НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОНВЕРСИОННЫХ ПОКРЫТИЙ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

 

Памфилов Е.А., Пыриков П.Г., Патракова А.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)

 

Some technological aspects of formation of conversion coverings in a magnetic field are reflected.

 

При осаждении покрытия во внешнем магнитном поле, а также при циклических фазовых переходах второго рода (нагреве выше точки Кюри и последующем охлаждении) структура покрытия подвержена перемагничиванию, выраженному в образовании доменной структуры – чередующихся слоев с взаимно противоположным направлением намагниченности, которые способны конгломеративно и однонаправленно расти во внешнем магнитном поле и изменять объем материала. Магнитное взаимодействие электронов влияет на межатомные расстояния, анизотропно изменяя остаточную индукцию и линейные размеры (плотность) среды вследствие магнитострикции. При этом, в силу принципа запрета Паули, обменные силы выстраивают параллельно ориентированные моменты электронов в направлении легчайшего намагничивания: для кристаллов с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) – [100], для кристаллов с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) – [111], с гексагональной (ГПУ) – [0001].

Направленное ориентирование кристаллов покрытия возможно обеспечить управляемым внешним магнитным полем, благодаря свойству магнитной восприимчивости и магнитной анизотропии ферромагнитных и парамагнитных компонентов, входящих в состав покрытия. Это позволяет сформировать в пределах толщины покрытия регламентированную упорядоченность кристаллографических направлений легчайшего намагничивания. При этом обеспечивается анизотропия магнитных свойств покрытия, адаптированная к условиям намагничивания при эксплуатационном (внешнем) нагружении.

Таким образом, положением поля задается соответствие оси легчайшего намагничивания в кристаллах вектору магнитной индукции, что при формировании кристаллической структуры покрытия обусловливает возможность направленного ориентирования кристаллов. Формируемая регламентированная кристаллографическая упорядоченность нацелена на управление условиями намагничивания, возникающими при механической деформации внешней силой (деформирующей нагрузкой), при которой направление результирующей намагниченности оказывается однонаправленным, и упорядочения направлений легчайшего намагничивания в кристаллах, повышающего магнитную проницаемость. При этом направлением легчайшего намагничивания в условиях деформации оказывается направление приложения деформирующей нагрузки (исключительно деформация сжатием – для материалов с положительной магнитострикцией (МПМ) и деформация растяжением – для материалов с отрицательной магнитострикцией (МОМ), вектор результирующей намагниченности в которых ориентирован перпендикулярно деформирующей нагрузке, а направление превалирующей деформации доменов с ней совпадает; при этом магнитная анизотропия снижает энергию намагничивания в этом направлении.

Допуская постоянство направлений деформирующей силы и температурного градиента в поверхностных слоях покрытия можно предположить, что направление намагничивания заранее определено. Действительно, для МОМ направление упругого сжатия является направлением легчайшего намагничивания; а для МПМ – направление легчайшего намагничивания совпадает с направлением упругого растяжения. При этом растяжение МОМ и сжатие МПМ затрудняет намагничивание. Это означает, что вектор результирующей намагниченности доменов Js в  МОМ при растяжении стремится стать перпендикулярным растягивающей силе и, при этом, тело приобретает дополнительное удлинение за счет того, что каждый домен удлинен перпендикулярно вектору Js и сжат в поперечном направлении. Отмеченное характерно при деформации сжатием МПМ.

Однако, в обоих случаях сжимающая компонента поля магнитострикционных напряжений способствует уплотнению материала и повышению модуля упругости. Следовательно, требуется снизить удлинение доменов при деформации растяжением или сужение доменов при деформации сжатием за счет регламентированного упорядочения кристаллографических направлений легчайшего намагничивания в кристаллах и повышения абсолютной величины намагниченности доменов в этом направлении за счет внешнего магнитного поля в сочетании с намагничением вследствие температурного превращения при деформации. Это приведет к возрастанию компоненты сжатия поля  магнитострикционных напряжений в направлении, параллельном деформирующей нагрузке при деформации растяжением и нормальном деформирующей нагрузке при деформации сжатием, за счет сближения межатомных расстояний, повышения плотности среды и возрастания модуля упругости.

При намагничивании (размагничивании) материалов с кристаллографической упорядоченностью направлений легчайшего намагничивания работа намагничивания (размагничивания), расходуемая на преодоление препятствий, связанных с магнитной кристаллографической анизотропией, оказывается ниже, чем при намагничивании (размагничивании) квазиизотропных материалов. Таким образом, следует ожидать, что при стимулировании намагниченности, компонента сжимающих магнитострикционных напряжений возрастет, а деформация доменов от внешней (механической) нагрузки, наоборот,  снизится.

Кроме того, при намагничивании до насыщения (т.е. когда все Js- векторы доменов полностью ориентированы по направлению поля) внутри доменов остаются спины, не совпадающие с направлением Js- вектора и способствующие увеличению межатомных расстояний и объема среды. При упругом растяжении объем тела увеличивается, в результате чего, даже в отсутствие магнитного поля внутри каждого домена происходит парапроцесс, выраженный в дополнительной ориентировке спинов вдоль Js- вектора. При этом возрастает намагниченность насыщения, что обусловливает дополнительное удлинение (уменьшение модуля упругости).

Учитывая, что объемная магнитострикция парапроцесса положительна, ее существование способствует механической деформации растяжением МПМ и МОМ (в направлении компоненты растяжения) и препятствует деформации сжатием для МПМ и МОМ (в направлении компоненты сжатия).

При температурах деформации выше точки Кюри эффект сопротивляемости материала покрытия деформации за счет повышения модуля упругости сохраняется. Действительно, модуль упругости ферромагнитных материалов E_ферр. представлен разностью нормальной E_норм. и отрицательной E` составляющих.  При температурах трения в пределах точки Кюри повышение модуля упругости обеспечивается за счет уменьшения отрицательной составляющей E`, которое, вследствие парапроцесса, происходит в большей степени, чем для E_норм., чем объясняется аномальное возрастание E_ферр. по сравнению с ненамагниченными  (изотропно намагниченными) состояниями.

Для материалов с положительной магнитострикцией деформация растяжением сопровождается однонаправленным удлинением доменов при увеличении межатомных расстояний и снижении плотности среды; в перпендикулярном направлении домены сжимаются. Для повышения модуля упругости в направлении, перпендикулярном деформирующей нагрузке Р, ориентация кристаллографических направлений легчайшего намагничивания <100> (в сочетании с однонаправленным внешним магнитным полем) устанавливается нормально вектору деформирующей нагрузки Р, что создает в этом направлении дополнительную энергию намагничивания, снижает энергию положительной магнитострикции парапроцесса (за счет переориентирования результирующего вектора намагниченности) и удлинение доменов. При этом модуль упругости в направлении, перпендикулярном деформирующей нагрузке, возрастает.

Для материалов с отрицательной магнитострикцией деформация сжатием сопровождается однонаправленным сужением доменов и их растяжением в перпендикулярном направлении. При этом в направлении, перпендикулярном деформирующей нагрузке Р, возникает напряженное состояние растяжения, при котором модуль упругости снижается.  Для повышения модуля упругости в этом направлении ориентация кристаллографических направлений легчайшего намагничивания <111> (в сочетании с однонаправленным внешним магнитным полем) устанавливается нормально вектору деформирующей нагрузки Р, что создает в этом направлении дополнительную энергию намагничивания, сжатие доменов, обусловливающее уменьшение межатомных расстояний в плоскости, нормальной деформирующей нагрузке Р и повышает модуль упругости в направлении, нормальном Р.

При деформации сжатием материалов с положительной магнитострикцией и растяжением для материалов с отрицательной магнитострикцией возникает естественное конкурирующее соотношение результирующей намагниченности доменов с направлением их удлинения, ориентирующихся взаимно перпендикулярно. Поэтому для повышения плотности среды и модуля упругости в направлениях, перпендикулярном и параллельном вектору деформирующей нагрузки Р для материалов с положительной и отрицательной магнитострикцией соответственно, направления легчайшего намагничивания в кристаллах (направление намагничивания внешним полем) устанавливают по направлению вектора результирующей намагниченности доменов Js перпендикулярно деформирующей нагрузке Р. При этом эффект повышения модуля упругости обеспечивается по аналогичным закономерностям.

Для оптимизации режимов осаждения материалов покрытий требуется всесторонний учет особенностей поведения анизотропных структур при различных схемах механического и температурного нагружения.  В этой связи, в числе перспективным является решение контактных задач со спецификой принятых моделей конверсионных многослойных формирований.