powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2019-1-82-90powder-432Research ArticleНаноструктурированные материалы и функциональные покрытияNanostructured Materials and Functional CoatingsФазовые превращения и свойства концентрационно-неоднородных магнитных материалов на основе системы Fe–30%Cr–27%CoPhase transformations and properties of concentration-inhomogeneous magnetic materials based on the Fe–30%Cr–27%Co systemКозвонинВ. А.KozvoninV. A.

 канд. техн. наук, инженер-технолог завода прецизионной механики.

614990, г. Пермь, ул. 25 Октября, 106.

 Cand. Sci. (Tech.), engineer-technologist of Precision mechanics plant.

614990, Perm, October 25th str., 106.

kozzzvonin@gmail.comШацовА. А.ShatsovA. A.

 Докт. техн. наук, проф. кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» (МТО).

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 

 Dr. Sci. (Tech.), prof. of the Department «Metal science, heat and laser treatment of metals».

614990, Perm, Komsomolskii pr., 29.

shatsov@pstu.ruРяпосовИ. В.RyaposovI. V.

 Канд. техн. наук, доцент кафедры МТО.

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 

Cand. Sci. (Tech.), assistant prof. of the Department «Metal science, heat and laser treatment of metals». 

614990, Perm, Komsomolskii pr., 29.

riv@mail.ruГенераловаК. Н.GeneralovaK. N.

Аспирант МТО.

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 

Postgraduate student of the Department «Metal science, heat and laser treatment of metals». 

614990, Perm, Komsomolskii pr., 29.

generalovakn_21_1992@mail.ruСпивакЛ. В.SpivakL. V.

Докт. физ.-мат. наук, проф. кафедры МТО. 

614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29. 

 Dr. Sci. (Phys.-Math.), prof. of the Department «Metal science, heat and laser treatment of metals».

614990, Perm, Komsomolskii pr., 29.

spivak@psu.ruПермская научно-производственная приборостроительная компания.РоссияPJSC «Perm Scientific Industrial Instrument-Making Company».Russian FederationПермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ).РоссияPerm National Research Polytechnic University (PNRPU).Russian Federation201921032019018290Copyright © Козвонин В.А., Шацов А.А., Ряпосов И.В., Генералова К.Н., Спивак Л.В., 20192019Козвонин В.А., Шацов А.А., Ряпосов И.В., Генералова К.Н., Спивак Л.В.Kozvonin V.A., Shatsov A.A., Ryaposov I.V., Generalova K.N., Spivak L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/432

Исследованы фазовые и структурные превращения порошкового магнитотвердого сплава системы Fe–30%Cr–27%Co– 1%Si–0,07%B с метастабильным α1+α2-фазовым составом, повышенным содержанием кобальта и высоким уровнем магнитных свойств. Плотность и коэффициент вариации концентрации основных элементов спеченных заготовок на уровне деформируемых аналогов достигнуты спеканием в α-фазе с контактным плавлением в присутствии «исчезающей» жидкой фазы, образующейся за счет добавок ферросплавов кремния и бора. Предложен кинетический подход к созданию конкурентоспособного магнитотвердого сплава с высокой долей сильномагнитной фазы. Установлено влияние добавок бора на инкубационный период образования нежелательной σ-фазы и температурный интервал концентрационного расслоения α-твердого раствора на сильномагнитную α1-фазу и слабомагнитную α2-фазу. Методами оптической микроскопии, рентгенофазового анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии определены температурно-временные параметры термической обработки сплава, включающей закалку, термомагнитную обработку (ТМО) и окончательное старение, обеспечивающие требуемое сочетание Hc и Br за счет повышения устойчивости метастабильной α-фазы до 20 мин в интервале температур спинодального распада α → α1 + α2. Наибольшее повышение магнитных свойств после ТМО, наблюдаемое на 1-й и 2-й ступенях окончательного старения, связано с дораспадом α-твердого раствора и формированием субзеренных границ. Элементы полученной структуры характеризуются субмикронными и нанометрическими размерами, коррелирующими с результатами исследований деформируемых сплавов на основе системы Fe–Cr–Co. Анизотропное α1+α2-структурное состояние, достигнутое термомагнитной обработкой, обеспечивало повышение характеристик магнитных свойств исследованного порошкового сплава 30Х27КСРА до 30 % и коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса 0,82.

The phase and structural transformations of a powder magnetically hard alloy of the system Fe–30%Cr–27%Co–1%Si–0,07%B with a metastable α1+α2 phase composition, a high content of cobalt, and a high level of magnetic properties were studied. The density and coefficient of variation of the concentration of the main elements of the sintered blanks at the level of deformable analogs are achieved by sintering in the α-phase with contact melting in the presence of a «vanishing» liquid phase formed due to the addition of silicon and boron ferroalloys. A kinetic approach to the development of a competitive hard magnetic alloy with a high proportion of the strongly magnetic phase is proposed. The effect of boron additions on the incubation period of the formation of an undesirable σ-phase and the temperature range of the concentration stratification of the α-solid solution on the strongly magnetic α1-phase and the weakly magnetic α2-phase were established. Optical microscopy, X-ray phase analysis and differential scanning calorimetry were used to determine temperature and time parameters of heat treatment of the alloy, including hardening, thermomagnetic treatment (TMT) and final aging, providing the required combination of Hc and Br by increasing the stability of the metastable α-phase up to 20 minutes in the interval temperatures of spinodal decomposition α → α1 + α2. The greatest increase in magnetic properties after TMT, observed at the 1st and 2nd steps of final aging, is related to the decomposition of the α-solid solution and the formation of subgrain boundaries. Elements of the obtained structure are characterized by submicron and nanometric sizes, which correlate with the research results on deformable alloys based on the Fe – Cr – Co system. The anisotropic α1+α2-structural state achieved by thermomagnetic treatment provided an increase in the magnetic properties of the studied 30H27KSR powder alloy to 30 % and the squareness coefficient of the magnetic hysteresis loop equal to 0,82 .

порошковые магнитыжидкофазное спеканиеFe–Cr–Coспинодальный распадметастабильная фазаσ-фазаборидыанизотропная структуратермомагнитная обработкаpowder magnetsliquid phase sinteringFe – Cr – Cospinodal decompositionmetastable phaseσ-phaseboridesanisotropic structurethermomagnetic treatmentReferencesKaneko H., Homma M., Nakamura K. New ductile permanent magnet of Fe—Cr—Co system. AIP Conf. Proc. «Magnetism and Magnetic Materials». 1971. No. 5. P. 1088—1092. http://doi.org/10.1063/1.2953814.Kaneko H., Homma M., Nakamura K. New ductile permanent magnet of Fe—Cr—Co system. AIP Conf. Proc. «Magnetism and Magnetic Materials». 1971. No. 5. P. 1088—1092. http://doi.org/10.1063/1.2953814.Homma M., Okada M., Minowa Т., Horikoshi E. Fe—Cr— Co permanent magnet alloys heat-treated in Ridge region of the miscibility Gap. IEEE Trans. Magn. Vol. Mag.17. No. 6. 1981. P. 3473—3478. http://doi.org/10.1109/ TMAG.1981.1061702.Homma M., Okada M., Minowa Т., Horikoshi E. Fe—Cr— Co permanent magnet alloys heat-treated in Ridge region of the miscibility Gap. IEEE Trans. Magn. Vol. Mag.17. No. 6. 1981. P. 3473—3478. http://doi.org/10.1109/ TMAG.1981.1061702.Жукова Э.Х., Малинина Р.И., Жуков Д.Г., Шубаков В.С., Менушенков В.П. Термическая обработка и магнитные свойства холоднодеформированного сплава 30Х15К2МТ. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2014. No. 2. С. 15—19.Zhukova E.Kh., Malinina R.I., Zhukov D.G., Shubakov V.S., Menushenkov V.P. Heat treatment and magnetic properties of cold-deformed alloy 30KH15K2MT. Met. Sci. Heat Treat. 2014. Vol. 56. No. 1—2. P. 74—77. http:// doi.org/10.1007/s11041-014-9706-0.Okada M., Thomas G., Homma M. Microstructure and magnetic properties of Fe—Cr—Co alloys. IEEE Trans. Magn. 1978. Vol. Mag.-14. No. 4. P. 245—252. http://doi. org/10.1109/TMAG.1978.1059752.Okada M., Thomas G., Homma M. Microstructure and magnetic properties of Fe—Cr—Co alloys. IEEE Trans. Magn. 1978. Vol. Mag.-14. No. 4. P. 245—252. http://doi. org/10.1109/TMAG.1978.1059752.Miller M.K., Camus P.P., Hetherington M.G. Atomic level characterization of the morphology of phases in chromindur magnetic alloys. In: Magnetic materials: microstructure and properties: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1991. Vol. 232. P. 59—64. http://doi.org/10.1557/PROC-232-59.Miller M.K., Camus P.P., Hetherington M.G. Atomic level characterization of the morphology of phases in chromindur magnetic alloys. In: Magnetic materials: microstructure and properties: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1991. Vol. 232. P. 59—64. http://doi.org/10.1557/PROC-232-59.Zhen Liang, Sun Xue yin, Xu Cheng yan, Gao Run sheng, Xu Ren gen, Qin Lu chang. Magnetic anisotropy in Fe— 25Cr—12Co—1Si alloy induced by external magnetic field. Trans. Nonferr. Met. Soc. China (Engl. ed.). 2007. Vol. 17. No. 2. P. 346—350. http://doi.org/10.1016/S10036326(07)60096-X.Zhen Liang, Sun Xue yin, Xu Cheng yan, Gao Run sheng, Xu Ren gen, Qin Lu chang. Magnetic anisotropy in Fe— 25Cr—12Co—1Si alloy induced by external magnetic field. Trans. Nonferr. Met. Soc. China (Engl. ed.). 2007. Vol. 17. No. 2. P. 346—350. http://doi.org/10.1016/S10036326(07)60096-X.Анциферов В.Н., Пещеренко С.Н., Шацов А.А. Диффузионная гомогенизация порошковых материалов системы Fe—Ni—Cr—M. Изв. вузов. Чер. металлургия. 1987. No. 9. С. 65—68Antsiferov V.N., Peshcherenko S.N., Shatsov A.A. Diffusion homogenization of powder materials of the system Fe— Ni—Cr—M. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. 1987. No. 9. P. 65—68 (In Russ.).Федорченко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И.Д. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения. Киев: Наук. думка, 1985.Fedorchenko I.M., Frantsevich I.N., Radomysel’skii I.D. Powder metallurgy. Materials, technology, properties, applications. Kiev: Nauk. dumka, 1985 (In Russ.).Szymura S., Sojka L. The effect of silicon on the structure and properties of Fe—Cr—Co permanent magnet alloys. J. Magn. Magn. Mater. 1986. No. 53. P. 379—389. http:// doi.org/10.1016/0304-8853(86)90184-8.Szymura S., Sojka L. The effect of silicon on the structure and properties of Fe—Cr—Co permanent magnet alloys. J. Magn. Magn. Mater. 1986. No. 53. P. 379—389. http:// doi.org/10.1016/0304-8853(86)90184-8.Сидорова Г.В., Корнеев В.П., Миляев И.М., Коваленко Л.В., Ефименко С.П. Исследование структурных изменений в сплаве Fe—Cr—Co на начальной стадии процесса формирования высококоэрцитивного состояния. Металлы. 1997. No. 6. С. 90—92.Sidorova G.V., Korneev V.P., Milyaev I.M., Kovalenko L.V., Efimenko S.P. Investigation of structural changes in the Fe— Cr—Co alloy at the initial stage of the formation of a highly coercive state. Metally. 1997. No. 6. P. 90—92 (In Russ.).Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: МИСИС, 1999.Gol’dshtein M.I., Grachev S.V., Veksler Yu.G. Special steel. Moscow: MISIS, 1999 (In Russ.).Миляев И.М., Пруцков М.Е., Лайшева Н.В., Миляев А.И., Юсупов В.С. О кинетике образования сигма-фазы в магнитотвердых сплавах системы Fe—Cr—Co. Металлы. 2010. No. 6. С. 73—76.Milyaev I.M., Prutskov M.E., Laisheva N.V., Milyaev A.I., Yusupov V.S. Kinetics of the σ-phase formation in Fe— Cr—Co hard magnetic alloys. Metally. 2010. No. 11. P. 1053—1055. http://doi.org/10.1134/S0036029510110108.Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. М.: Металлургия, 1986.Bannykh O.A., Budberg P.B., Alisova S.P. State diagrams of binary and multicomponent iron-based systems. Moscow: Metallurgiya, 1986 (In Russ.).Кутьин А.Б., Забильский В.В. Структура, свойства и разрушение конструкционных сталей. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.Kut’in A.B., Zabil’skii V.V. Structure, properties and destruction of structural steels. Ekaterinburg: UrO RAN, 2006 (In Russ.).Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами. Новосибирск: Наука, 1991.Savitskii A.P. Liquid phase sintering systems with interacting components. Novosibirsk: Nauka, 1991 (In Russ.).Боброва С.Н., Вакутин А.П., Тимохова А.П., Шацов А.А. Спеченные магнитомягкие стали системы железо—кремний—бор. Порошк. металлургия. 1998. No. 9. С. 35—43.Bobrova S.N., Vakutin A.P., Timokhova A.P., Shatsov A.A. Sintering of iron—silicon—boron magnetically soft steels. Powder Metall. Met. Ceram. 1998. No. 37. P. 487—494. http://doi.org/10.1007/BF02675809.Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. М.: Металлургия, 1985.Kubaschewski O. Iron-binary phase diagrams. Berlin: Springer, 1982. http://doi.org/10.1007/978-3-662-08024-5.Альтман А.Б., Гладышев П.А., Ростанаев И.Д. Технические магнитные свойства магнитомягких металлокерамических сплавов. В сб.: Электротехнические металлокерамические изделия. М.: Информэлектро, 1965. С. 22—31.Al’tman A.B., Gladyshev P.A., Rostanaev I.D. Technical magnetic properties of soft metal-ceramic alloys. In: Elektrotekhnicheskie metallokeramicheskie izdeliya. Moscow: Informelektro, 1965. P. 22—31 (In Russ.).Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСиС, 1994.Gorelik S.S., Skakov Yu.A., Rastorguev L.N. X-ray and electron-optical analysis. Moscow: MISIS, 1994 (In Russ.).Шацов А.А. Порошковые материалы системы железо—хром—кобальт. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2004. No. 4. С. 17—20.Shatsov A.A. Powder materials of the Fe—Cr—Co system. Met. Sci. Heat Treat. 2004. No. 46. P. 152—155. http://doi. org/10.1023/B:MSAT.0000036668.48856.02.Ushakova O.A., Dinislamova E.H., Gorshenkov M.V., Zhukov D.G. Structure and magnetic properties of Fe— Cr—Co nanocrystalline alloys for permanent magnets. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 586. P. 291—293. http://doi. org/10.1016/j.jallcom.2012.12.076.Ushakova O.A., Dinislamova E.H., Gorshenkov M.V., Zhukov D.G. Structure and magnetic properties of Fe— Cr—Co nanocrystalline alloys for permanent magnets. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 586. P. 291—293. http://doi. org/10.1016/j.jallcom.2012.12.076.Sun X.Y., Xu C.Y., Zhen L., Lu L.X., Qin L.-C. Spinodal decomposition in Fe—25Cr—12Co—1Si alloy under a 100 kOe magnetic field. J. Magn. Magn. Mater. 2006. No. 306. P. 69—72. http://doi.org/10.1016/j.jmmm. 2006.02.107.Sun X.Y., Xu C.Y., Zhen L., Lu L.X., Qin L.-C. Spinodal decomposition in Fe—25Cr—12Co—1Si alloy under a 100 kOe magnetic field. J. Magn. Magn. Mater. 2006. No. 306. P. 69—72. http://doi.org/10.1016/j.jmmm. 2006.02.107.

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