автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Влияние сложного нагружения на микроструктуру и механические свойства магнитотвердых сплавов Fe-Cr-Co

62 11/41

Институт Металлургии и Материаловедения им. Александра Крупковского Польской Академии Паук в Кракове, Польша

Институт Проблем Сверхпластичности Металлов Российской Академии Наук в Уфе, Россия

КАНДИДАТСКАЯ РАБОТА

ипж. Корнева Анна

Влияние сложного нагружения на микроструктуру и механические свойства магнитотвердых сплавов Г е-С г-Со

УЗ ФУ_

с™]

-21т

-у

Научный руководитель - д. т. н. Швертня Кжыштоф Научный консультант - д. т. н. Корзникова Галия Фердинандовна

Краков 2008

сл

Тл Д£=1|

Работа проводилась в 2004 - 2008 гг. во время обучения в Международной аспирантуре, организованной при Институте Металлургии и Материаловедения им. Александра Крупковского Польской Академии Наук в Кракове

Выражаю сердечную благодарность:

Руководителю работы д. т. н. Кжыштофе Штвертни

за ценные замечания и доброжелательность,

Научному консультанту Корзниковой Галии Фердинандовне

за предложение темы работы, помощи в ее реализации, за консультации, ценные замечания и доброжелательность,

к. т .н. Томашови Чеппе

за помощь в калориметрических измерениях

Дирекции Института Металлургии и Материаловедения, а также всем сотрудникам данного института и Института Проблем Сверхпластичности Металлов, которые помогали в реализации данной работы,

Семье и друзьям за оказанную поддержку.

Содержание

Список сокращений и символов..........................................................................................................................6

1 Введение......................................................................................................................................................................................7

2 Обзор литературы............................................................................................................................................................10

2.1 Классификация магнитных материалов и их свойства..............................................10

2.2 Влияние микроструктуры на магнитные свойства..........................................................16

2.3 Влияние микроструктуры на механические свойства..............................................22

2.4 Общая характеристика сплавов системы Ре-Сг-Со......................................................28

2.4.1 Диаграмма равновесия Ре-Сг. Способы получения высококоэрцитивного состояния и влияние разных этапов магнитной обработки

на магнитные свойства сплавов системы Ре-Сг-Со..................................................................................28

2.4.2 Влияние микроструктуры на механические свойства сплавов системы Ре-Сг-Со....................................................................................................................................................................35

2.5 Градиентные материалы и способы их получения......................................................39

3 Основное положение и цели работы..........................................................................................................41

4 Методики исследований..........................................................................................................................................42

4.1 Приготовление материала для исследований..........................................................................................42

4.2 Метод интенсивной пластической деформации................................................................................44

4.3 Методы исследований микроструктуры..........................................................................................................47

4.4 Измерение магнитных свойств........................................................................................................................................48

4.5 Измерения механических свойств..............................................................................................................................50

4.6 Термический анализ............................................................................................................................................................................51

5 Результаты исследований......................................................................................................................................53

5.1 Сплав Fe30Cr8Co..........................................................................................................................................53

5.1.1 Исследования микроструктуры, РЭМ, ПЕМ, рентгеновский анализ..................................................................................................................................................................................................53

5.1.2 Измерение магнитных свойств..............................................................................68

5.1.3 Измерения механических свойств........................................................................70

5.1.4. Термический анализ........................................................................................................72

5.2 Сплав Fe25Crl5Co........................................................................................................................................76

5.2.1 Исследования микроструктуры, РЭМ, ПЕМ, рентгеновский анализ..................................................................................................................................................................................................76

5.2.2 Измерение магнитных свойств ..............................................................................85

5.2.3 Измерения механических свойств........................................................................86

6 Обсуждение результатов исследований..................................................................................................89

6.1 Сплав Fe30Cr8Co..........................................................................................................................................89

6.1.1 Исследования микроструктуры, РЭМ, ПЕМ, рентгеновский анализ..................................................................................................................................................................................................88

6.1.2 Исследования магнитных свойств ....................................................................95

6.1.3 Исследования механических свойств..............................................................96

6.1.4 Термический анализ..........................................................................................................98

6.2 Сплав Fe25Crl5Co........................................................................................................................................100

6.2.1 Исследования микроструктуры, РЭМ, ПЕМ, рентгеновский анализ..................................................................................................................................................................................................100

6.2.2 Исследования магнитных свойств ....................................................................102

6.2.3 Исследования механических свойств..............................................................103

7 Выводы........................................................................................................................................................................................105

Список литературы..............................................................................................................................................................107

Список сокращений и символов

Список сокращений

ВКС Высококоэрцитивное состояние

ЗГД Зернограничные дислокации

ИПД Интенсивная пластическая деформация

НГЗ Неравновесные границы зерен

OJ1H Ось легкого намагничивания

ПЭМ Просвечивающий электронный микроскоп

РЭМ Растровый электронный микроскоп

СМК Субмикрокристаллический

ЭДУ Энергия дефекта упаковки

CBED Convergent-Beam Electron Diffraction - Дифракция электронов в сходящим пучке

EBSD Electron Back-Scatter Diffraction - Дифракция обратно отраженных электронов

XRD X-Ray Diffraction - рентгеновская диффракция

Список символов

(ВН)тах Максимальное энергетическое произведение [Дж/м3] Вг Остаточная индукция [Тл] Bs Индукция насыщения [Тл] Нс Коэрцитивная сила [А/м]

1 Введение

Существует целый ряд магнитотвердых материалов, основным применением которых является производство постоянных магнитов. Традиционными магнитотвердыми материалами являются сплавы Алнико на основе Ре-А1-№-Со, а среди современных магнитотвердых материалов хорошо известными являются сплавы на основе редкоземельных металлов типа 8тСо5, ИЬгРенВ, ЗпъРепЫз [Ьео1996]. Сплавы Алнико можно получать только методами литья, дополнительно они являются твердыми и хрупкими, что затрудняет их механическую обработку после литья, позволяя только шлифование. Сплавы на основе редкоземельных металлов относительно дорогостоящие, кроме того, технология их производства сложная (спекание или прессование порошка), а при использовании методов литья получаемые магниты являются хрупкими, что также снижает область их использования [Ьео1996]. В то время сплавы системы Ре-Сг-Со характеризуются хорошим сочетанием магнитных свойств, хорошей технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и относительно низкой стоимостью [Бип2004]. Эти сплавы могут быть получены методами литья и горячей обработки давлением. Магнитные свойства сплавов Ре-Сг-Со приближаются к свойствам сплавов Алнико [0181993; АЬт2002; МИ2003], а преимуществом их является способность в высококоэрцитивном состоянии обрабатываться резанием, что намного дешевле шлифования. В промежуточных состояниях (а, а+у) данные сплавы являются пластичными, поэтому могут дополнительно обрабатываться ковкой, штамповкой и

прокаткой, что позволяет изготавливать из них заготовки в виде прутка, листа, ленты, проволок и т.д. Благодаря использованию горячей обработки давлением из них можно изготавливать магниты сложной формы [Кек1989].

Высококоэрцитивное состояние магнитов на основе Бе-Сг-Со получают в процессе термообработки в магнитном поле и многоступенчатого отпуска, в результате чего происходит спинодальный распад а-твердого раствора на две изоморфные и когерентные фазы: магнитную оц и парамагнитную аг [8ип2006]. Образование такой структуры, где каждая частица а 1-фазы размерами около 50-100 нм выступает как отдельный домен, обеспечивает высокие магнитные свойства материала. Однако из-за образования когерентных границ и полей внутренних напряжений наблюдается резкое понижение характеристик прочности и пластичности материала. Поскольку в промышленности существует спрос на магниты, эксплуатационные свойства которых характеризуются высокой прочностью (около 900 МПа и выше), то снижение данных характеристик после магнитной обработки до 200-400 МПа становится проблемой этих материалов.

Известно, что методами интенсивной пластической деформации можно изменить структуру материала, а, следовательно, и его механические свойства [01е2000; Ког2000]. Одним из способов улучшения механических свойств является деформация кручением под высоким давлением на наковальнях Бриджмана [Уа12000]. Использование такого вида деформации при комнатной температуре сплава Ре-25%Сг-15%Со в высококоэрцитивном состоянии позволило увеличить характеристики прочности и пластичности данного материала через образование прослоек а фазы между когерентно связанными выделениями а]- и а2-фаз [Ког2002]. Однако, полученные таким образом образцы в форме диска имеют малые размеры: толщиной 0,3 и диаметром 10 мм. Для производства магнитов большего размера необходимо применение других методов интенсивной пластической деформации. Одним из решений данной проблемы может быть возможность использования интенсивной пластической деформации методом сложного нагружения, которое позволяет реализовать деформацию сплавов без разрушения как при комнатной, так и при высокой температуре [Ка)1999]. Этот способ может включать в себя одновременное или последовательное кручение с дополнением компонент осадки или растяжения. В настоящей работе деформация была осуществлена через отдельное действие на образцы осевого нагружения (осадка) и крутящего момента

(кручение) при повышенных температурах. Температура и скорость деформации выбирались исходя из условий сверхпластической деформации сплавов системы Ре-Сг-Со. Поскольку кручение относилось только к нижней части образцов, то после деформации в поперечных сечениях образцов образовалась градиентная микроструктура. Следует подчеркнуть, что преимуществом градиентной микроструктуры является градиентная смена свойств материала, что является важным для магнитов, которым необходимо иметь хорошие магнитные свойства в объеме материала и хорошие механические свойства на поверхности (например, роторы двигателей, вращающиеся с огромной скоростью).

Известно, что субмикрокристаллические (размер зерна 100 - 1000 нм) и нанокристаллические (размер зерна < 100 нм) материалы характеризуются исключительным набором механических и физических свойств. В настоящее время в литературе имеются данные о влиянии субмикрокристаллической микроструктуры, полученной в результате интенсивной деформации, на магнитные свойства сплавов системы Ре-Сг-Со [81;о1992], однако не хватает информации на тему влияния деформации на механические свойства магнитотвердых материалов.

Имеются также работы о способах упрочнения поверхности материалов за счет мощного бомбардирования их поверхности стальными шариками при комнатной температуре [Тао2002; Zha2003] или, как в случае аустенитно-ферритной стали с большим содержанием Сг, за счет выделения твердой а-фазы при нагреве [Коз1999]. Однако не хватает информации о способе упрочнения поверхности магнитнотвердых материалов. Поэтому данные, полученные в ниже представленной работе, могут расширить знания на тему возможности улучшения механических свойств (в частности на поверхности) магнитотвердых материалов за счет влияния интенсивной пластической деформации методом сложного нагружения. Кроме того, производство магнитов больших размеров с хорошим сочетанием магнитных и механических свойств, может найти широкое применение в разных областях промышленности (например, микрокомпрессоры, высокоскоростные насосы турбомолекулярные, медицинские центрифуги, кольца в швейных машинах).

Таким образом, улучшение механических свойств сплавов Ре-Сг-Со в высококоэрцитивном состоянии расширит область использования такого вида материалов.

2 Обзор литературы

2.1 Классификация магнитных материалов и их свойства

Магнитные материалами называются материалы, которые обладают намагниченностью даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Эта способность магнитных материалов объясняется наличием в них упорядоченной магнитной структуры, т.е. когда магнитные моменты атомов имеют параллельную или антипараллельную ориентацию относительно друг друга. Такое упорядоченное распределение магнитных моментов по узлам кристаллической решетки происходит благодаря обменному взаимодействию между электронами соседних атомов, которое зависит от взаимной ориентации спинов и устанавливает магнитные моменты таким образом, чтобы обеспечить минимум свободной энергии кристалла [8то1985]. Ориентирующему эффекту обменных сил противостоит разориентирующее влияние теплового возбуждения; при некотором критическом значении температуры (точка Кюри) тепловая энергия атомов превышает энергию взаимодействия между спиновыми моментами атомов и упорядоченная ориентация атомных магнитных моментов сменяется хаотической [Кек1989].

Упорядоченное расположение спинов всегда определенным образом ориентировано относительно осей кристалла, что связано уже с магнитными взаимодействиями электронов. Оказывается, что энергия взаимодействия двух атомов зависит от ориентации их спинов по отношению к радиус-вектору, соединяющему эти атомы, т.е. энергия зависит от ориентации спинов по отношении к кристаллической решетки. Следовательно, магнитные силы будут поворачивать магнитные моменты таким образом, чтобы энергия кристалла была минимальна. При этом упорядоченная

ориентация моментов относительно друг друга сохраняется, поскольку влияние обменного взаимодействия сильнее, чем магнитного [8то1985]. Кристаллографические направления, вдоль которых таким образом установлены магнитные моменты, называются осями легкого намагничивания (ОЛН) и для ферромагнитных материалов совпадают с главными кристаллическими осями. Например, для Бе это направление <100>, для № - <111>, для Со - <0001>. Такая зависимость ориентации магнитных моментов по отношению к кристаллографическим осям приводит к появлению анизотропии магнитных свойств материала.

Несмотря на спонтанное намагничивание, в не намагниченном состоянии ферромагнетики не имеют внешнего магнитного поля, что связано с существованием в них доменной структуры. Согласно теории Вейса, кристалл разбивается на множество замкнутых областей (домены), в каждой из которых самопроизвольная намагниченность однородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности. Поскольку магнитные моменты домен ориентированы относительно друг друга хаотически, то при отсутствии внешнего магнитного поля суммарный магнитный момент ферромагнетика обращается в ноль.

Разбиение кристалла на домены является процессом энергетически выгодным, потому что состояние с однородной намагниченностью является термодинамическим нестабильным из-за большой величины магнитостатической энергией. Разбиение кристалла на домены и присутствие так называемых „замыкающих" доменов приводит к тому, что силовые линии магнитного поля не выступают на поверхность материала. В результате магнитостатическая энергия становится равной нулю и полная энергии системы уменьшается. Процесс разбиения материала на домены заканчивается тогда, когда выигрыш от снижения магнитостатической энергии за счет образование доменов меньшего размера станет меньше, чем энергия, необходимая для образования новых доменных границ [8то1985]. Доменная граница представляет собой переходный слой конечной толщины, в котором ориентация спиновых магнитных моментов изменяется постепенно от одного направления к другому. Обычно размер домен составляет около 0,05 мм, а толщина доменной границы - около 100 нм. Разные материалы характеризуются различными доменными структурами. Размер и форма домен, а также ориентация их векторов намагниченности зависит от величины и характера магнитной анизотропии (т.е. от количества осей легкой намагниченности и их направлений).

Например, Со имеет одну ось, вдоль которой имеются две противоположные ОЛН, а Бе им