Файл: Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов.pdf

ще всего состоят из дискретных доменов неправильной

формы.

Таким образом, характеристики полосовых и цилиндриче­ ских доменов и условия их возникновения в значительной мере, определяются условиями кристаллизации пленок, преж­ де всего степенью термодинамического пересыщения, фазовым составом пленок и типом микроструктуры. Возникновение до­ менной структуры типа цилиндрической является характерной особенностью железо-никелевых и некоторых других пленок,

Рис. 85. Зависимость ширины полос с плотноупакованными ЦМД от тол­ щины пленок 88% Ni— 12% Fe, полученных при Тп = 650 (/), 540 (2)

и 470 °К (3)

обладающих хорошо развитой эвтектической структурой столбчатого типа.

В связи с выявлением ЦМД в железо-никелевых пленках необходимо отметить следующий факт. Наблюдение домен­ ной структуры с помощью магнитной суспензии в нормальных к поверхности пленки магнитных полях связано с некоторыми нежелательными эффектами, обусловленными дезинтеграци­ ей суспензии в отдельные капли, локализующиеся вблизи ка­ ких-либо нарушений структуры. Образование капель суспен­ зии в нормальном магнитном поле наблюдается, в частности, на поверхности немагнитной, например алюминиевой, пленки. Естественно, что подобный эффект имеет место в железо-ни­ келевых и других магнитных пленках. В связи с этим воз­ можно определенное искажение доменной структуры при выявлении ЦМД по порошковым картинам. Поэтому для ис­ ключения сомнений ЦМД желательно визуализировать элек­ тронномикроскопическим методом, как это сделали, напри­ мер, Пухальская и Джонс [381] в косоиапыленных железо­ никелевых пленках.

17. С. В. Сухвало

Ч а с т ь 11

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НА СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВОЙ СИСТЕМЫ

Г л а в а I X

ФАЗОВАЯ СТРУКТУРА СПЛАВОВ

И ПЛЕНОК СПЛАВОВ СИСТЕМЫ F e - N i- C o

§ 1. Диаграмма состояния и структура сплавов системы Fe—Ni—Со

Исследование влияния состава на свойства тонких пленок в широком диапазоне концентраций представляет прежде всего существенный теоретический интерес. Наряду с этим данные о концентрационной зависимости свойств пленок по­ лезны для самых разнообразных практических целей. Извест­ но, что непрерывное совершенствование важнейших характе­ ристик пленочных запоминающих устройств в значительной мере определяется свойством используемых магнитных мате­ риалов и их рациональным применением. В связи с этим ис­ ключительно важное значение приобретают вопросы сравни­ тельного анализа свойств различных магнитных материалов, в частности их структуры и магнитных характеристик.

Далее будет рассмотрено изменение ряда характеристик тонких пленок в пределах всего концентрационного треуголь­ ника Гиббса для сплавов железо-никель-кобальтовой систе­ мы. Такое рассмотрение будет дополнено краткой характери­ стикой указанной системы сплавов, исследованных в виде массивных образцов металлургического происхождения, вы­ плавленных в равновесных условиях.

Для удобства дальнейшего обсуждения концентрацион­ ных особенностей свойств железо-никель-кобальтовых пленок в первую очередь будет дано описание их кристаллической структуры и фазового состава.

В связи с тем что физические характеристики тонких пле­ нок, как было показано, под влиянием условий кристаллиза­ ции могут изменять свои значения в весьма широких преде­ лах, то для рассмотрения концентрационной зависимости свойств пленок был выбран строго фиксированный комплекс кристаллизационных параметров.

Все концентрационные и иные диаграммы, о которых будет идти речь далее, относятся к следующим условиям: ориенти­ рующее поле 90 э, температура подложки 570°К, плотность

258

потока пара примерно 1025 см- 2-сек-1, давление в рабочем объеме в момент напыления пленок 3• 10-6 мм рт. ст. Охлаж­ дение осажденных пленок от температуры 570 °К до комнатной проводилось в высоком вакууме в присутствии ориентирую­ щего поля. Скорость охлаждения поддерживалась постоянной и составляла 600 град/час. Напуск воздуха в рабочую камеру производился при температуре пленок, не превышающей 330 °К. В качестве исходных материалов при напылении ис­ пользовались выплавленные в вакуумной высокочастотной печи сплавы железо-никель-кобальтовой системы с вариаци­ ей содержания компонентов в 10%. Компонентами сплавов служили никель марки НО, кобальт КО и карбонильное осо­ бо чистое железо.

Взаимные сплавы железа, никеля н кобальта ферро­ магнитны в широком диапазоне составов. Особый интерес вы­ зывают следующие особенности сплавов системы Fe—Ni—Со: сравнительно высокая коррозионная устойчивость и высокая температура Кюри ряда сплавов, широкий интервал измене­ ния величины констант анизотропии и магнитострикции (включая нулевые значения) в зависимости от состава и тем­ пературы, существование в системе областей концентраций, в которых в сплавах выявляются процессы упорядочения, вос­ приимчивость к термомагнитной обработке и т. д.

* Рассматриваемая система является основой главной груп­ пы высокопроницаемых сплавов. Сочетание ряда ценных в практическом отношении физических свойств сплавов этой системы предопределяет большое внимание к изучению би­ нарных и тройных сплавов на основе железа, никеля и ко­ бальта и их практическому использованию. Вместе с тем изу­ чение физических свойств сплавов из системы представляет значительный интерес для теории ферромагнетизма. Сопо­ ставление разнообразных свойств сплавов данной системы способствует значительному углублению знаний о многих процессах и явлениях, имеющих место в ферромагнетиках.

По исследованию свойств железо-никель-кобальтовых сплавов имеется большое количество работ. В связи с пробле­ мой свойств тонких железо-никель-кобальтовых пленок необ­ ходим краткий литературный обзор работ, посвященных диаграмме состояния, структуре и некоторым характеристи­ кам сплавов системы Fe—Ni—Со. Совмещенная диаграмма состояния сплавов систем Fe—Ni—Со, Fe—Ni, Ni—Со и Fe—Со приводится на рис. 86.

Относительно подробным исследованием фазового со­ стояния трехкомпонентных сплавов системы Fe—Ni—Со методами металлографического, дилатометрического и ма­ гнитного анализов является работа [382]. По результатам этой работы на рис. 86 (в пределах концентрационного тре­

угольника) показаны температура начала фазового превра­ щения при охлаждении и изолинии точек Кюри. Указанное расположение границ между фазами в трехкомпонентных же- лезо-никель-кобальтовых сплавах было подтверждено впо­ следствии некоторыми их рентгенографическими исследова­ ниями [383]. Подтверждено также наличие в системе спла­ вов у-фазы с гранецентрированной кубической решеткой и объемноцентрированной кубической а-фазы.

В работе [383] была обнаружена е-фаза, представляющая собой гексагональную плотную структуру, подобную е-фазе кобальта.

Согласно данным [382] и [383], однофазная структура, характеризующаяся гранецентрированной у-решеткой, рас­ пространяется на очень большую область тройных сплавов, к которой примыкает также часть бинарных сплавов систем Fe—Ni и Ni—Со. Распад сплавов на две фазы происходит в области концентрации с высоким содержанием железа. Как

Рис. 86. Диаграмма фазового равновесия железо-ннкель-кобальтовых спла­ вов, выплавленных в равновесных условиях. Данные по трехкомпонентным сплавам взяты из работы [382], по двухкомпонентным железо-никелевым — [383, 388], железо-кобальтовым — [390—393], никель-кобальтовым — [391, 396, 397]. Цифрой I обозначены области жидкой фазы; 1—3 — линии солн- дус—ликвидус; 4—6 — границы магнитного превращения. Сплошными ли­ ниями обозначены границы фазовых переходов, штриховыми (в треуголь­

нике) — значения температур Кюри

260

видно из диаграммы рис. 86, с повышением температуры эта область сокращается.

В предложенном авторами [382] и другими расположении границ между фазами для тройных железо-никель-кобальто- вых сплавов не учтены сведения об упорядочивающихся сплавах, имеющих место в данной системе. Вопрос об атом­ ном упорядочении тройных сплавов данной системы и изме­ нениях в зависимости от степени порядка физических свойств этих сплавов до настоящего времени остается недостаточно изученным. Напротив, фазовое состояние бинарных сплавов системы Fe—Ni с учетом существования сверхструктуры по­ дробно исследовано в большом количестве работ. Всесторон­ ний обзор физических свойств двойных сплавов.. Fe—Ni, Ni—Со и Fe—Со имеется, например, в монографиях [48, 49]. Имеющиеся обширные сведения о структуре бинарных спла­ вов систем Fe—Ni, Ni—Со, Fe—Со позволяют выяснить неко­ торые особенности структуры тройных сплавов.

В равновесной системе Fe—Ni установлено наличие трех фаз: a -твердого раствора, непрерывного у-твердого раствора между железом и никелем и сверхструктуры Ni3Fe. На основании рентгеноструктурного анализа [383] было пока­ зано, что границы между этими фазами располагаются сле­ дующим образом: сплавы с содержанием никеля от 30 до 45% имеют структуру твердого раствора как после медленно­ го, так и после быстрого охлаждения. В результате длитель­ ного нагрева при температуре 620 °К эти сплавы распадаются на а- и у-фазы. При содержании никеля более 50% сплавы практически во всех случаях имеют структуру аустенитного твердого раствора на основе никеля. Из железо-никелевых сплавов наиболее интересными по своим свойствам являются сплавы с содержанием никеля от 40 до 90%'- В этом диапа­ зоне концентраций при медленном охлаждении в сплавах об­ разуется сверхструктура Ni3Fe [384, 385, 387]. На рис. 86 приведена диаграмма фазового равновесия двойной системы Fe—Ni, где границы фаз даны по результатам работы [388].

Область существования соединения Ni3Fe довольно точно определил Л. М. Витинг [389] на основании данных термиче­ ского анализа, изучения микроструктуры, измерения твер­ дости, удельного сопротивления и его температурного коэф­ фициента.

В работах Л. М. Витинга [387, 389] имеются также дан­ ные о характере превращения, связанного с образованием Ni3Fe. Автор указанных работ предполагает гетерогенный ха­ рактер превращения и наличие соответствующих двухфазных областей вокруг Ni3Fe.

Образование упорядочивающегося Ni3Fe оказывает глу­ бокое влияние на свойства большой области сплавов тройной

261

системы Fe—Ni—Со [388]. По-видимому, необычные магнит­ ные свойства пермаллоя (78% Ni) и прилежащих к нему трехкомпонентных сплавов объясняются определенной сте­ пенью атомного порядка в этих сплавах. Аналогичное измене­ ние свойств наблюдается также в сплавах системы ж елезокобальт в области существования сверхструктуры FeCo [386,

392, 393].

На рис. 86 приводится также диаграмма состояния двой­ ной системы Fe—Со, суммирующая результаты многих иссле­ дователей [390—393], в том числе результаты об упорядочи­ вающихся структурах в этой системе. На этой диаграмме превращения в твердом состоянии при температуре ниже 1000 °К и содержании кобальта от 20 до 78 aT.°/0i указаны по результатам работы Витинга [387]; границы а—у-двухфаз- ной области указаны на основании работ [394, 395]. О суще­ ствовании соединений ВезСо, FeCo и FeCo3 впервые было со­ общено в работах Иокояма [392], изучавшего плотность, твер­ дость, электросопротивление, термоэлектродвижущую силу, удельную теплоемкость и структуру железо-иикель-кобальто- вых сплавов. Согласно результатам Иокояма и других иссле­ дователей [387, 392, 393], упорядочивающиеся соединения Fe3Co, FeCo и FeCo3 образуются .соответственно при темпе­ ратурах ниже 840, 1000 и 750 °К в области содержания 18—32, 32—65 и 65—79 ат. %| кобальта, а г, «2- и аз-фазы являются со­ ответственно твердыми растворами на основе соединений

РезСо, FeCo и FeCo3.

В отличие от двух других краевых систем система Ni—Со не отличается какими-нибудь особыми свойствами. Первона­ чально считалось, что кобальт-никелевые сплавы ниже линии солидус представляют собой непрерывный ряд твердых раст­ воров. Впоследствии в результате рентгенографических ис­ следований, проведенных Осава [398], у сплавов системы Ni—Со в области концентрации около 30%i никеля было об­ наружено превращение гексагональной структуры в граиецентрированную кубическую [391, 396, 397]. Согласно диа­ грамме (рис. 86), трехкомпонентные железо-никель-кобальто- вые сплавы в этой концентрационной области также испыты­ вают у—е-превращение.

В свете кратко изложенных выше результатов по изуче­ нию структуры граничных систем Fe—Ni, Fe—Со и Ni—Со должна быть несколько изменена диаграмма состояния трех­ компонентных железо-никель-кобальтовых сплавов.

Первые исследования в этом направлении были проведены Кайя и Накаяма [399], которые изучали сплавы системы

Fe—Ni—Со в области пермиивара (45%; Ni—30% Fe—25%

Со). Этими авторами установлено, что при увеличении содер­ жания кобальта степень упорядоченности, которая определя­

262