КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-00293
НазваниеСтруктура и магнитные свойства аморфных материалов на основе сплавов системы Fe-Co-Cr-Si-B
РуководительЗанаева Эржена Нимаевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-203 - Фазовые равновесия и превращения
Ключевые словааморфные сплавы, фазовые превращения, структура, кристаллизация, рентгеновская дифракция, просвечивающая электронная микроскопия, магнитные свойства
Код ГРНТИ53.49.05
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка отечественных конкурентоспособных наноструктурированных магнитотвердых материалов с повышенными функциональными и эксплуатационными характеристиками существенно повлияет на развитие приборостроения. Аморфное состояние металлических материалов является метастабильным состоянием структуры, использование данного состояния в качестве исходного для сплавов системы Fe-Co-Cr-B-Si, позволит расширить возможности варьирования комплекса характеристик сплавов. Для кристаллических сплавов системы Fe-Co-Cr характерно формирование комплексной структуры в результате фазового расслоения при термообработке. В результате упорядочения сплавы состоят из двух или более фаз, обеспечивая тем самым набор высоких магнитотвердых характеристик. Аморфная структура быстрозакаленных металлических лент является оптимальной для получения на ее основе нанокристаллических материалов, обладающих повышенным уровнем функциональных свойств в сравнении с кристаллическими аналогами. В проекте предлагается использование сплавов системы Fe-Co-Cr с добавками элементов-аморфизаторов B и Si, для получения нанокристаллической комплексной структуры, содержащей ферромагнитную упорядоченную фазу FeCo и парамагнитную фазу на основе FeCr. Технологичность постоянных магнитов на основе системы Fe-Co-Cr значительно повысится за счет использования аморфного состояния в качестве исходного, для формирования многофазной концентрационно-неоднородной структуры сплавов. В отличии от технологий термомагнитной и термомеханической обработки, применяемой к кристаллическим гребневым сплавам, формирование упорядоченных фаз из аморфной матрицы происходит легче и не требует сложной технологической схемы отжигов и деформации - удешевление производства.
Проект направлен на решение проблемы разработки новых прецизионных материалов. В результате выполнения проекта будут получены научные основы формирования комплексной многофазной структуры, содержащей ферромагнитную упорядоченную фазу FeCo и парамагнитную фазу, обогащенную Cr, из аморфного состояния сплава, концентрационные и структурные зависимости магнитных свойств сплавов в различных состояниях. Внедрение разработанных материалов на уже имеющиеся в РФ производства аморфных сплавов повысит эффективность работы электроустройств.
Для выполнения проекта планируется привлечение одного аспиранта НИТУ «МИСиС» очной формы обучения.
Ожидаемые результаты
По результатам выполнения проекта будут получены новые научные знания о процессе формирования комплексной двухфазной структуры, содержащей ферромагнитную упорядоченную фазу FeCo и парамагнитную фазу, обогащенную Cr, из аморфного состояния сплава, оптимальные режимы термической, деформационной и комплексных обработок, способствующих как можно более быстрому формированию нанокристаллической структуры, зависимости магнитных свойств полученных материалов от режимов обработок. Разработаны новые магнитотвердые материалы, являющиеся заменой используемых в промышленности постоянных магнитов на основе дорогостоящих и дефицитных редкоземельных металлов, магнитотвердых кристаллических и порошковых "гребневых" сплавов. Применение современных методов исследования структуры и свойств, включающих детальный анализ микроструктуры методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии, современных методов измерения физических свойств позволят получить заявленный результат и разработать прототипы новых материалов, уменьшив число технологических операций конечных материалов и обеспечив высокий технический уровень исследования, а также высокую научную значимость по результатам проекта.
Полученные результаты будут опубликованы в не менее чем в 2 статьях в высокорейтинговых журналах Web of Science и Scopus, из которых не менее 1 одной входящей в Q1 WoS/Scopus, представлен не менее 1 устного доклада на конференции.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В работе получены образцы сплавов (Fe62Cr24Co14)76+xB23-xSi1 (ат. %), где x= 0, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Сплавы выплавляли из чистых компонентов в электродуговой печи. Далее методом быстрой закалки на вращающемся медном диске получали образцы металлических лент различной толщины. Линейная скорость вращения диска-кристаллизатора варьировалась от 15 до 40 м/с. Структура образцов была исследована методом рентгеновской дифрактометрии, в монохроматическом CuKα-излучении на дифрактометре Bruker D8 Advance с установленным монохроматором на отраженном пучке. Микроструктура образцов лент была исследована с применением просвечивающей электронной микроскопии, на микроскопе Zeiss Libra 200 при сканировании в режимах темного поля, высокого разрешения и микродифракции. Характеристические температуры сплавов определяли по термограммам сплавов, полученным методом дифференциальной сканирующей калориметрии при скорости нагрева 40 ᵒ/мин на калориметре Setaram Labsys в атмосфере аргона. Магнитные характеристики при комнатной температуре измеряли на навесках лент методом вибрационной магнитометрии в максимальном поле электромагнита 500 кА/м на магнитометре VSM-130.
По данным рентгенофазового анализа, установлено, что критическая толщина ленты увеличивается с увеличением содержания бора в составе, и составляет для сплавов с х=0 и 2 – 40 мкм, а для сплавов с x=9 и 10 – меньше 20 мкм. По результатам термического анализа и анализа фазового состава образцов сплавов в различных состояниях, показано, что с увеличением содержания бора в составе сплавов изменяется механизм кристаллизации сплавов - с первичной кристаллизации α-твердого раствора на эвтектический, в результате которого образуется наноразмерная смесь α-твердого раствора и высокотемпературной метастабильной фазы (Fe,Cr)3B, стабильной до температуры 750 °С.
С использованием методов просвечивающей электронной микроскопии получены изображения структуры сплава с х= 6, после нагрева до 600 °С и обладающего удельной магнитной энергией 3,98 Дж/м3. Из анализа изображений получено, в структуре сплава отсутствует аморфная фаза, что указывает на полное прохождение процессов кристаллизации за одну эвтектическую реакцию. Структура сплава представляет собой мелкодисперсную смесь кристаллов α-твердого раствора и боридов (Fe,Cr)3B, в которой кристаллы имеют форму близкую к равноосной со средним размером 25 нм.
Установлено, что в состоянии после закалки сплавы парамагнитны, затем, в процессе кристаллизации аморфной фазы формирование наноразмерной эвтектической смеси [α + (Fe,Cr)3B] является причиной получения высококоэрцитивного состояния в быстрозакаленных сплавах на основе системы Fe-Co-Cr, легированных Si и B, с удельной магнитной энергией 1,68 - 4,70 Дж/м3.
Таким образом, получено, что для получения материалов с высоким комплексом магнитотвердых свойств наиболее перспективными являются аморфные сплавы (Fe62Cr24Co14)76+xB23-xSi1, содержащие в своем составе от 80 (x=4) до 85 (x=9) ат% металлов.
Публикации
1. Э. Н. Занаева, А. И. Базлов, Е. В. Убыйвовк, Д. А. Милькова Аморфные сплавы системы Fe-Co-Cr-B-Si для разработки наноструктурированных магнитотвердых материалов Физика металлов и металловедение, 2023, № 6, T. 124, стр. 453-459 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0015323023600508
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
По результатам выполнения этапа проекта исследовано влияние термической обработки на структуру и магнитные свойства аморфных металлических лент из сплавов (Fe62Cr24Co14)85-xB15+xSi1, где х равняется от 0 до 4. Структура сплавов в различных состояниях была исследована методом рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии. Термическую обработку металлических лент исследуемых сплавов проводили в муфельной печи электросопротивления. Термомагнитную обработку проводили в трубчатой печи электросопротивления, помещенной в поле электромагнита. Магнитные характеристики при комнатной и повышенных температурах, термомагнитные кривые сплавов измеряли методом вибрационной магнитометрии. В результате комплексного анализа структуры и свойств сплавов после обработки, можно сделать выводы:
Получено, что при термической обработке при температурах ниже температуры кристаллизации аморфной фазы наблюдается рост намагниченности насыщения MS с увеличением времени выдержки сплавах с первичной кристаллизацией аморфной фазы и обусловлен появлением в структуре ферромагнитных фаз α и Fe3B. В сплавах с эвтектическим механизмом кристаллизации намагниченность насыщения от длительности отжига не изменяется.
По результатам просвечивающей электронной микроскопии в результате термической обработки сплавов (Fe62Cr24Co14)85-xB15+xSi1, х=0 и 1 при 650 и 580 °С, соответственно, удалось получить в структуре мелкодисперсную смесь кристаллов борида Fe3B и зерен фаз α1 и α2 -твердых растворов с периодами решетки 0,286 и 0,295 нм, соответственно.
Получено, что формирующийся фазовый состав сплава (Fe62Cr24Co14)81B18Si1, представляющий смесь [α + Fe3B] и [α + Fe2B], остается стабильным после отжига в течение 20 часов при 450°С, при этом деградации магнитных свойств не наблюдается. Длительный низкотемпературный отжиг после высокотемпературного не приводит к фазовому превращению с выделением в структуре фаз с разными ферромагнитными свойствами. Ступенчатая термообработка сплава (Fe62Cr24Co14)85-xB15+xSi1 с х=1 с низкотемпературным отжигом после высокотемпературного также не приводит к фазовому превращению с выделением в структуре фаз твердых растворов с разными ферромагнитными свойствами.
Механизм кристаллизации аморфной матрицы при отжиге в магнитном поле не меняется, состав кристаллизующихся фаз аналогичен фазам, выделяющимся при обработке без магнитного поля. Геометрия предельных петель магнитного гистерезиса сплавов также остается без изменений. Ступенчатая термомагнитная обработка незначительно влияет на магнитные свойства исследуемых сплавов.
Проведено комплексное исследование сплавов системы Fe-Co-Cr-B-Si с исходной аморфной структурой, проанализированы закономерности фазообразования при кристаллизации из расплава и путем термического воздействия. Установлено, что формирование композиционной структуры с образованием двух твердых растворов α1 и α2 из аморфного состояния сплавов при термической обработке возможно.
Публикации
1. Занаева Э.Н., Базлов А.И. Зависимость магнитных свойств и их термической стабильности от фазового состава металлических лент из сплавов системы Fe-Co-Cr-B-Si Физическая мезомеханика, - (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Полученные в результате проекта материалы могут быть использованы для разработки технологии производства высокотемпературных постоянных магнитов типа ХК для использования в элементах электромашин, в том числе работающих при повышенных температурах. Внедрение полученных результатов возможно, на следующих производствах РФ:
ООО «НПК «АВТОПРИБОР» - на предприятие реализуется изготовление аморфных магнитомягких сплавов методами спиннингования расплава, изготовление массовых изделий из них – распределительных трансформаторов, систем обогрева полов, а так же большой номенклатуры электромашин, используемых в автомобильной промышленности.
AO «СПЕЦМАГНИТ» – на предприятии производиться широкий спектр постоянных магнитов как из редкоземельных элементов, так из безредкоземельных материалов в том числе из сплавов системы Fe-Co-Cr. Ранее, предприятие реализовало проект, направленный на порошковое производство постоянных магнитов на основе системы Fe-Co-Cr (https://i.moscow/projects/480).
ПАО «МСТАТОР» - предприятие занимается производством аморфной ленты для электронной промышленности, производит широкий спектр электронных компонентов. Преимуществом данного предприятия – является возможность производить малые опытные партии экспериментальных сплавов, необходимые для создания демонстраторов технологий.
Применение полученных в рамках работ результатов позволит значительно снизить себестоимость производства постоянных магнитов на основе системы легирования Fe-Co-Cr, при этом использование технологий, освоенных на производствах, позволит минимально изменять технологические процессы, что в свою очередь приведет к быстрому внедрению технологий.