Кинетика процессов структурообразования при кристаллизационном отжиге аморфных сплавов с различным комплексом легирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Никифорова, Оксана Вадимовна

• Никифорова, Оксана Вадимовна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никифорова, Оксана Вадимовна

Введение

Глава Современное состояние вопроса получения и исследования аморфных металлических сплавов на основе Fe

1.1. Аморфные и нанокристаллческие магнитомягкие сплавы

1.2. Конструкционные материалы с аморфной и нанокристаллической структурой

1.3. Влияние внешних факторов на кристаллизацию аморфных металлических сплавов

1.4. Области применения аморфных сплавов с особыми магнитными и механическими свойствами

Глава 2. Материалы и методы исследования

2.1. Материалы

2.2. Рентгеноструктурный анализ

2.3. Термическая обработка

2.4. Просвечивающая электронная микроскопия

2.5. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей

2.6. Метод ударно-активаторной обработки

2.7. Микротвердость

2.7.1. Измерение микротвердости на торце ленты

2.7.2. Измерение твердости методом наноиндентирования

2.8. Определение магнитных характеристик

Глава 3. Кинетика кристаллизации аморфных лент функционального назначення 49 3.1. Исследование кинетики кристаллизации и влияния термической обработки на свойства сплавов на основе железа

3.1.1. Структурообразование сплавов типа АМАГ-200 и 5БДСР

3.1.2. Результаты анализа структуры сплава АМАГ-200 после отжигов методом просвечивающей электронной микроскопии

3.1.3. Исследование структуры аморфного сплава методом рентгеновского малоуглового рассеяния

3.1.4. Магнитные характеристики сплавов функционального назначения

3.2. Исследование сплавов на основе системы Со-В

3.2.1. Кинетика кристаллизации сплавов на основе системы Со-В

3.2.2. Расчетный анализ диффузионных процессов роста новой фазы

3.2.3. Магнитные характеристики сплава на основе системы Со-В

Глава 4. Кинетика кристаллизации аморфных лент конструкционного назначения

4.1. Структурообразование в сплавах конструкционного назначения

4.2. Свойства конструкционных материалов

Глава 5. Исследование порошков аморфных сплавов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика процессов структурообразования при кристаллизационном отжиге аморфных сплавов с различным комплексом легирования»

Изучение и описание кристаллизационных процессов в аморфных сплавах является актуальной темой исследования. Знание этих закономерностей дает возможность получать материалы с заданным комплексом магнитных и механических свойств и прогнозировать их поведение в различных эксплуатационных режимах как в случае аморфных, так и в случае аморфно-кристаллических (нанокристаллических) материалов.

Кроме того, результаты исследований в этой области являются фундаментом для развития методов компьютерного моделирования структуры стекла. Данные по кинетике кристаллизации позволяют моделировать диффузионные процессы, происходящие в аморфных сплавах при отжиге. Изучение влияния различных видов обработки на свойства аморфных материалов является базовой информацией для более глубокого анализа процессов, происходящих в стекле.

Целью работы являлось исследование влияния режимов термообработки, в том числе неизотермических и комбинированных, на процессы структурообразования при нагреве аморфных лент из сплавов функционального и конструкционного назначения различной степени легирования, преимущественно на основе железа.

Для достижения поставленной цели в работе проводилось исследование кинетики процессов протекающих при изотермических, неизотермических и комбинированных режимах отжига функциональных и конструкционных сплавов различной степени легирования, а также определялся ряд основных физических и механических свойств после этих режимов. Был проведен сравнительный анализ механизма и кинетики структурообразования и даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию составов и технологии.

В первой главе проведен анализ общих представлений о строении и свойствах магнитомягких и конструкционных аморфных сплавов на основе железа. Изложены основные закономерности структурных изменений, происходящих при термической обработке аморфных сплавов. На основе классической теории образования и роста зародышей новой фазы изложены особенности кристаллизации исследуемых материалов. Приведены примеры широкого применения аморфных металлических материалов, полученных методом закалки из жидкого состояния, в различных областях промышленности и техники.

Во второй главе представлены материалы и описаны основные методики, используемые в работе.

В третьей главе проведено детальное исследование изменения структуры сплавов функционального назначения в зависимости от режимов отжига, а также после комбинированных режимов термообработки. Показаны основные закономерности изменения гистерезисных магнитных характеристик при отжиге.

В четвертой главе анализируются структурные изменения в конструкционных сплавах системы Fe-Mo-Cr-V-B-C при различных режимах термической обработки, в том числе и неизотермических. Проведены измерения микротвердости, показано влияние легирующих элементов для получения высокопрочных сплавов (молибдена, хрома, ванадия), а таюке металлоидов на твердость и склонность к аморфизации.

Пятая глава посвящена изучению порошков аморфных сплав полученных из термообработанной ленты и ленты без термической обработки.

Целью работы являлось исследование влияния режимов термообработки, в том числе неизотермических и комбинированных, на процессы структурообразования при нагреве аморфных лент из сплавов функционального и конструкционного назначения различной степени легирования преимущественно на основе железа.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- выявить температурно-временной интервал структурообразования при нагреве (отжиге) ряда выбранных комплексиолегированных сплавов с изначальной аморфной структурой; изучить кинетику процессов протекающих при изотермических, неизотермических и комбинированных режимах отжига выбранных сплавов;

- определить ряд основных физических и механических свойств после различных режимов отжига;

- провести сравнительный анализ механизма и кинетики структурообразования с рекомендациями по дальнейшему совершенствованию составов и технологии.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Никифорова, Оксана Вадимовна

Общие выводы.

1. Выполнен подробный анализ кинетики процессов структурообразования при отлейте аморфных лент из сплавов АМАГ-200 и 5БДСР системы Fe-Si-Nb-Cu-B как в случае изотермических режимов, так и в случае использования серии экспериментальных комбинированных многократных и ступенчатых режимов термообработки. Выявлена возможность существенного снижения размеров кристаллитов при неизотермических режимах. Предложенные режимы удалось успешно реализовать после построения специальной диаграммы структурных состояний в координатах температура - время.

2. Сравнительным рентгеноструктурным и электронноскопическим анализом на сплаве АМАГ-200 с медью и без нее показана роль этого элемента, ускоряющего распад особенно в высокотемпературной стадии и определяющего конечное количество центров новой фазы.

3. Исследованы системы Fe-Cr-Mo-V-B-C и на базе кобальта с исходной аморфной структурой, показавшие сложный механизм и кинетику кристаллизационных процессов на этих системах. Показана также возможность управления структурой комбинированными режимами отжига. Установлено существенное влияние на кинетику легирующих элементов, снижающих диффузионную подвижность бора и углерода.

4. На базе сопоставления различных методов анализа (электроноскопический, малоугловое рассеяние) отработана и широко использована инструментальная методика рентгеноструктурного анализа отолокенных аморфных лент, позволившая определить аппроксимацией основные параметры структуры, что может быть использовано для оценки экспресс-анализом структуры сплавов в исходном состоянии и после термообработки.

5. Выполнен расчетный анализ диффузионного перераспределения бора на примере сплава Со-В в зависимости от температурно-времениых параметров отжига, который может служить основой для разработки компьютерной модели аморфных сплавов сложного состава.

6. Определено влияние структурных факторов на магнитные характеристики магнитомягких сплавов АМАГ-200 и 5БДСР. Выявлено, что не только получение нанокристаллического состояния, но и определенное сегрегационное состояние может приводить к существенному изменению характеристик по сравнению с исходным аморфным состоянием. С помощью комбинированных режимов возможно в более полной мере программировать необходимые магнитные свойства.

7. На примере серии аморфных лент конструкционного назначения на базе системы Fe-Cr-Mo-V-B-C дюрометрическим анализом выявлено влияние легирования на механические характеристики, показано достижение значения твердости вплоть до HV1600.

8. Серией исследований изучено влияние измельчения аморфной ленты при ударно-активационном воздействии на структуру полученных порошков. Показана возможность управления фракционностью и структурой порошков в случае заданных условий применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никифорова, Оксана Вадимовна, 2009 год

1. Масумото, Ц. Аморфные металлы. / Под ред. Ц. Масумото. М.-Металлургия. - 1987. - 328 с.

2. Ефимов, Ю.В. Метастабильные и неравновесные сплавы. / под ред. Ефимова Ю. В. М.: Металлургия. - 1988. - 382 с.

3. Абросимова, Г. Е. Кристаллизация аморфных сплавов Co-Fe-Si-B. / Г.Е. Абросимова, С.А. Аронин, А.В. Серебряков // Физика металлов и металловедение. -Т. 68. №3. - 1989. - С. 551-557.

4. Хильман, X. О приготовлении аморфных лент методом спиннингования расплава / X. Хильман, Х.Р. Хильцингер //В кн.: Быстрозакаленные металлы п/р Кантора М. М.: Металлургия. - 1983. - С.30-34.

5. Анестиев, JL Теоретично и експериментално изследване на процесите на б'рза закалка от стопилка на аморфни и микрокристални сплави: Автореферат дис. канд. техн. наук. София., 1989. - 40 с.

6. Пат. 2260070 Российская Федерация. Способ получения слитков исходного сплава для производства аморфных лент. / Пономарев В.А., Иванов О.Г., Чернов B.C., Маряхин А.В., Евтеев А.С. (Россия); опубл. 10.09.2005

7. Пат. 2277995 Российская Федерация. Способ получения аморфной ленты из металлических сплавов методом спиннингования. / Ковнеристын Ю.К., Шоршоров М.Х., Мальцев Г.Т., Коваленко JI.B. (Россия); опубл. 20.06.2006

8. Пат. 2269173 Российская Федерация. Магнитомягкий аморфный сплав. Маркин В.В., Мухаматдпнов Ж.Н. Гиндулин Р.М, Аверин Ф.В., Смолякова О.В., Хамитов О.В. (Россия); опубл. 27.01.2006

9. Пат. 2273680 Российская Федерация. Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта. Фармаковский Б.В., Орлова Я.В. Песков Т.В., Кузнецов П.А., Аскинази А.Ю. (Россия); опубл. 12.08.2004

10. Пат. TW271439B Fe-based amorphous metal alloy having a linear BH loop. MARTIS RONALD J (US); HASEGAWA RYUSUKE (US); опубл. 21.01.2007

11. Пат. JP2007092096 Япония. Amorphous magnetic alloy. URATA KENRI; INOUE AKIHISA; AMITANI KENJI (JP); опубл. 12.04.2007

12. Пат. CN1936059 Китай. Iron-base amorphous alloy material with plasticity and soft magnetism. ZHANG TAO LIU (CN); опубл. 28.03.2007.

13. Пат. US2007202359 Япония. Magnetic Thin Film For High Frequency, and Method of Manufacturing Same, and Magnetic Device. CHOI KYUNG-KU (JP); MURASE TAKU (JP); опубл. 30.08.2007

14. Пат. JP2007077488 Япония. AMORPHOUS SOFT MAGNETIC ALLOY POWDER. MATSUMOTO IIIROYUKI; FUJIWARA TERUHIKO; KATAHIRA TAD AO; AS ADA ITARU; TANNO KOICHI; опубл. 29.03.2007

15. Ohnuma, M. Cu clustering stage before the cristallization in Fe-Si-B-Nb-Cu amorphous alloys / M. Ohnuma, К. Hono, H. Onodera // NanoStruct. Mater. V. 12. -1999. - P. 693-696.

16. Ohnuma, M. Et ai. Small-angle neutron scattering and differential scanning calorimetry studies on the copper clustering stage of Fe-Si-B-Nb-Cu nanocristalline alloys / M. Ohnuma, K. Hono, S. Linderoth // Acta Mater. V. 48. - 2000. - P. 47834790.

17. Yoshigawa, Y. New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure / Y. Yoshigawa, S. Oguma, K. Yamauchi // J. Appl. Phys. V. 64. - № 10. -1988. - P. 6044-6046.

18. Herzer, G. Grain structure and magnetizm of nanocristalline ferromagnets / G. Herzer // IEEE Trans. Magn. V. 25. - 1989. - P. 3329-3331.

19. Willard, M.A. Structure and magnetic properties of (Fe0.5Co0.5)88Zr7B4Cul nanocrystalline alloys / M.A. Willard, D.E. Laughlin, M.E. McHenry // Journal of Applied Physics. vol. 84 - № 12 - 1998 - P. 6773 - 6777.

20. Глезер, A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы / A.M. Глезер // Рос. хим. журнал т. XLVI. - № 5 -2002. - с. 57 - 63.

21. Золотухин, И.В. Аморфные металлические материалы. / И.В. Золотухин // Соросовский образовательный журнал №4 - 1997. - С. 58-60.

22. Власова, Е.Н., Дьяконова Н.Б., Лясоцкий И.В. н др. Тонкая структура магнитомягких сплавов типа файнмет / Е.Н. Власова, Н.Б. Дьяконова, И.В. Лясоцкий и др. // Сталь. № 3 - 1998 - С. 65-69.

23. Носкова, Н.И. Структура, прочность и пластичность нанокристаллических и аморфных материалов / Н.И. Носкова // Физика металлов н металловедение. Т. 86 - вып. 2 - 1998 - С. 101-115.

24. Серебряков, А.В. Нанокрпсталлизация аморфных сплавов Fe74.5Sil3,5B9CuxNb3 (х=0,6 b 1,0)/ А.В. Серебряков, А.Ф. Гуров, Ю.Б. Левин, Н.И. Новохатская // Физика металлов и металловедение Т. 101 - № 6 - 2006 - С. 598-606.

25. Серебряков, А.В. Нанокрпсталлизация аморфных сплавов Fe73,5Sil3,5B9CulNb3)100-yFey (у=0; 6,7 и 13,3) / А.В. Серебряков, А.Ф. Гуров, Ю.Б. Левин, Н.И. Новохатская // Физика металлов и металловедение Т. 101 - № 6 -2006-С. 607-611.

26. Сериков, В.В. Структура и магнитные свойства нанокристаллических сплавов системы FeCuNbSiB после термомеханической обрабтки / В.В. Сериков, Н.М. Клейнерман, Е.Г. Волкова и др. // Физика металлов и металловедение Т. 102 - № 3 - 2006. - С. 290-295.

27. Лясоцкий, И.В. Влияние легирующих элементов на образование апериодической фазы с кубической симметрией в быстрозакаленных сплавах Fe-Mn-Nb-Si-В/ И.В. Лясоцкий, Н.Б. Дьяконова, Д.Л. Дьяконов и др. // Металлы. № 1-2006-С. 55-61.

28. Лясоцкий, И.В. К вопросу о механизме формировния нанокристаллических структур в аморфизирующихся сплавах на основе железа / И,В. Лясоцкий, Н.Б. Дьяконова, Е.Н. Власова // Металлы № 5 - 2005 - С. 3-11.

29. Власова, Е.Н. Исследование формирования нанокристаллических структур в сплавах типа файнмет / Е.Н. Власова, Н.Б. Дьяконова, И.В. Лясоцкий, Б.В. Молотилов // Металлы № 2 - 2001. - С. 55 - 61.

30. Манов, В.П. Загрязнённость неметаллическими включениями и качество аморфных лент / В.П. Манов, Е.А. Казанцева, С.И. Попель // Расплавы. -№1. -1995. С.35-38.

31. Баум, Б.А. Жидкая сталь. / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г. В. Тягунов и др. // М.: Металлургия. 1984 - 208 с.

32. Tadusz, К. The influence of copper, niobium and tantalum additions on the cristallization of Fe-Si-B / K. Tadusz. // Mater. Sci. and Eng. A. № 1. - 1992. - P. 95101.

33. Крахмалев, П.В. Структура и свойства магнитно-мягких аморфных сплавов на основе железа и кобальта при термической, механотермической и термомагнитной обработке: Дис. на соискание ученой степени к.т.н./ П.В. Крахмалев СПб: СПбГТУ. - 1999. -138 с.

34. Скотт, М. Термическая стабильность и кристаллизация металлических стёкол. / М. Скотт // В кн. Аморфные металлические сплавы. Под. ред. Люборгского. - 1987.

35. Ларионова, Т.В. Релаксационные и кристаллизационные процессы в магнитно-мягких аморфных сплавах на основе железа: Автореферат канд. дисс. -СПб.: СПбГТУ. -1996. -18 с.

36. Говорков, В.А. Электрические и магнитные поля / В.А. Говорков изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергия. - 1968. - 488 с.

37. Musal, Н.М. Thin-Layer Electromagnetic Design / Н.М. Musal, Jr. and H.T. Hahn // IEEE Trans, on Magn. vol. 25. - № 5. - 1989, P. 3851 - 3853.

38. Nakamura, T.Snoek's limit in high-frequency permeability of poly crystalline Ni-Zn, Mg-Zn, and Ni-Zn-Cu spinel ferrites / T. Nakamura // J. of Appl. Physics. -vol. 88.-№ 1.- 2000.-P. 348-353.

39. Paterson, J.H. A.D.R. Phelps Complex permeability of soft magnetic ferrite/polyester resin composites at frequencies above 1 MHz / J.H. Paterson, R. Devine, // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. vol. 196 - 197 - 1999. - P. 394 - 396.

40. Nakamura, T. Frequency dispersion of permeability in ferrite composite materials / T. Nakamura, T. Tsutaoka, K. Hatakeyama // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. vol. 138. - 1994. - P. 319 - 328.

41. Iierzer, G. Grain size dependence of coercivity and permeability in nanocristalline ferromagnets / G. Herzer // IEEE Transactions on Magnetics vol. 26. -№5 - 1990 -P. 1397- 1402.

42. Кузнецов, П.А. Создание эффективных систем электромагнитной защиты на основе магнитомягких аморфных и нанокристаллическпх сплавов Со и Fe: Дне. на соискание степени канд. техн. наук / П.В. Кузнецов — СПб. — 2005.- 160 с.

43. Маслов, В.В. Нанокристаллизация в сплавах типа Finemet / В.В. Маслов, В.К. Носенко и др. // ФММ Т. 91. - № 5. - 2001. - С. 47 - 55.ь

44. Гюлиханданов, E.JI. Оценка склонности сплавов к аморфизации спомощью флуктуационной модели гомогенного зародышевания / E.JT.

45. Гюлиханданов, В.М. Голод // Материалы XII международной научнойконференции «Высокие интеллектуальные технологие и генерация знаний в образовании и науке» Т. 1. - 2005, С. 313-315.

46. Гюлиханданов, E.JI. Исследование неизотермических режимов термообработки стали / E.JI. Гюлиханданов, В.В. Кисленков, А.Д. Хайдоров // Труды СПбГТУ. №463 - 1996, С. 116-118.

47. Брик, В.Б. Диффузия и фазовые превращения в металлах и сплавах / В.Б. Брик. Киев, Наукова думка. - 1985 - 232 с.

48. Свергун, Д.И. Рентгеновское и нейтронное малоугловое рассеяние. / Д.И. Свергун, JLA. Фейгин М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит. - 1986. - 280 с.

49. Guinier, A. Small-angle scattering of X-rays. / A. Guinier, G. Fournet N.Y.London. - 1955. - 212 p.

50. Слуцкер, А.И. ЖТФ / А.И. Слуцкер, В.И. Бетехин, А.Г. Кадомцев, О.В. Толочко // 76, 57. 2006.

51. Голод, В.М. Компьютерное моделирование спиннингования расплава /

52. B.М. Голод, E.JI. Гюлиханданов, П.А. Кузнецов // Труды СПбГПУ № 50 - 20091. C. 225-233.

53. Massalski, Т.В. Binary Alloy Phase Diagrams / T.B. Massalslci 2 ed. - 1990.

54. Криштал, M.A. Механизм диффузии в железных сплавах. / М.А. Криштал М.: Металлургия - 1972. - 400 с.

55. Wells, C.J. Metals /C.J.Wells //v.5.-№ 11 1953. -P. 1463.

56. Kulik, T. Correlation between microstructure and magnetic properties of amorphous and nanocrystalline Fe73;5Cu1Nb3Sii6>5B6 / T. Kulik, G. Vlasak, R. Zuberek // Materials Science and Engineering A, vol. 226-228 - 1997 - P. 701 - 705.