Аморфные магнитные материалы

УДК 539.213 
К 33 

К 33 
Кекало И.Б. Аморфные магнитные материалы: Курс лекций. 
– М.: МИСиС, 2001. –276 С. 

Книга 
посвящена 
новому 
и 
весьма 
перспективному 
классу 
материалов – аморфным магнитным сплавам, получаемым в виде лент методом 
закалки из расплава. Обладая уникальным сочетанием и уровнем физикомеханических свойств, аморфные сплавы всё шире применяют не только 
взамен традиционных магнитно-мягких материалов, но используют в новых 
различного рода устройствах, создаваемых с учетом особенностей их свойств. 
В книге описаны современные методы получения аморфного состояния, 
особенности формирования аморфной ленты из жидкого состояния и факторы, 
определяющие её геометрию и качество, а также магнитные свойства. При 
описании процессов аморфизации используется концепция свободного объёма 
и модель гетерогенного строения жидкости с привлечением представлений 
теории перколяции. Должное внимание в книге уделяется критериям, 
определяющим 
склонность 
сплавов 
к 
аморфизации, 
в 
частности, 
кристаллохимическому 
фактору. 
Достаточно 
подробно 
представлены 
экспериментальные данные о строении аморфных сплавов, полученные 
современными методами исследования. Книга может быть полезной не только 
как учебное пособие для студентов соответствующих специальностей, но и для 
научных работников и инженеров, связанных с изучением и разработкой 
быстрозакаленных материалов. 

Курс лекций издается в авторской редакции. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2001 

КЕКАЛО Игорь Борисович 

АМОРФНЫЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

Раздел: Получение, процессы аморфизации, атомное 
строение, 
свойства 

Курс лекций 
для студентов направлений 651800 и 654100 

Рецензент проф., докт.техн.наук Ю.Г. Андреев 

Объем 276 С. 
Тираж 150 экз. 

Заказ 931 
Цена “С” 
Регистрационный № 445 

Московский государственный институт стали и сплавов, 
119991, Москва, Ленинский пр-т, 4 
Отпечатано в типографии издательства «Учеба» МИСиС, 
117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
8 

Глава 1. Методы получения аморфного состояния 
14 

1.1. Закалка из расплава 
14 

1.1.1. Метод спиннингования струи расплава 
14 

1.1.2. Метод экстракции расплава 
20 

1.1.3. Методы получения аморфной проволоки 
24 

1.2. Формирование аморфной ленты при спиннинговании 
расплава 
28 

1.2.1. Лужица расплава и геометрические параметры ленты 
29 

1.2.2. Качество аморфных лент. Роль граничного газового 
слоя 
40 

1.3. Влияние условий получения на магнитные свойства 
аморфных лент 
47 

1.4. Получение аморфного состояния методами, отличными 
от закалки из расплава 
69 

1.4.1. Метод ионного распыления 
69 

1.4.2. Методы плазменного и вакуумного напыления 
73 

1.4.3. Методы поверхностной аморфизации твердых тел 78 
Глава 2. Особенности образования аморфного состояния из 
расплава 
80 

2.1. Критическая скорость охлаждения 
80 

2.2. Процесс аморфизации: модельные представления, 
эволюция структуры и свойств 
89 

2.2.1. Изменение термодинамических и кинетических 
параметров. Концепция свободного объема 
90 

2.2.2. Парадокс Козманна 
108 

2.2.3. Модель гетерогенного строения расплава в рамках 
теории перколяции 
111 

2.2.4. Структурные изменения при переходе жидкости в 
аморфное состояние 
116 

Глава 3. Критерии и параметры, определяющие склонность 
сплавов к аморфизации 
122 

3.1. Оценка склонности к аморфизации по критической 
толщине 
125 

3.2. Параметры, связанные с температурами плавления и 
аморфизации 
128 

3.3. Соотношение атомных радиусов компонентов 
139 

3.4. Параметры отражающие электронные свойства сплавов 
145 

3.5. Термодинамические подходы 
155 

3.6. Кристаллохимический фактор. Роль икосаэдрической 
координации атомов 
166 

3.7. Другие факторы и критерии 
180 

3.8. Сплавы со сверхвысокой склонностью к аморфизации 
182 

Глава 4. Атомная структура и её эволюция 
189 

4.1. Дифракционные методы изучения структуры 
190 

4.2. Экспериментальные данные 
196 

4.3. Высокоразрешающие методы 
203 

4.4. Метод электрон-позитронной аннигиляции 
217 

4.5. Малоугловое рассеяние рентгеновского и нейтронного 
излучения 
231 

4.6. Метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР) 
248 

4.7. Химическая неоднородность (гетерогенность) аморфных 
сплавов и методы ее изучения 
267 

ЛИТЕРАТУРА 
271 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В последние десятилетия разработаны, изучены и внедрены в 
массовое производство новые классы магнитно-мягких материалов, 
хотя и отличающихся по своему атомному строению и комплексу 
физико-механических свойств, но объединенных одним признаком – 
способом получения, а именно, закалкой из расплава. К указанным 
материалам относятся аморфные, микро- и нанокристаллические 
магнитно-мягкие сплавы. Буквально в последние годы получило интенсивное развитие также новое направление в материаловедении 
постоянных магнитов – разработка и внедрение в производство постоянных магнитов на основе сплавов, получаемых путем закалки из 
расплава. Ранее изданные пособия*) посвящены всем классам указанных выше быстрозакаленных материалов, за исключением аморфных. Таким образом, данная книга завершает выпуск серии пособий, 
охватывающих основной спектр современных магнитных материалов, определяемых как быстрозакаленных. 

Аморфные сплавы занимают особое место среди быстрозакаленных материалов, в первую очередь, потому, что они уже прочно 
заняли свою нишу и в производстве, и в применении. В настоящее 
время выпуск аморфных сплавов достигает около пяти тысяч тонн в 
год и, очевидно, в ближайшем будущем приблизится 10-тысячной 
отметке. Основная масса производимых аморфных сплавов (сплавы 
на основе Fe) используется в качестве электротехнических материалов для различного рода трансформаторов и других устройств, где 
они применяются как магнитопроводы. Обладая почти идеальной 
фазово-структурной однородностью и высоким удельным электрическим сопротивлением, аморфные сплавы имеют чрезвычайно низкие 
потери на перемагничивание, что и предопределяет их применение 
как электротехнических материалов. Выпускаемая для этих целей 
лента обычно имеет толщину 30…40 мкм и ширину до 50 мм, хотя 
разработаны методы получения ленты шириной до 150…200 мм. 

*) Кекало И.Б. Нанокристаллические магнитно-мягкие материалы. – М.: МИСиС, 
2000, 226 с.; Кекало И.Б., Введенский В.Ю., Нуждин Г.А. Микрокристаллические 
магнитно-мягкие материалы. – М.: МИСиС, 1999, 166 с.; Кекало И.Б., Менушенков 
В.П. Быстрозакаленные магнитно-твердые материалы системы Nd-Fe-B. – М.: МИСиС, 2000, 117 с. 

5 

Другая область современной техники, в больших объемах поглощающая аморфные сплавы – это радиоэлектронная промышленность 
и приборостроение. Для этих отраслей техники чаще всего используют сплавы на основе Со с близкой к нулю магнитострикцией и 
вследствие этого с великолепными свойствами в малых полях (в 
данном случае, как правило, применяют ленту толщиной не более 
20 мкм и шириной до 10…20 мм). Проявляется четкая тенденция к 
все большему производству готовых стандартных сердечников, выброс которых на рынок достиг уже уровня 15 млн. Количество выпускаемых микротрансформаторов, в том числе импульсных, широко 
применяемых в радиоэлектронной промышленности, исчисляется 
десятками миллионов в год. Широко применяются высококобальтовые аморфные сплавы для изготовления головок магнитной аудио- и 
видеозаписи. Аморфные магнитные материалы находят также применение в бытовой технике и в сфере обслуживания (в частности, 
более 4 млрд. наклеек в год из аморфных сплавов применяют для 
фиксации потребительских товаров). Использование аморфных сплавов в современной технологической цивилизации обусловлено не 
только высоким уровнем их магнитных свойств, но и уникальным 
сочетанием этих свойств с другими физико-механическими характеристиками, в первую очередь, с такими, как прочность, твердость, 
сопротивление истиранию, высокое удельное электрическое сопротивление, стойкость к радиации. Не последнее значение в росте производства аморфных сплавов занимает то обстоятельство, что фактически создана новая технология металлургического производства, 
обеспечивающая получение конечного продукта непосредственно из 
расплава, минуя многоступенчатые и энергоемкие технологические 
циклы такие, как ковка, прокатка, промежуточные отжиги. 

В представленном пособии описаны методы получения аморфного состояния, процессы формирования аморфной ленты из расплава, 
а также рассмотрены факторы, определяющие её геометрические параметры, качество и магнитные свойства. Описаны также современные 
физические представления о процессах аморфизации и о тех факторах, 
которые определяют склонность сплавов к аморфизации. Особое внимание отведено кристаллохимическому фактору. При обсуждении 
атомного строения аморфных сплавов широко использованы данные, 
полученные с помощью современных физических методов: рентгеновской дифракции и спектроскопии, электрон-позитронной аннигиляции, 
малоуглового рассеяния рентгеновского и нейтронного излучения, 

6 

ядерного гамма-резонанса и др. Описано влияние структурного состояния аморфных сплавов на их магнитные свойства. 

В заключение не могу ни отметить, что весьма полезным было 
обсуждение 
ряда 
вопросов 
с 
проф. Белащенко Д.К., 
доц. Введенским В.Ю. и проф. Штремелем М.А. Выражаю также 
благодарность доц. Перминову А.С. и студенту гр. МФ – 97 – 3 
Теймуразу Каранадзе за большую помощь в оформлении рукописи. 

И.Кекало 
. 

7 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие современной техники вызывает потребность в поисках и разработке новых металлических материалов, обладающих не 
только более высокими свойствами, чем существующие, но и таким 
сочетанием различных по своей природе свойств (физических, механических и химических), которое не может быть достигнуто на 
базе традиционных материалов. Таким новым классом материалов 
являются аморфные металлические сплавы. 

Методом сверхбыстрой закалки расплава аморфное состояние в металлических сплавах впервые было получено в начале шестидесятых годов. Однако широкое изучение и первые попытки использования аморфных металлических сплавов в технике началось 
примерно через десять лет, когда были разработаны высокоэффективные методы их получения в виде тонкой ленты и проволоки. Наиболее распространенным и практически важным методом получения 
аморфных сплавов не только в больших количествах, но и в виде, 
пригодном для непосредственного использования в технике (например, в виде ленты), является метод закалки расплава на поверхности 
быстровращающегося металлического диска (метод спиннингования 
струи расплава). Этот и другие методы, основанные на создании контакта струи расплава с массивным вращающимся теплоприёмником, 
обеспечивает такую высокую скорость охлаждения жидкого металла 
(порядка 106 К/с), что для многих металлических материалов удается предотвратить процессы кристаллизации и получить конечный 
продукт в аморфном состоянии. Таким образом, понятие «металлическое тело» уже нельзя рассматривать как синоним понятия «кристаллическое тело», а необходимо различать два, существенно отличающихся по своей атомной структуре и свойствам, класса металлических тел – кристаллические и аморфные. 

Отсутствие в аморфных сплавах дальнего порядка в расположении атомов (трансляционной симметрии), а следовательно, отсутствие кристаллической анизотропии и таких специфических для 
кристаллических тел дефектов атомной структуры, как дислокации и 
вакансии, границы зерен и блоков, двойников и дефектов упаковки – 
есть та первопричина, которая предопределяет не только характер
8 

ные особенности свойств аморфных сплавов, но и уникальное, не 
характерное для кристаллических тел, их сочетание. 

Для аморфного состояния, которое можно рассматривать как 
предельный случай термодинамической неравновесности для твердых металлических систем (на противоположном полюсе термодинамического состояния можно расположить бездефектный кристалл), 
присуща не только близкая к идеальной атомно-структурная однородность, обусловленная отсутствием перечисленных выше дефектов с высоколокализованной избыточной энергией, но и чрезвычайно 
высокая фазово-химическая однородность. Аморфные сплавы, независимо от концентрации компонентов и их природы, представляют 
собою однофазную систему, состоящую из пересыщенного твердого 
раствора, атомная структура которого подобна атомной структуре 
переохлажденной жидкости. В них отсутствуют включения избыточной фазы, а также сильно отличающиеся по атомному строению и 
химическому составу объёмы, например, связанные с ликвацией или 
с различного рода сегрегациями. Таким образом, аморфные металлические сплавы – это система, в которой отсутствует трансляционная 
симметрия в расположении атомов и которая обладает почти идеальной атомно-структурной и фазово-химической однородностью. 
Именно эти особенности строения аморфных сплавов предопределяют характерный только для них комплекс физических, механических и химических свойств, в том числе магнитных. 

Для всех аморфных сплавов, независимо от их состава, характерны высокие прочностные свойства и высокое удельное электросопротивление, а также повышенная стойкость к воздействию 
облучения. В зависимости от природы компонентов аморфные сплавы могут обладать прекрасными функциональными свойствами, которые определяют их широкое практическое использование. Аморфные сплавы – это материалы с высокой прочностью и коррозионной 
стойкостью; это и магнитно-мягкие материалы, обладающие гистерезисными магнитными свойствами, уровень которых характерен для 
лучших кристаллических магнитно-мягких материалов (пермаллой, 
сендаст); это и материалы с инварными свойствами; это и материалы 
с особыми упругими (элинварными) и магнитомеханическими свойствами (материалы с высоким коэффициентом магнитомеханической 
связи и пьезомагнитным коэффициентом); это и материалы с особыми электрическими свойствами. 

9 

Аморфные сплавы с теми или иными выдающимися функциональными свойствами следует рассматривать не только как заменители 
существующих 
материалов 
с 
особыми 
физикомеханическими свойствами, но и как материалы для нового поколения приборов, устройств и систем, конструирование которых «подстраивается» под своеобразие и уровень физико-механических, в том 
числе и магнитных, свойств аморфных сплавов. 

В середине 60-тых годов методом закалки из расплава был 
получен ферромагнитный аморфный сплав Fe80P13C7 со свойствами 
магнитно-мягкого сплава, а уже в начале 70-тых годов было признано, что аморфные магнитно-мягкие сплавы должны сыграть важную 
роль в развитии современной техники, в первую очередь, таких ее 
отраслей, как электромашиностроение, приборостроение и радиоэлектроника. Этот прогноз полностью оправдался. И во многом потому, что аморфные магнитно-мягкие сплавы обладают не только 
высоким уровнем гистерезисных магнитных свойств, но и потому, 
что они сочетаются одновременно с комплексом других физикомеханических свойств. Современные материалы с особыми функциональными физическими свойствами (прецизионные материалы) – 
это те материалы, которые характеризуются не только заданным 
уровнем основного (функционального) свойства, например, магнитного, определяющего его применение в конкретном устройстве, но 
одновременно – ещё рядом физико-механических свойств, которые 
обеспечивают стабильное и надежное функционирование изделий в 
самых жестких условиях эксплуатации во время всего срока службы. 
Часто бывает, что достичь сочетания требуемых свойств труднее, 
чем выйти на заданный уровень основного свойства. Для магнитномягких материалов наилучшим образом этого удается достичь в случае аморфных сплавов. 

В настоящее время преобладающая доля выпускаемых промышленностью аморфных сплавов представляет собою магнитномягкие материалы. При этом наибольший объем из них составляют 
аморфные сплавы на основе железа, чаще всего применяемые в качестве сердечников для трансформаторов различного назначения. 
Аморфные магнитно-мягкие сплавы имеют чрезвычайно низкие потери на перемагничивание и высокие значения проницаемости. Их 
великолепные гистерезисные свойства сочетаются с высокой твердостью, износостойкостью и сопротивляемостью к механическим воздействиям. Они имеют высокое удельное электросопротивление, что 

10 

позволяет использовать эти материалы при повышенных частотах. 
Как известно, в традиционных кристаллических материалах обычно 
не удается достичь одновременно высокого уровня магнитных 
свойств и сопротивления пластической деформации, поскольку те 
термические обработки, которые оптимизируют магнитные свойства, 
одновременно уменьшают прочностные характеристики. Аморфные 
магнитно-мягкие сплавы лишены этого недостатка. 

В понятие «качество» прецизионного сплава все более явственно входит экономический элемент. Он наглядно проявляется в 
отношении электротехнических материалов, применяемых в качестве 
сердечников трансформаторов. Стремление реализовать все более 
высокие рабочие индукции в силовых и распределительных трансформаторах приводит к квадратичному увеличению потерь. При определенном уровне цен за энергию наступает момент, когда выигрыш за счет использования высоких индукций (это обеспечивает 
уменьшение веса и габаритов трансформаторов на единицу мощности и соответственно веса материалов, необходимых на его изготовление, в частности, меди) не будет компенсировать затраты, связанные с потерями на перемагничивание, так что понижение рабочей 
индукции может стать экономической необходимостью. Отсюда становится понятным, почему возник большой интерес к аморфным 
сплавам на основе железа, лучшие марки которых после оптимизирующих обработок имеют потери почти на порядок более низкие, 
чем рядовая анизотропная трансформаторная сталь. Применение 
аморфных сплавов в силовых и распределительных трансформаторах, хотя и приводит к некоторому их удорожанию, поскольку 
аморфные сплавы на основе железа имеют более низкую индукцию 
насыщения (1,6…1,7 Тл), чем трансформаторная сталь (2 Тл), но 
экономический выигрыш за счет резкого понижения уровня потерь в 
условиях удорожания энергоресурсов может стать решающим фактором, определяющим целесообразность применения аморфных 
сплавов. Расчеты экономистов указывают на прогрессирующую экономическую эффективность повышения цен на трансформаторы при 
условии существенного снижения потерь на перемагничивание. 

Аморфные сплавы находят широкое применение как материалы электронной техники. Уже выпускается в массовом количестве электронное оборудование, в котором используются головки для 
звуко- и видеозаписи и воспроизведения, выполненные из высококобальтовых аморфных сплавов. Основное преимущество таких голо
11 

вок – повышенная стойкость к истиранию и, как следствие этого, высокий ресурс работы оборудования. Эти аморфные сплавы широко 
используются также для импульсных малогабаритных трансформаторов, находящих применение при производстве широкой гаммы 
электронного оборудования. Аморфные сплавы могут оказать серьезную конкуренцию ферритам, применяемым в интерфейсных 
трансформаторах цифровых телекоммуникационных устройств. В 
ряде случаев оправдала себя замена магнитно-мягких высоконикелевых кристаллических сплавов на основе Fe – Ni более экономичными 
с точки зрения химического состава аморфными сплавами. 

В настоящее время уже определены наиболее перспективные 
области применения магнитно-мягких аморфных сплавов. Перечислим наиболее значимые из них: 

– сердечники для силовых и распределительных трансформаторов; 

– сердечники для измерительных и малогабаритных высокочастотных трансформаторов, выполняющих роль вторичных источников питания (в том числе для «бортовых» трансформаторов в летательных аппаратах), а также импульсных трансформаторов и трансформаторов нулевого тока; 

– сердечники для различного назначения дросселей, магнитных усилителей, модуляторов, фильтров, реле, высокочастотных регуляторов тока (например, автоматических выключателей) и контрольных устройств; 

– сердечники роторов высокочастотных генераторов и электродвигателей; 

– эластичные магнитные экраны и феррозонды; 
– головки для звуко- и видеозаписи и воспроизведения; 
– материалы для различного рода магнитомеханических преобразователей, в которых используются сильно выраженные магнитоупругие свойства аморфных сплавов. 

Таким образом, можно выделить, по крайней мере, три основных фактора, определяющих эффективность применения в широких масштабах аморфных магнитно-мягких сплавов: 

– повышение качества изделий вследствие применения 
аморфных сплавов, обладающих более высокими служебными характеристиками, чем традиционные кристаллические материалы, и 
возможность создания приборов и устройств нового поколения, па
12