Состояние структуры, электрохимическое поведение и магнитные свойства наноструктурируемых сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu после отжига в интервале температур от 200 до 540ºC (стр. 2 )

3. Установлено влияние содержания меди и ниобия в сплавах на плотность распределения медных кластеров (сегрегаций атомов меди) в приповерхностных областях лент, позволяющее прогнозировать образование в области поверхности наноструктур различной дисперсности. В связи со значительными ограничениями роста первичных кристаллов в аморфной фазе приповерхностных областей размеры этих кристаллов, во всяком случае, значительно меньше размеров объемных кристаллов, что должно приводить к достижению более высоких магнитных свойств этих областей лент сплавов.

4. Показано, что процесс образования скоплений атомов меди может осуществляться как в процессе получения ленты, так и в первые минуты отжига. Это дает основание для завершения длительной дискуссии о моменте зарождения медных кластеров, являющихся местами гетерогенного зарождения первичных кристаллов, и может быть учтено как в технологии получения сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu, так и при оптимизации режимов термообработки.

5. Разработана методика получения на поверхности лент сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu высокорезистивных анодно-оксидных покрытий для уменьшения потерь от вихревых токов, которые могут явиться альтернативой применяемым в настоящее время органическим покрытиям.

6. Результаты работы используются

-  в учебном процессе: в настоящем при чтении специального курса лекций «Перспективные материалы и технологии», а также будут использоваться при чтении курса общего курса «Коррозия и защита нанокристаллических материалов»; при выполнении курсовых и дипломных работ;

-  в научной работе: при выполнении проекта по программе «Интеграция».

Апробация работы.

Основные результаты работы представлены на следующих международных и российских научных конференциях:

Всероссийская конференция с международным участием «Аморфные прецизионные сплавы: технология-свойства-применение», Москва, 2000; Всероссийская конференция «ФАГРАН-2002», Воронеж, 2002; European Congress on Advanced Materials and Processes «Euromat 2003», Switzerland, Lausanne, 2003; Всероссийская конференция «ФАГРАН-2004», Воронеж, 2004.

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 118 страницах, включает 35 рисунков и 7 таблиц. Список использованных источников содержит 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе сделан аналитический обзор литературных данных по теме диссертации.

В ней рассмотрены особенности формирования нанокристаллической структуры сплавов системы Fe-Si-B, влияние добавок Nb и Cu на процессы кристаллизации, структуру и свойства сплавов, состав и состояние поверхности сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu, изменение коррозионного поведения и магнитных свойств в результате термической обработки, получение электроизоляционных покрытий на поверхности лент сплавов.

Во второй главе приведены составы исследуемых образцов, рассмотрены используемые в работе экспериментальные методы исследования и применяемые обработки.

В качестве объектов исследования использовали аморфные сплавы системы Fe-Si-B-Nb-Cu.

В работе были использованы методы: рентгеновской дифракции, ядерного гамма-резонанса (мессбауэровская спектроскопия), вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС), электрохимическая вольтамперометрия, рентгенофотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), фотоэлектрический рекомбинационный метод физико-химического анализа (ФЭП), резистометрия, магнитометрия.

Таблица 1.

Состав сплавов, используемых в работе.

сплав	ат. %
Fe	Si	B	Nb	Cu
FM1	73,7	12,7	9,4	3,2	1,0
FM2	73,5	16,5	6,0	3,0	1,0
FM3	77,0	13,0	7,0	2,15	0,85
FM4	76,4	13,6	6,0	3,0	1,0

В третьей главе представлены основные экспериментальные результаты, проведено их обсуждение.

Рентгеновские исследования показали: исходные образцы сплава FM1 и FM3 были полностью аморфны, в то время как образцы сплава FM4 и FM2 имели аморфно-кристаллическую структуру уже в исходном состоянии.

Мессбауэровские спектры поглощения образцов сплавов в исходном состоянии внешне очень близки и демонстрируют отсутствие каких-либо кристаллических фаз в объеме лент. Вид спектров после отжига при 300ºС в течение 24 часов меняется незначительно.

Вместе с тем, анализ функции распределения эффективных сверхтонких магнитных полей Р(Нэф) на ядрах 57Fe позволил обнаружить изменения структуры сплавов, протекающие в рамках аморфного состояния. (Обработку спектров проводили с помощью программ Normos Site и Normos Dist) (рис. 1).

Для исходных образцов функция распределения эффективных сверхтонких магнитных полей P(Hэф) представляет собой характерную для аморфных сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu уширенную линию.

В процессе отжига (в области температур 200-400ºС) происходит смещение линий в зону более высоких значений Hэф, что свидетельствует об увеличении количества атомов железа в локальных областях, обогащенных легирующими элементами.

Анализ функции распределения и сопоставление с известными параметрами мессбауэровских спектров железа с элементами входящими в состав сплавов, дал основание для представления мессбауэровских спектров в виде суперпозиции 9 секстетов (диапазон 95-300 кЭ) и одного парамагнитного дублета (20-60 кЭ).

Рис.1. Распределение эффективных сверхтонких магнитных полей P(Hэф) сплава FM3.

1 – исходный образец, 2,3 – после отжига при 300ºС в течение 2 и 4 часов, соответственно.

Поскольку концентрация кремния и бора в сплаве достаточно велика, то, очевидно, что именно эти элементы в процессе релаксации будут являться базовыми при формировании структур ближнего порядка.

Эти поля могут частично изменяться под влиянием других соседей - Cu и Nb, содержание которых в сплаве намного меньше, чем Si и B. Кроме того, находясь в ближайшем окружении железа, и медь и ниобий могут самостоятельно участвовать в формировании зон локального порядка, характеризующихся соответствующими значениями Нэф.

Эволюция структуры аморфных сплавов системы Fe-Si-B-Nb-Cu при низкотемпературном отжиге (200-400ºС) происходит путем образования относительно устойчивых конфигураций атомов со структурами, соответствующими твердым растворам и двойным фазам на основе железа. Термическая стабильность областей, содержащих атомы металлов, определяется преобладающим характером ковалентной и ковалентно-металлической межатомной связи, и тем выше чем больше концентрация неметалла в зоне локального порядка.

Особое внимание следует обратить на изменения в областях высоких и низких значений Нэф.

Тенденция в изменении эффективных сверхтонких магнитных составляющих при отжиге указывают как на увеличение степени порядка, так и на уменьшение содержания атомов меди в ближнем окружении железа, которое объясняется низкой растворимостью меди, инициирующей образование сегрегаций атомов меди.

Области низких значений (20-50 кЭ) отвечают сегрегациям меди на поверхности лент. Эта составляющая спектра представлена парамагнитным дублетом.

Доказательством существования сегрегаций меди в области поверхности являются данные об относительном распределении элементов на поверхности лент. В процессе отжига, поверхности в значительной степени обогащаются атомами меди (рис.2).

Рис.2. Относительное распределение элементов на поверхности лент сплава FM2:

а - исходное состояние, в – после отжига при 250ºС 1 час.

Появление составляющей с высоким значением Нэф (320-325 кЭ), проявляющейся только после длительного отжига, указывает на появление в структуре сплава фазы α-Fe(Si) с низким содержанием Si, которая (локализуется в приповерхностной зоне ленты) оказывает влияние на анодное поведение сплавов.

Отжиг образцов при 300°С в течение 51 часа не приводил к изменению рентгеновских дифракционных спектров в объеме и на поверхности лент, что указывало на сохранение соотношения фазовых (аморфной и кристаллической) составляющих структуры сплавов, и, следовательно, появление выделений α-Fe(Si) твердого раствора в очень тонком поверхностном слое (порядка нескольких десятков ангстрем).

Высокочувствительные к состоянию поверхности электрохимические методы дают возможность зарегистрировать незначительные изменения состава и состояния поверхности сплава.

Методом потенциодинамической поляризации были получены электрохимические характеристики сплавов исходных и отожженных образцов.

В исходном состоянии и до определенного времени при каждой температуре сплавы активно растворяются и в этом отношении практически не отличаются от базовых аморфных сплавов системы Fe-Si-B. Однако при увеличении времени отжига происходит смещение стационарных потенциалов сплавов в положительную сторону, что свидетельствует об облагораживании поверхности. Этот результат согласуется с результатами мессбауэровских и масс-спектральных исследований. Поскольку к смещению потенциалов в область положительных значений в данных сплавах может привести только выделение на поверхности более электроположительного компонента сплава, которым является медь.

Кроме того, в результате отжига сплавы FM1 и FM2 приобретают способность к пассивации в процессе анодной поляризации в нейтральном хлоридном растворе, что не характерно для базовых аморфных сплавов Fe-Si-B и является их отличительной особенностью (рис.3).