И.А. Кузнецов , Г.А. Дорогина , Э.С. Горкунов

Статья поступила в редакцию 05.01.2006
2007.02.2
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
СИСТЕМЫ Fe-Co
И.А. Кузнецов1, Г.А. Дорогина2, Э.С. Горкунов1, С.Х. Эстемирова2
1. Институт машиноведения УрО РАН
2. Институт металлургии УрО РАН
[email protected]
Проведено комплексное исследование физических свойств и структуры порошковых материалов системы Fe-Со. Определены корреляционные связи состав – структура - свойства для
данной системы. Показано, что ход зависимостей физических свойств от содержания кобальта
в железе обусловлен структурными изменениями.
Кобальт, как и железо, является ферромагнитным переходным металлом и занимает особое место среди элементов для легирования железных сплавов тем, что он расширяет и замыкает γ-область железа [1] и
образует c железом непрерывные растворы.
Материалы системы Fe-Co являются одними из важнейших, и применяются во многих областях электротехники и металлургии. Порошковые материалы системы железо-кобальт также интенсивно разрабатываются [2-4]. Концентрационный диапазон их различен: от небольшого легирования кобальтом железа
[5], до бинарной системы, в которой концентрация кобальта в железе соответствует 50–90% [6,7]. Однако
комплексные исследования физических свойств во всем диапазоне концентраций не проводились.
Задачей представленной работы является изучение физических свойств и структуры порошковых материалов системы Fe-Co, выполненных в одинаковых условиях, во всем диапазоне концентраций.
Порошки карбонильного железа и кобальта смешивали в различных соотношениях, прессовали при
односторонней нагрузке при 700 МПа и спекали в вакууме при 12000С в течение 3 часов, далее образцы
охлаждали с печью.
На рис. 1 показан ряд физических свойств системы.
Рис. 1. Физические свойства порошковых материалов системы Fe-Co
1
И.А. Кузнецов и др.
Параметр решетки a-Fe, A
Как видно из рисунка, физические характеристики имеют немонотонные зависимости от концентрации
фосфора, причем на некоторых из них присутствуют несколько перегибов. Сложность интерпретации результатов заключается в том, что многие свойства порошковых материалов зависят не только от химического состава и структуры, но и от пористости. Плотность образцов от концентрации кобальта в области 0-25%
уменьшается, хотя удельная плотность кобальта выше, чем у железа. В этой концентрационной области наблюдается корреляция с плотностью всех приведенных на рисунке физических свойств: уменьшение намагниченности насыщения МS, увеличение удельного электросопротивления ρ и коэрцитивной силы Нс.
Уменьшение плотности порошковых Fe-Co материалов обусловлено диффузионным процессом распространения кобальта по границам зерен железной матрицы. На начальном этапе мы имеем механическую смесь
порошков железа и кобальта, собранную в брикет. При нагреве ее, начинается процесс гомогенизации. Поскольку процентное содержание железа преобладает, оно формирует матрицу, в которой имеются отдельные
порошинки кобальта. При достаточно высокой температуре начинает формироваться структура - происходит
самодиффузия порошинок железа, образуются зерна, далее происходит их рост. Кобальт, как инородное тело,
является стопором роста зерна железа и таким образом вокруг него процесс роста зерна замедляется. Поскольку из-за высоких температур, колебания атомов кобальта увеличиваются, они начинают занимать свободные пространства вокруг себя, которыми являются границы зерен железа. Растворяясь в них, кобальт увеличивает ширину границ кристаллических зерен железа, что приводит к уменьшению плотности образцов.
Аналогичная ситуация наблюдалась в работе [8] для Fe-Cu материалов.
Намагниченность насыщения зависит от количества ферромагнитной фазы в единице объема порошкового
тела [9], а удельное электросопротивление – от количества проводящей фазы (если принять пористость за непроводящую фазу). Как видно на рисунке, при концентрации Со до 50% мы наблюдаем полное соответствие
этого для МS и ρ. Поскольку пустоты в порошковом теле будут приводить к уменьшению плотности материала, удельное электросопротивление обратно коррелирует с плотностью.
Увеличение коэрцитивной силы до 25-30% также объяснимо распространением кобальта по границам кристаллических зерен железа, что увеличивает энергетический барьер прохождения доменной стенки при намагничивании.
Измерение параметра решетки α-железа (рис. 2) показали, что наши рассуждения обоснованы.
2,87
2,865
2,86
2,855
2,85
2,845
2,84
2,835
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Концентрация кобальта, масс.%
Рис. 2. Зависимость параметра элементарной ячейки твердого раствора кобальта в железе
Как видно из рис. 2, на начальном этапе не наблюдается изменения параметра решетки. Это обусловлено тем, что кобальт не образует раствор в зерне кристаллической решетки железа.
При увеличении концентрации кобальта более 25% начинается процесс растворения его в кристаллической решетки
железа, что приводит к уменьшению параметра решетки α-железа. Это увеличивает плотность, термо-ЭДС, уменьшает удельное электросопротивление и коэрцитивную силу Причем, известно, что при составе, близком к 5065%Со возникает сверхструктура [1,10], в этой области намагниченность насыщения максимальна, а коэрцитив-
ная сила - минимальна.
При содержании кобальта ~75% происходит переход кристаллической решетки сплава из ОЦК в ГЦК [11].
Для порошковых материалов этот процесс по концентрации кобальта растянут, так как структура порошковых тел не идеально гомогенная и процесс идет в области 60-75% Со, что приводит к увеличению Нс, удельного электросопротивления, уменьшению термо-ЭДС.
2
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА
ПОРОШКОВЫХ …
При содержании кобальта в области 90% обнаружено образование твердого раствора на основе γ-Со(Fe) с
ГЦК-решеткой [12]. В этой области наблюдается следующее уменьшение параметра решетки, следующий
минимум коэрцитивной силы, уменьшение удельного электросопротивления и повышение термо-ЭДС.
Литература
[1] Э. Гудремон Специальные стали. М:ГН-ТИ Литературы по черной и цветной металлургии, 1960, 1606 с.
[2] Коробова Т.А., Мартюшов Б.И., Воробьева Н.И., Ирюшкина Л.Ф. Изготовление магнитопроводящих
деталей приборов из сплава 50К. //Процессы и материалы порошковой металлургии, М., 1985, с. 55-57;
[3] Спеченный сплав системы Fe-Co: Заявка 3191036 Япония, МКИ5 С22 С19/07, С22 С1/04 Ямагути Мориэ, Мацумото Сюдзи, Кобаяси Кумнэй, К.К. Тосиба. – № 1-329-81; Заявл. 19.12.89; Опубл. 21.08.91//Кокой
Токе кохо. Сер.3(4).-1991, 51, с.177-181;
[4] Способ получения спеченных магнитомягких материалов системы железо-кобальт: Пат. 5098648 США,
МКИ5 G 22 F1/00 Kawasaki Steel Corp. №714646; Заявл. 13.06.91; Опубл. 24.03.92; Приор. 30.05.88, № 63130088 (Япония)
[5] Kishimoto M., Nakazumi F., Otani N., Sueyoshi F. Preparation and magnetic properties of Fe-Co fine particles
//IEEE Frans. Magn. – 1991. – 27, №6, Pt 2, p. 4645-4647.
[6] Kuhrt C., Sehultz L. Formation and magnetic properties of nanocrystalline mechanically alloyed Fe-Co and FeNi//J Appl. Phys. – 1993, -73, №10, Pt 2B, p. 6588-6590.
[7] Kiyota Yoshisato, Ohtsubo Miroshi Спекание и магнитные свойства полученных инжекционным формованием сплавов Fe-Co //J. Jap. Soc. Powder and Powder Met. – 1990, - 37, №5, p. 601-604.
[8] Кузнецов И.А., Дорогина Г.А., Горкунов Э.С. Изучение физико-механицаских свойств порошковых материалов системы Fe-Cu применительно к контролю качества их спекания. – Дефектоскопия, 1998, №1, с.3-10.
[9] Горкунов Э.С., Ульянов А.И. Магнитные методы и приборы контроля качества изделий порошковой
металлургии. Екатеринбург: УрО РАН, Институт машиноведения, 1996, 202 с.
[10] C. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применгения. М.:
Мир, 1987, 420 с.
[11] Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа / Под ред. О.А. Банных, М.Е. Дриц. М.: Металлургия, 1986
[12] Балдохин Ю.В., Чердынцев В.В., Калошкин С.Д., Томилин И.А. Сверхтонкая структура сплавов системы железо-кобальт, приготовленных механическим сплавлением.//Доклады Академии наук, 1998, т.361,
№1, с.38-40
3