5. Исследование лент аморфных магнитомягких сплавов с разным 2.Скулкина Н.А., Горланова М.А., Иванов О.А., Широкова (Степа-
структурным состоянием, уровнем магнитоупругой энергии, рас- нова) Е.А., Ханжина Т.А. Влияние электроизоляционного покры-
пределением намагниченности в ленте позволило выявить основ- тия и термомагнитных обработок на магнитные свойства аморфно-
ные физические причины формирования низкочастотной аномалии го сплава Fe-B-S-C // ФММ.-1995.-Т79, вып.5.-С.38-46.
магнитных потерь за цикл перемагничивания: 3. Скулкина Н.А., Горланова М.А., Иванов О.А., Попова И.А.,
– наблюдаемое аномальное повышение магнитных потерь за цикл Цветкова Л.Е., Степанова Е.А., Смышляев А.С., Маркин П.Е.
перемагничивания в области низких частот имеет вид резонансной Влияние лазерной обработки на магнитные свойства аморфного
кривой. Пик, наблюдаемый при частотах 20-40 Гц, формируется сплава Fe-B-Si-C// ФММ.-1997.-Т.83, вып.5.-С. 54-63.
при участии 90-градусных доменных границ в процессе перемаг- 4. Скулкина Н.А., Иванов О.А., Степанова Е.А., Глотова Л.С., Це-
ничивания, имеет сложную мультиплетную структуру и удовле- пелев В.С. Влияние термических обработок на структуру и магнит-
творительно объясняется релаксацией в процессе перемагничива- ные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов// ФММ.-
ния осей разных типов пар элементов (например, Si-B, С-В, В-В и 1998.-Т.86, вып.2.-С. 54-60.
т.п.). 5. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А. Аномалия частот-
– оксидирование и наводороживание поверхности ленты приво- ной зависимости магнитных потерь. I. Влияние характера процес-
дит к формированию в области более высоких частот (40-90 Гц) сов намагничивания и распределения намагниченности на форми-
двух серий пиков водородной и кислородной групп, формирование рование аномалии // ФММ.-1998.-Т.86, вып.5.-С. 48-54.
которых может быть обусловлено релаксацией в процессе перемаг- 6. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А. Аномалия частот-
ничивания осей пар элементов: (O-Si, O-O, O-C, O-B), O-H, (H-Si, ной зависимости магнитных потерь. II. Влияние структурных фак-
торов и стабилизации доменных границ на формирование анома-
H-C, H-B, H-H).
– процессы вращения намагниченности и смещения 180-градус- лии // ФММ.-1998.-Т.86, вып.5.-С. 55-63.
ных доменных границ не приводят к формированию аномалии. 7. Skulkina N.A., Stepanova E.A., Gorlanova M.A., Ivanov O.A.,
– аномалия магнитных потерь существенно снижается с умень- Khanzhina T.A. Mechanisms of influence of electroinsulation coatings
шением магнитоупругой энергии и объема, перемагничиваемого on magnetic properties of amorphous soft magnetic alloys/ J. Phys. IV
смещением 90-градусных доменных границ. France.-1998.-N 8.- P. 2-67 - 2-70.
– процессы, приводящие к усилению неоднородного скачкооб- 8. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А., Назарова Л.А.
22
21
Формирование аномалии частотной зависимости магнитных по- кутск, 23-26 июня 1992 г.) – Иркутск, 1992. С. 64-65.
терь// ФММ.-2000.-Т.90, вып.1.-C.51-56. III. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение преци-
9. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А., Назарова Л.А. зионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. –
Влияние химически активной среды на магнитные свойства быст- М.: Металлургия, 1989. - 496 с.
розакаленных сплавов на основе железа I. Среда отжига и магнит- IV. Пенкаля Т. Очерки кристаллохимии.- Л.:Химия, 1974. – 496 с.
ные свойства лент аморфных магнитомягких сплавов//ФММ.- V. Штин А.П., Фотиев А.А., Галактионов А.Д., Ходос М.Я. Физи-
2001.-Т.91, вып.1.-C.17-23. ко-химические свойства щелочных алюмофосфатных стекол
10. Скулкина Н.А., Степанова Е.А., Иванов О.А., Ханжина Т.А., //Физика и химия стекла, т. 2, № 1, 1976, с.80-88.
Назарова Л.А.. Влияние химически активной среды на магнитные
свойства быстрозакаленных сплавов на основе железа II. Морфоло- Частичная финансовая поддержка исследований осуществлена
фондом «Тhe U.S. Civilian Research & Development Foundation for
гия электроизоляционных покрытий и магнитные свойства лент
аморфных магнитомягких сплавов. //ФММ.-2001.-Т.91, вып.2.- the Independent States of the Former Soviet Union (CRDF)», грант
№.REC-005.
C.26-32.
11. Skulkina N.A., Stepanova E.A., Ivanov O.A., Nazarova L.A.. The
anomaly of frequency dependence of magnetic losses for rapidly
quenched alloys// JMMM.-2000.-№215-216.-Р.331-333.
12. Скулкина Н.А., Иванов О.А., Степанова Е.А. Оценочный расчет
распределения намагниченности в лентах аморфных магнитомяг-
ких сплавов. // Изв. АН, сер. физ.-2001.-Т.65, №10.-С.1483-1486.
13. Степанова Е.А., Скулкина Н.А., Иванов О.А., Скрябина Н.Е.,
Цикарева О.В. Влияние водорода и кислорода на распределение
намагниченности и магнитные свойства аморфных и нанокристал-
лических сплавов// Дислокационная структура и механические
свойства металлов и сплавов: Тез.докл. ( Екатеринбург, 2002).
14. Ханжина Т.А., Скулкина Н.А., Широкова Е.А., Катаев В.А.,
Бамбуров В.Г. «Способ получения электроизоляционного покры-
тия на лентах аморфных сплавов» Заявка № 9402746 от 19.07.94.
Решение о выдаче патента от 24.08.95., МКИ3 С23С 22/07, 22/23;
С23D 5/00, 5/02.

5. СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
I. Скулкина Н.А., Горланова М.А., Иванов О.А., Катаев В.А. Ано-
малия магнитных потерь аморфного сплава Fe-B-Si-C// Физ. мет. и
металловед.-1991.-№8.-С. 132-139.
II. Иванова Е.В., Якимов И.И., Скулкина Н.А., Катаев В.А. Кон- Подписано в печать ________________. Формат 60?84 1/16
троль кристаллизации аморфных лент с помощью модифицирован- Бумага типографская. Объём 1 п.л. Тираж 100. Заказ № ______
ного метода рентгеновской дифракции/ Шестое Всероссийское со- г. Екатеринбург, К-83, пр. Ленина, 51. Типолаборатория УрГУ.
вещание вузов по физике магнитных материалов: Тез. докл. (Ир-

24
23



СОДЕРЖАНИЕ