CC BY
2
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Магнитный гистерезис сплавов Sm1-,I,Gd,I,Co3Cu2
В.Е. Севрюков,1, * О.Б. Дегтева,1 А.Ю. Карпенков,1 А.И Иванова,1 Е.М. Семенова1
1 Тверской государственный университет, физико-технический факультет Россия, 170003, Тверь, пер. Садовый, д. 35 (Поступила в редакцию 31.05.2023; принята к публикации 28.06.2023)
В работе представлены результаты комплексного исследования гистерезисных характеристик сплавов 8ш1-хО^СозСи2 (х = 0.1 — 0.9) с учетом их реальной микроструктуры. Показано, что в состоянии после выплавки все сплавы серии являются существенно гетерогенными и содержат включения до трех фазовых составляющих. Высокотемпературный отжиг при 1050°С в течение 4 ч позволяет изменить микроструктуру исходных сплавов, однако однофазное состояние было достигнуто только для образцов сплава с х = 0.1. Высококоэрцитивное состояние образцов обеспечивается регулярной микроструктурой и реализуется по механизму задержки смещения доменных границ на структурных неоднородностях. Максимальная коэрцитивная сила 0.94 Тл была достигнута на составе 8т0.4О^.бСо3Си2.
РЛСЯ: 75.30.-m, 75.60.-d, 75.60.Jk УДК: 537.622
Ключевые слова: редкоземельный интерметаллид, магнитный гистерезис, коэрцитивная сила, микроструктура.
БОТ: 10.55959/МЯШ579-9392.78.2350501
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направлений современных технологий создания магнитных материалов является формирование магнетиков с заданными физическими параметрами для применения в конкретных эксплуатационных режимах [1, 2]. В условиях нарастающей миниатюризации электронных устройств стабильность их функционирования во многом определяет тепловой режим работы [3]. Высокоэнергоемкие постоянные магниты (ПМ) представляют собой источники постоянного магнитного поля и используются в этом качестве в большом количестве приборов и устройств. Однако при повышенных температурах, намагниченность и коэрцитивная сила магнитов существенно падают, поэтому одним из направлений оптимизации ПМ является расширение их рабочего интервала температур [4-6]. Наиболее оптимальны для высокотемпературных применений магниты на основе соединений Эт-Со, поскольку характеризуются не только высокой магни-токристаллической анизотропией и намагниченностью насыщения, но и температурой Кюри [1, 4, 7]. На основе магнитов этого типа создаются источники магнитного поля минимального размера и повышенной температурной стабильности [7].
Один из важнейших параметров ПМ — это коэрцитивная сила (Нс), которая является структурно-чувствительной характеристикой и определяется микро- и наноструктурами магнитного материала [8, 9]. В случае ПМ задержка доменных границ при перемагничивании осуществляется в основном на границах зерен магнита или его структурных
* Е-таП: dorofeevw25@gmail.com
составляющих. Однако высококоэрцитивное состояние возможно создать и в литом образце, сформировав регулярную микроструктуру с эффективными центрами задержки смещения доменных границ. Примером является квазибинарное соединение Вт(Со,Си)5 со структурой СаСи5, в котором после отжигов формируется регулярная структура неод-нородностей. Коэрцитивная сила в образцах этого типа имеет экстремальную концентрационную зависимость и достигает значений боле 3 Тл [10, 11].
Увеличение высокотемпературного интервала стабильности гистерезисных характеристик магнитных материалов может быть достигнуто легированием исходных составов тяжелыми редкоземельными элементами [12]. В данной работе в качестве легирующего компонента используется гадолиний, поскольку, по данным [13], соединение С^о5 обладает положительным температурным коэффициентом до 450°С. Таким образом, целью данной работы является комплексное исследование влияния относительного содержания самария и гадолиния в сплавах 8т1_хС^СозСи2 (х = 0.1 — 0.9) на их микроструктуру и гистерезисные свойства.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
Исходные сплавы 8т1_жО^СозСи2 (х = 0.1, 0.4, 0.6, 0.9) были синтезированы методом индукционной плавки в атмосфере аргона из высокочистых компонентов. Гомогенизация слитков осуществлялась в процессе высокотемпературного отжига в вакууме при 1050° С в течение 4 ч в печи сопротивления СагЪоШе TZF 15/610. Образцы зерен для исследования микроструктуры и измерения петель гистерезиса вырезали из центральной части слитков, по-
Рис. 1. Микроструктура, выявленная методом РЭМ на поверхности шлифов исходных и отожженных образцов сплавов: а — исходный сплав Smo.9Gdo.1Co3Си2; б — сплав Smo.9Gdo.1Co3Си2 после отжига; в — исходный сплав Smo.lGdo.9CoзCu2; г — сплав Sm0.1Gd0.9Co3Cu2 после отжига
сле чего им придавалась сферическая форма. Исследования микроструктуры выполнялись на металлографических шлифах образцов, приготовленных на базисной плоскости. Ориентировка сферических образцов производилась в поле постоянного магнита и фиксировалась с помощью быстротвер-деющей пластмассы. Шлифовка и полировка поверхности шлифов производилась на шлифовально-полировальном станке Metapol 160E. Для выявления границ микроструктуры применялся метод электрохимического травления поверхности шлифов в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте.
Исследования микроструктуры и количественный анализ фазового состава образцов выполнялись на растровом электронном микроскопе (РЭМ) JEOL JSM-6610LV в двух режимах: обратно-рассеянных электронов (BEC) и вторичных электронов (SEI).
Магнитные измерения осуществлялись методом вибрационного магнитометра вдоль оси легкого намагничивания образцов в полях до 2,5 Т. Из-
мерения выполнялись на образцах сферической формы с известным размагничивающим фактором N = 0.33. Измерялись петли гистерезиса, на основе которых определялись значения удельной намагниченности насыщения (<г8), удельной остаточной намагниченности (<гг) и коэрцитивной силы (Нс).
2. МИКРОСТРУКТУРА
На первом этапе работы были проведены исследования микроструктуры поверхности сплавов методом РЭМ. На рис. 1 в качестве примера в режиме фазового контраста представлены РЭМ-изображения поверхности сплавов Sm1_xGdxCoзCu2 (х = 0.1 и х = 0.9) в исходном состоянии (после выплавки) и после отжига. Видно, что в состоянии после выплавки сплавы являются гетерогенными (рис. 1, а, в). Области разного цвета соответствуют разным фазовым составляющим сплава. По результатам энергодисперсионного анализа микроструктуры на шлифах исходных сплавов обнаружи-
ваются несколько фаз: ИМ5 (И = Бт, О^ М = Со, Си), соответствующая заявленному составу, ИМ7 и окислы редкоземельных элементов. При сопоставлении РЭМ-изображений исходных сплавов с незначительным (х = 0.1) и преимущественным (х = 0.9) замещением самария на гадолиний (рис.1, а, в) видно, что во втором случае относительное содержание фазовой составляющей темного цвета (ИМ^) меньше, что свидетельствует о том, что относительное содержание основной фазы ИМ^ в исходных сплавах уменьшается с ростом относительного содержания С^
Высокотемпературный отжиг исходных сплавов при 1050° С в течение 4 ч приводит к изменению микроструктуры: увеличивается относительный объем фазовой составляющей ИМ^. Сплавы с х = 0.1 используемый режим отжига приводит к практически однофазному состоянию. На РЭМ-изображении основная фаза Бт1_жС^лСозСи2 составляет порядка 98% (рис. 1, б). Светлые области на рис. 1, б соответствуют в основном оксиду самария. В образцах с х > 0.1 после отжига обнаруживается гетерогенная микроструктура. Объем основной фазы ИМ5 в отожженных образцах уменьшается и при х = 0.9 составляет порядка 57% (рис. 1, г).
3. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА
Результаты измерений петель гистерезиса образцов Бт^^С^лСозС^ (х = 0.1; х = 0.9) вдоль оси легкого намагничивания при комнатной температуре представлены на рис. 2. Для всех составов наблюдается высококоэрцитивное состояние, при этом значения Нс изменяются в зависимости от относительного содержания гадолиния. Соединение с х = 0.1 (рис. 2, а) характеризуется прямоугольной петлей гистерезиса. Характерной особенностью этого соединения является то, что отжиг не влияет на величину коэрцитивной силы (0.36 Тл), но при этом падает значение удельной намагниченности (а). Падение значения а связано с тем, что в исходном состоянии вклад в намагниченность, помимо основной фазы, дает также фазовая составляющая ИМ7.
Для сравнения рассмотрим состав с большим содержанием Gd (х = 0.9), который как в исходном состоянии, так и после отжига характеризуется низкой коэрцитивной силой: 0.05 Тл и 0.02 Тл соответственно. Петли гистерезиса этого сплава имеют перегибы, которые можно объяснить наличием нескольких фазовых составляющих. Необходимо отметить, что петли гистерезиса образцов сплавов с х = 0.4, 0.6 также являются гетерогенными и содержат перегибы на зависимостях а(Н). Отмечено, что величина коэрцитивной силы образцов в результате отжига при 1050° С не изменяется или падает. Это связано с тем, что вследствие высокотемпературной обработки в объеме сплава инициируется твердофазная диффузия, которая приводит к перераспределению основных компонентов между фазовыми составляющими, изменению микро-
структуры и, вероятно, к трансформации центров задержки смещения доменных границ. Максимальная коэрцитивная сила 0.94 Тл была получена на составе Smo.4Сdo.6CoзCu2 в состоянии после выплавки.
Рис. 2. Петли гистерезиса, измеренные при комнатной температуре вдоль оси легкого намагничивания: а — Вто.эО^дСозСиг; б — Яшо.!С^.эСозСиг
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате систематических исследований микроструктуры и гистерезисных характеристик квазибинарных интерметаллидов Sm1_xСdxCo3Cu2 (х = 0.1; 0.4; 0.6; 0.9) показано, что исходные сплавы являются гетерогенными и содержат до трех фазовых составляющих, включающих основную фазу ИМ5, а также фазу ИМ 7 и окислы редкоземельных элементов. Отжиг при 1050°С в течение 4 ч приводит к росту содержания основной фазы до 98-57%.
Гетерогенная микроструктура обеспечивает высококоэрцитивное состояние рассматриваемых ин-
терметаллидов, однако петли магнитного гистерезиса для составов с х = 0.4, 0.6, 0.9 имеют перегибы, соответствующие полям перемагничивания фаз, обнаруженных в сплавах. Показано, что отжиг негативно влияет на Нс данных сплавов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 0817-2023-0006) в лабораториях Центра коллективного пользования Тверского государственного университета.
[1] Coey J.M.D. // Engineering. 6, N 2. 119. (2020).
[2] Ormerod J. Permanent magnet markets and applications // Modern Permanent Magnets. Woodhead Publishing, 2022. P. 403-434.
[3] Mathew J., Krishnan S. // Journal of Electronic Packaging. 144. 1. (2022).
[4] Coey J.M.D. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 248, N 3. 441. (2002).
[5] Wu Y., Skokov K.P., Schäfer L, Maccari F. et al. // Acta Materialia. 235. 118062. (2022).
[6] Semenova E.M., Lyakhova M.B., Lukin A.A., Karpenkov A.Yu. et al. Methodology for studying reversal magnetization processes in magnets of the Sm-Co-Fe-Cu-Zr system at high temperatures // Metal Science Heat Treatment. 60. 494-497. (2018).
[7] Park K. Hirayama Y., Wang J., Kobashi M. // Scripta Materialia. 218. 114847. (2022).
[8] Livingston J.D. // J. of Appl. Phys.52. N 3. 2544. (1981).
[9] Givord D., Rossignol M.F., Taylor D.W. Coercivity mechanisms in hard magnetic materials //Le Journal de Physique IV. 2. I. C3. C3-95. (1992).
[10] Kamino K., Kimura Y., Suzuki T., Itayama Y. // Trans. of the Japan Institute of Metals. 14. N 2. 135. (1973).
[11] Estevez-Rams E. Fidler J., Penton A., Valor-Reed A. et al. // Journal of magnetism and magnetic materials. 195, N 3. 595. (1999).
[12] Liu S., Kuhl G.E. // IEEE transactions on magnetics. 35, N 5. 3271. (1999).
[13] Walmer M.S., Chen C.H., Walmer M.H. et al. Use of heavy rare earth element Gd in RECo5 and RE2TM17 magnets for high temperature applications // Proceedings of 15th International Workshop on REPM. 689. 788. (1998).
Magnetic hysteresis of Sm^^Gd^Co^u alloys
V.E. Sevrykov", O.B. Dyogteva, A.Yu. Karpenkov, A.I. Ivanova, E.M. Semenova
Department of condensed matter, Faculty of Physics and Technical, Tver State University
Tver, 170003, Russia E-mail: avesevryukov@edu.tversu.ru
The paper presents the results of a comprehensive study of the hysteresis characteristics of Smi-xGdxCo3Cu2 alloys (x=0.1-0.9), considering their actual microstructure. It is shown that in the as-cast state, all alloys in the series are significantly heterogeneous and contain inclusions of up to three phase components. High-temperature annealing at 1050°C for 4 hours enables modifying the microstructure of the original alloys, however, a single-phase state was only achieved for alloy samples with x = 0.1. The high-coercivity state of the samples is provided by a regular microstructure and is implemented through the pinning mechanism. The maximum coercive force of 0.94 T was achieved on the Sm0.4Gd0.6Co3Cu2
PACS: 75.30.-m, 75.60.-d, 75.60.Jk.
Keywords: rare-earth intermetallic, magnetic hysteresis, coercivity, microstructure. Received 31 May 2023.
English version: Moscow University Physics Bulletin. 2023. 78, No. 5, pp. 654-657.
Сведения об авторах
1. Севрюков Валерий Евгеньевич — студент ; e-mail: vesevryukov@edu.tversu.ru.
2. Дегтева Ольга Борисовна — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (482) 258-14-93 доб. 107, e-mail: Degteva.OB@tversu.ru.
3. Карпенков Алексей Юрьевич — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (482) 278-89-09 доб. 320, e-mail: karpenkov_alex@mail.ru.
4. Иванова Александра Ивановна — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (482) 278-89-09, e-mail: Ivanova.AI@tversu.ru.
5. Семенова Елена Михайловна — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (482) 278-89-09 доб. 320, e-mail: semenova_e_m@mail.ru.
