blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-5-393-398blackmet-1330Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЛЕНТЫ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА Fe–Cu–Nb–Si –B, ПОЛУЧЕННОЙ МЕТОДОМ СПИННИНГОВАНИЯ РАСПЛАВАSTRUCTURE FEATURES OF THE Fe –Cu–Nb–Si–B BASED NANOCRYSTALLINE ALLOY RIBBON PRODUCED BY THE MELT SPINNING METHODКузнецовП. А.KuznetsovP. A.

д.т.н., начальник НИО-35

Dr. Sci. (Eng.), Head of RD-35

npk3@crism.ruКлимовВ. Н.KlimovV. N.

инженер

Engineer

КириленкоД. А.KirilenkoD. A.

ведущий инженер

Senior Engineer

ЯговкинаМ. А.YagovkinaM. A.

ведущий инженер

Senior Engineer

СамоделкинЕ. А.SamodelkiE. A.

ведущий инженер

Senior Engineer

ЦНИИ КМ «Прометей» имени академика И.В. Горынина НИЦ «Курчатовский институт»РоссияAcademician I.V. Gorynin Central Research Institute of Structural Materials “Prometey” National Research Center “Kurchatov Institute”Russian FederationФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАНРоссияIoffe Institute, St. PetersburgRussian Federation201801062018615393398Copyright © Кузнецов П.А., Климов В.Н., Кириленко Д.А., Яговкина М.А., Самоделкин Е.А., 20182018Кузнецов П.А., Климов В.Н., Кириленко Д.А., Яговкина М.А., Самоделкин Е.А.Kuznetsov P.A., Klimov V.N., Kirilenko D.A., Yagovkina M.A., Samodelki E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1330

Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы на основе железа в последнее время широко используются для создания защитных материалов, эффективных в широком диапазоне магнитных и электромагнитных полей. Эти сплавы получают в виде лент методом сверхбыстрой закалки плоской струи расплава на быстровращающемся диске-холодильнике. В процессе получения аморфных лент расплавленный в высокочастотном индукторе металл подается через прорезь на поверхность закалочного диска, при этом поверхностные слои, контактирующие с диском-холодильником формирующейся аморфной ленты охлаждаются быстрее, чем наплывающие сверху и не контактирующие с диском холодильником. В результате на «контактной» стороне ленты могут формироваться остаточные напряжения сжатия, а на «свободной» стороне ленты – напряжения растяжения. Все это может приводить к анизотропии структуры по толщине ленты, а, следовательно, и свойств, при последующей термической обработке. В работе приведены результаты исследования структуры методом просвечивающей микроскопии (планарная геометрия и геометрия поперечного сечения) по толщине ленты сплава АМАГ-200 системы Fe – Nb – Cu – Si – B, полученной методом спинингования. Установлена взаимосвязь структурных изменений в аморфном сплаве АМАГ-200 системы Fe – Nb – Cu – Si – B, возникающих в процессе управляемой кристаллизации с особенностями структуры аморфной ленты, полученной методом сверхбыстрой закалки расплава со скоростями охлаждения до 106 К/с, которая объясняет анизотропию структуры по толщине ленты. Установлено, что термообработка при температуре 530 °С формирует высокие магнитные характеристики и снижает работу разрушения за счет формирования оптимальной аморфно-нанокристаллической структуры в части объемной доли кристаллитов и их размера. Исследован с помощью электронного сканирующего микроскопа характер разрушения ленты, связанный со структурой, сформированной в процессе получения сверхбыстрой закалки из расплава и после термообработки при температуре 530 °С. Установлено, что вид поверхностного разрушения ленты в состоянии поставки при ударном измельчении носит вязкий характер, а после термообработки  – устойчиво хрупкий характер.

Amorphous and nanocrystal magnetic soft Fe-based alloys are widely used for the shielding materials production, which are effective in the wide range of magnetic and electromagnetic fields. These alloys are obtained in ribbons by an ultra-quick quenching of the melt flow on the high-speed rotating refrigerator-disk. During the amorphous ribbons production process, melted in the high-frequency inductor metal is fed through the dye on the surface of the quenching disk, wherein the surface layers, contacted with the refrigerator-disk, of the forming amorphous ribbon are cooled quicker than the top ones, which are not in contact with the refrigerator-disk. As the result on the “contact” side of the ribbon the residual compression stresses can occur, wherein on the “free” side – the tension stresses. All these can lead to the structure anisotropy along the ribbon thickness, therefore also to the properties anisotropy during the further heat treatment. In the present paper, the results of the TEM structure analysis (planar geometry and transversal cut geometry) along the ribbon thickness of the AMAG200 alloy (Fe – Nb – Cu – Si – B system), obtained by the spinning method, are presented. The relation between the structure changes in the amorphous AMAG-200 alloy (Fe – Nb – Cu – Si – B system), which occurred during the process of the controlled crystallization, with the structure features of the amorphous ribbon, obtained by the ultra-quick quenching of the melt (with the cooling speed up to 106 K/s) is determined, explaining the structure anisotropy along the ribbon thickness. It is stated that the heat treatment under 530 °С forms high magnetic properties and lowers the destruction energy by the formation of the optimal amorphous-nanocrystallline structure in part of grains volume fraction and size. Using the SEM the fracture appearance analysis was performed, connected to the structure obtained during the ultra-quick quenching from the melt and after the heat treatment under 530  °С. It is stated that the fracture surface at the as-build state provide viscous type and after heat treatment-completely brittle type.

аморфно-нанокристаллический сплавтермическая обработкааморфная матрицакристаллитыэлектронная дифракциясверхбыстрое охлаждениехарактер поверхности разрушенияamorphous-nanocrystalline alloyheat treatmentamorphous matrixcrystalliteselectron diffractionultra-speed coolingfracture appearanceРабота выполнена с использованием оборудования ЦКП «Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, уникальный идентификатор проекта RFMEF162414X0002.The work was carried out using the equipment of the Center “Material Science and Diagnostics in Advanced Technologies” (Ioffe Physico-Technical Institute) with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, the unique identifier of the project is RFMEF162414X0002ReferencesPetzold J. Application of nanocrystalline soft magnetic materials for modern electronic devices // Scripta Materialia. 2003. Vol. 48. No. 7. P. 895 – 901.Petzold J. Application of nanocrystalline soft magnetic materials for  modern electronic devices. Scripta Materialia. 2003, vol. 48, no. 7,  pp. 895–901.Судзуки К., Худзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.Sudzuki  K.,  Khudzimori  Kh.,  Khasimoto  K.  Amorfnye metally [Amorphous metal]. Moscow: Metallurgiya, 1987, 328 p. (In Russ.).Стародубцев Ю. Н., Белозеров В. Я. Аморфные металлические материалы // Силовая электроника. 2009. № 2. С. 86 – 89.Starodubtsev Yu. N., Belozerov V. Ya. Amorphous metallic materials. Silovaya elektronika. 2009, no. 2, pp. 86–89. (In Russ.).Шевченко С.В., Стеценко Н.Н. Наноструктурные состояния в металлах, сплавах и интерметаллических соединениях: методы получения, структура, свойства // Успехи физики металлов. 2004. Т. 5 С. 219 – 255.Shevchenko S.V., Stetsenko N.N. Nanostructural states in metals,  alloys  and  intermetallic  compounds:  structure  obtaining methods, properties. Uspekhi fiz. met. 2004, vol. 5, pp. 219–255.  (In Russ.).Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М.: Академия, 2005. – 192 c.Andrievskii  R.A.,  Ragulya  A.V.  Nanostrukturnye materialy [Nanostructured materials]. Moscow: Akademiya, 2005, 192 p. (In  Russ.).Гойхенберг Ю.Н., Рощин В.Е., Ильин С.И. Структура и магнитные свойства аморфных сплавов в зависимости от степени кристаллизации // Вестник ЮУрГУ. 2011. № 14. С. 24 – 28.Goikhenberg Yu.N., Roshchin V.E., Il’in S.I. Structure and magnetic properties of amorphous alloys depending on the crystallization  rate. Vestnik YuUrGU. 2011, no. 14, pp. 24–28. (In Russ.).Hono K., Ping D.H. Atom probe studies of nanocrystallization of amorphous alloys // Materials Characterization. 2000. Vol. 44. P. 203 – 217.Hono  K.,  Ping  D.H.  Atom  probe  studies  of  nanocrystallization  of  amorphous  alloys.  Materials Characterization.  2000,  vol.  44,  pp.  203–217. Yoshizava Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 65. No.10. P. 6044 – 6046.Yoshizava Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based soft magnetic  alloys composed of ultrafine grain structure. J. Appl. Phys. 1988,  vol. 65, no. 10, pp. 6044–6046.Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нано-кристаллические металлы и сплавы. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 279 с.Noskova N.I., Mulyukov R.R. Submikrokristallicheskie i nanokristallicheskie metally i splavy [Submicrocrystalline and nanocrystal-line metals and alloys]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2003, 279 p. (In  Russ.).Глезер А.М., Пермякова Е.И. Нанокристаллы, закаленные из расплава. – М.: Физматлит, 2012. – 360 с.Glezer A.M., Permyakova E.I. Nanokristally, zakalennye iz rasplava [Melt-hardened nanokristalls]. Moscow: Fizmatlit, 2012, 360  p.  (In Russ.).Shadrov V.G., NemtsevichL.V. Nanocrystalline magnetic materials // Fiz. Khim. Obrab. Mater. 2002. No. 5. P. 50 – 61.Shadrov  V.G.,  Nemtsevich  L.V.  Nanocrystalline  magnetic  materials. Fiz. Khim. Obrab. Mater. 2002, no. 5, pp. 50–61.Маслов В.В., Ткач В.И., Носенко В.К. и др. Термически обусловленное охрупчивание аморфных сплавов Fe – Si – B – Cu – – Nb // Физика и техника высоких давлений. 2010. Т. 20. № 1. С. 62 – 69.Maslov  V.V.,  Tkach  V.I.,  Nosenko  V.K.,  Rassolov  S.G.,  Moiseeva  T.N.  Thermally  induced  embrittlement  of  Fe–Si–B–Cu–Nb  amorphous alloys. Fizika i tekhnika vysokikh davlenii. 2010, vol.  20,  no.  1, pp. 62–69. (In Russ.).Ding J., Shi Y., Chen L.F. etc. A structural, magnetic and micro wave study on mechanically milled Fe-based alloy powders // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002. Vol. 247. P. 249 – 256.Ding J., Shi Y., Chen L. F., Deng C. R., Fuh S. H., Li Y. A structural,  magnetic and microwave study on mechanically milled Fe-based alloy powders. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002,  vol. 247, pp. 249–256.Яковлев А.В., Федоров В.А., Плужникова Т.Н. и др. Влияние нагрева и деформации на механические свойства аморфных и нанокристаллических металлических сплавов на основе Co и Fe // Вестник ТГУ. 2012. Т. 17. Вып. 1. С. 144 – 146.Yakovlev A.V., Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Kirilov A.M., Zaitsev S.A., Fedotov D.Yu., Sidorov S.A., Bulankin A.S. Influence of  heating and deformation on mechanical properties of metallic amorphous  and  nanocrystalline  alloys  based  Co  and  Fe.  Vestnik TGU.  2012, vol. 17, Issue 1, pp. 144–146. (In Russ.).Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нано-кристаллические металлы и сплавы. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 279 с.Noskova N.I., Mulyukov R.R. Submikrokristallicheskie i nanokristallicheskie metally i splavy [Submicrocrystalline and nanocrystal-line metals and alloys]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2003, 279 p. (In  Russ.).Юранова Т.Ю., Мазеева А.К., Мухамедзянова Л.В. и др. Исследование влияния содержания меди на высокочастотные и статические магнитные свойства сплава типа Finemet // Вопросы материаловедения. 2012. № 1(69). С. 52 – 57.Yuranova  T.Yu.,  Mazeeva  A.K.,  Mukhamedzyanova  L.V.,  Fur-mon  M.S., Kuznetsov P.A., Peskova A.S. Research of influence of  copper content on high-frequency and static magnetic properties of  Finemet-type  alloy.  Voprosy materialovedeniya.  2012,  no.  1(69),  pp.  52–57. (In Russ.).Кузнецов П.А., Беляева А.И., Михайлов М.С., Сергеева О.С. Влияние режима отжига на кинетику кристаллизации и магнитные характеристики нанокристаллического магнитомягкого сплава системы Fe-Cu-Nb-Si-B // Вопросы материаловедения. 2008. № 2(54). С. 113 – 121.Kuznetsov  P.A.,  Belyaeva  A.I.,  Mikhailov  M.S.,  Sergeeva  O.S.  Effect of annealing mode on crystallization kinetics and magnetic  properties of nanocrystalline soft magnetic alloy of Fe–Cu–Nb–Si–B  system. Voprosy materialovedeniya. 2008, no. 2(54), pp. 113–121. (In Russ.).Серебряков В.А., Гуров А.Ф., Левин Ю.Б., Новохатская Н.И. Нанокристаллизация аморфных сплавов Fe74,5 - xSi13.5B9CuxNb3 (x = 0,6 и 1,0) // Физика металлов и металловедение. 2006. Т. 101. № 6. С. 598 – 606.Serebryakov V.A.,  Gurov A.F.,  Levin Yu.B.,  Novokhatskaya  N.I.  Nanocrystallization  of  Fe74.5–xSi13.5B9CuxNb3  (x  =  0.6  and  1.0) amorphous alloys. Fizika metallov i metallovedenie. 2006, vol. 101,  no. 6, pp. 598–606. (In Russ.).McHenry М.E., Johnson F., Okumura H. The kinetics of nanocrystal lization and microstructural observations in FINEMET, NANO-PERM and HITPERM nanocomposite magnetic materials // Scripta Materialia. 2003. Vol. 48. No. 7. P. 881 – 887.McHenry  M.E.,  Johnson  F.,  Okumura  H.,  The  kinetics  of  nanocrystallization  and  microstructural  observations  in  FINEMET,  NANOPERM  and  HITPERM  nanocomposite  magnetic  materials.  Scripta Materialia. 2003, vol. 48, no. 7, pp. 881–887.Lebourgeois R., Berenguere S. Analysis of the initial complex permeability versus frequency of soft nanocrystalline ribbons and derived composites // JMMM. 2003. Vol. 254 – 255. P. 191 – 194.Lebourgeois R., Berenguere S. Analysis of the initial complex permeability versus frequency of soft nanocrystalline ribbons and derived composites. JMMM. 2003, vol. 254-255, pp. 191–194.Gheiratmand T., Madaah Hosseini H.R., Davami P. etc. Mechanism of mechanically induced nanocrystallization of amorphous FINEMET ribbons during milling // Metall. Mater. Trans. 2015. Vol. A46. No. 6. P. 2718 – 2725.Gheiratmand  T.,  Madaah  Hosseini  H.R.,  Davami  P.,  Ababei  G.,  Song M. Mechanism of mechanically induced nanocrystallization of  amorphous FINEMET ribbons during milling. Metall. Mater. Trans.  2015, vol. A46, no. 6, pp. 2718–2725.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.