НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК

534.852:621.318.13

Пруднікова Заміра Георгіївна

ШИРОКОСМУГОВІ МАГНІТНІ ГОЛОВКИ З АМОРФНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ЗАПИСУ-ВІДТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРОАКУСТИЧНИХ СИГНАЛІВ

Спеціальність 05.09.08 - Електроакустика і звукотехніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2004

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі звукотехніки та реєстрації інформації Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Розорінов Георгій Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м.Київ, професор кафедри звукотехніки та реєстрації інформації.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лейко Олександр Григорович, Державний НДІ гідроприладів, Міністерства промислової політики України, м Київ, заступник директора з наукової роботи;

кандидат технічних наук, доцент Найда Сергій Анатолійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, доцент кафедри акустики та акустоелектроніки.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “20” вересня 2004 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д.26.002.19 НТУУ "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, Київ-56, просп.Перемоги,37.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 03056, Київ-56, просп.Перемоги,37, Вченому секретарю НТУУ “КПІ”.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "16" серпня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої Ради,

кандидат технічних наук, доцент_____________________Швайченко В.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток інформаційних систем потребує постійного удосконалення методів і модернізації технічних засобів реалізації магнітного запису. Серед вимог, що пред'являються сучасною наукою і технікою до інформаційних систем, однією з головних є збільшення обсягу пам'яті та щільності запису інформації при високому рівні достовірності. У зв'язку з цим не втрачає актуальності створення апаратури цифрового магнітного запису (АЦМЗ) через її переваги в точності передачі інформації, а також можливості її подальшої обробки.

Одним з головних робочих елементів АЦМЗ, що забезпечує підвищену щільність запису і розширення діапазону робочих частот запису, є широкосмугові магнітні головки для запису-відтворення електроакустичних сигналів (ШМГ), при створенні яких ключовим моментом є вибір матеріалу для магнітопроводу. Найбільш повно забезпечують ефективну роботу ШМГ (в першу чергу, за рахунок зменшення рівня частотних втрат), аморфні магнітно-м'які сплави, беззаперечна перевага яких викликана специфікою аморфного стану, котрий, однак, за своєю природою, є метастабільним. До того ж вважалось, що через відсутність кристалічної решітки і, як слід, її дефектів аморфні тіла є ізотропними. Але це було спростовано наявністю в них локальних полів анізотропії, присутність якої різко погіршує магнітні властивості аморфних сплавів, негативно відбивається на робочих параметрах ШМГ і не гарантує надійності роботи АЦМЗ впродовж строку її служби. Тому головним питанням, що вимагає вирішення при використанні аморфних сплавів в ШМГ, є досягнення стабільності стану аморфного феромагнетику. Для цього треба експериментально встановити його дійсну структуру, тобто виявити наявність і виміряти величину локальних полів анізотропії, встановити її зв’язок з часовою та температурною нестабільністю і вивчити вплив термічної обробки при температурах ТаТх (Тх - температура кристалізації) на стабілізацію аморфного стану феромагнетику. Вплив термічної обробки на рівень анізотропії слід пов’язати з робочими характеристиками ШМГ, щоб оптимізувати магнітні властивості аморфного сплаву, одночасно мінімізувавши величину полів анізотропії, що буде гарантією надійності роботи ШМГ і АЦМЗ в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась в Національному технічному університеті України “КПІ”в рамках держбюджетних НДР: №0195U011446 (1995-1996р.р.); №0198U001415 (1998-1999р.р.) та у відповідності з держ. програмою Мінпромполітики і конверсії України від 24.09.92, Постановою Кабміну України №181-3 від 12.03.93. Експериментальні дослідження виконані в АТВТ "Марс", впроваджені і використані в АЦМЗ: "Дробь", "Аномалия-МЗ", "Магнит-У", "Тополь-ДР", "Цукат-МЗ" та ін.

Мета і задачі дослідження - розробка принципу створення стабільних і надійних ШМГ з аморфним магнітопроводом.

Метою дисертаційної роботи є:

1. Поліпшення технічних параметрів широкосмугових магнітних головок, які використовуються в апаратурі високощільного цифрового магнітного запису, шляхом застосування нового класу магнітном'яких матеріалів - аморфних сплавів.

2. Дослідження стабільності характеристик ШМГ з аморфним магнітопроводом, визначення її величини.

3. Забезпечення надійності ШМГ з аморфним магнітопроводом в АЦМЗ.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішуються наступні основні задачі:

- встановлення зв’язку між характеристиками ШМГ та аморфним станом і властивостями матеріалу магнітопроводу ШМГ для високощільного цифрового магнітного запису;

- встановлення залежності між робочими характеристиками ШМГ запису-відтворення електроакустичних сигналів і рівнем полів анізотропії в магнітопроводах;

- визначення способу оптимізації робочих характеристик ШМГ з аморфним магнітопроводом шляхом вибору матеріалу та технології виготовлення;

- встановлення величини нестабільності ШМГ з аморфним магнітопроводом впродовж всього строку їх служби в електроакустичній апаратурі;

- створення і впровадження в серійне виробництво ШМГ запису-відтворення для високощільного і достовірного цифрового магнітного запису.

Об'єктом досліджень в дисертаційній роботі є робочі характеристики ШМГ запису-відтворення з осердям із магнітном’яких сплавів.

Предметом дослідження є зразки блоків ШМГ для високощільного цифрового магнітного запису.

Методи дослідження базуються на аналізі і дослідженні передового вітчизняного і зарубіжного досліду виготовлення ШМГ, що призводить до якісно нових технологічних рішень. Для формалізації робочих характеристик ШМГ, а також конструкторсько-технологічних закономірностей використовувався апарат теорії баз даних і теорія цифрового магнітного запису. Запропоновані методи і технології досліджувались експериментально при впровадженні і промисловій експлуатації ШМГ. Ефективні магнітні поля анізотропії досліджувались методом феромагнітного резонансу (ФМР). Дослідження нестабільності у часі аморфного стану матеріалу магнітопроводів ШМГ виконувалось шляхом аналізу в часі вимірів магнітної проникності та індуктивності ШМГ. При цьому використане сучасне апаратне забезпечення.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. За рахунок створення ШМГ з магнітопроводами з аморфних сплавів підвищенні щільність і точність цифрового магнітного запису.

2. Встановлено наявність полів анізотропії в аморфних сплавах з практично нульовою магнітострикцією, виміряна їх величина, виявлений зв’язок між ними і робочими характеристиками ШМГ, і досліджено вплив відпалу.

3. Визначена величина нестабільності в часі аморфного магнітопроводу і виявлені фактори, які роблять її рівень прийнятним для використання в ШМГ. При цьому обгрунтовано і розроблено метод вимірів локальних полів анізотропії.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Дослідження виконувались з метою наступної реалізації. Результати досліджень складають основу при розробці технології виготовлення ШМГ для АЦМЗ, забезпечуючи високу точність запису - відтворення сигналу, щільність запису і надійність роботи впродовж всього строку служби.

2. Створені ШМГ з аморфним магнітопроводом для АЦМЗ: "Магнит-У" (щільність запису 656 біт/мм), "Вега-МЗ" (щільність запису 1100 біт/мм), НДР "Цукат-МЗ" ("Дробь") (щільність запису 1312 біт/мм).

3. Блоки ШМГ з осердям з аморфних сплавів використані в апаратах “Тополь-ДР”, що діють на космічних супутниках серії “БИОН”, та в цифрових реєстраторах ("Аномалия-МЗ") для інформаційно-обчислювальних комплексів, які забезпечують прецизійний багатоканальний запис цифрової і аналогової інформації при дослідженні характеристик різних об'єктів в машинобудуванні, енергетиці, медицині, геофізиці та інших галузях науки і техніки.

4. Розроблені і створені екрануючі конструкції з використанням аморфних сплавів, що забезпечують високий рівень екранування.

5. Результати досліджень використовуються при викладанні курсу лекцій в Міжнародному науково-технічному університеті (м. Київ).

Особистий внесок здобувача. В роботах, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належать:1,10- визначення температурної нестабільності аморфних сплавів у вихідному стані; 2,18,20 - виміри рівня амплітудної магнітної проникності в діапазоні частот до 3 МГц; 3,21 дослідження величини стабільності аморфних сплавів на основі кобальту впродовж 18 років спостережень; 4,19 - вибір типу аморфних сплавів; 5,8 - впровадження аморфних сплавів в апаратурі для медичних досліджень і видобутку нафти; 6 - аналіз аморфних феромагнетиків з урахуванням результатів власних досліджень; 9,12,17 - розробка режимів термічної обробки аморфних сплавів при використанні їх в ШМГ і в електромагнітних екранах; 13,15 - виміри ефективних магнітних полів в аморфних сплавах; [16] - дослідження однорідності магнітних властивостей аморфних сплавів в зоні діелектричної щілини МГ.

У колективних роботах здобувачеві належать матеріали, наукові результати, висновки, які наведені в дисертації без відповідних посилань. В практичних результатах автор приймав безпосередню участь як виконавець.

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних і експериментальних досліджень представлені і обговорювались на конференціях і семінарах з основних питань техніки магнітного запису, вдосконаленню систем магнітного запису і з проблем конструювань і технології виробництва магнітних головок, м.м. Київ, Вільнюс, 1984-1986р.р.; на Всесоюзних і Всеросійських конференціях, симпозіумах і семінарах з аморфного магнетизму, м.м. Москва, Красноярск, Самарканд, Владивосток, 1983-2003р. р.; на Всесоюзних і Всеросійській конференціях з міжнародною участю "Аморфные прецизионные сплавы: Технология.- Свойства.- Применение”, м.м. Севастополь, Ростов Великий, Москва, 1981-2000р.р.; на Міжнародній науково-практичній конференції "Екологічна і техногенна безпека", м. Харків, 2000 р; на XVIII Міжнародній школі-семінарі “Новые магнитные материалы микроэлектроники”, м. Москва, 2002 р.; на 1-му Міжнародному науковому форумі “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития-МРФ-2002”, м. Харків, 2002 р.; на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького персоналу, співробітників і студентів Міжнародного науково-технічного університету , м. Київ, 1999-2004 р.р.

Публікації. Основні результати дисертації повністю викладені в 21 друкованій роботі, в т.ч. в 7 статтях у фахових виданнях, в 1 патенті, в 6 статтях в збірниках наукових праць і тематичному збірнику, у 7 тезах доповідей.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків. Робота містить 160 сторінок, 44 рисунки, 27 таблиць, 2 додатки. Список використаних літературних джерел містить 128 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність тематики досліджень, сформульована мета роботи та задачі досліджень, наведені характеристики наукової новизни та практичної цінності отриманих результатів, показано зв'язок роботи з науковими програмами і темами.

У першому розділі “Аналіз шляхів підвищення щільності запису за рахунок вдосконалення процесу запису” викладені принципи розрахунку ШМГ з метою підвищення щільності запису. Виконано аналіз найбільш відомих вдосконалень конструкцій ШМГ і використаних матеріалів магнітопроводу, з якого слідує, що виключення (або зменшення) хвильових втрат при запису дозволяє розширити частотний діапазон майже в 2 рази. Зроблено розрахунки вихідних характеристик і показано їх зв’язок з фізичними властивостями матеріалу магнітопроводу. Оскільки вихідні характеристики МГ нерідко суттєво відрізняються від розрахункових (однією з причин чого є магнітні властивості матеріалу магнітопроводу), а більшість конструктивних параметрів МГ не піддаються безпосередньому вимірюванню, оцінювати ці параметри можливо зворотнім шляхом - за мінімальною кількістю легко і точно вимірюємих вихідних характеристик (індуктивності L, тангенсу кута втрат tg , віддачі МГ на різних частотах). По вимірах цих параметрів можна виявити частотні характеристики магнітного опору магнітопроводу і робочої щілини МГ, враховуючи вплив хвильових втрат.

Проведено аналіз сучасних магнітно-м'яких матеріалів, і визначено, що полікристалічні сплави і ферити, які традиційно використовуються для виготовлення магнітопроводів МГ, не забезпечують потрібний рівень технічних характеристик ШМГ, і в першу чергу, таких, як індуктивність, добротність та рівень частотних втрат в діапазоні до 600 кГц. Цим вимогам найбільш повно відповідають аморфні феромагнетики, які в загальній системі матеріалів з прецизійними магнітними та іншими властивостями є новим особливим класом швидкозагартованих сплавів з унікальним поєднанням фізико-механічних властивостей. Їх використання робить можливим досягнення вимагаємого рівня характеристик ШМГ, і внаслідок цього, забезпечення високої точності і щільності магнітного запису. Однак, аморфний стан за своєю природою метастабільний, і тому головною задачею, що потребує вирішення, є забезпечення стабільності аморфного стану, що буде гарантувати надійність роботи впродовж всього терміну служби ШМГ.

Загальна структурно-логічна схема роботи показана на рис.1.

У другому розділі “Виміри технічних характеристик магнітопроводів ШМГ” дано опис методик досліджень, що проводились під час виконання роботи. Крім традиційних методів оцінки властивостей прецизійних сплавів (виміри магнітних характеристик в статичному та динамічному режимах намагнічування, мікротвердості) були застосовані оригінальні методики: - вимірів ФМР з метою встановлення значень внутрішніх магнітних полів; - параметру релаксації напружень; - дослідження "air pockets". Виміри ФМР виконувались з обох сторін аморфних стрічок в поздовжньому і поперечному напрямку прикладання постійного магнітного поля. Величина резонансного поля і відстані між максимумами першої вихідної лінії поглинання виконувались експериментально. Для розрахунків використовувалась розвинена теоретична формула ФМР.

Робочі параметри ШМГ і зносостійкість досліджувались на вимірювальному стенді і в апаратурі магнітного запису-відтворення. Зносостійкість ШМГ встановлювалась з використанням спеціальних пристроїв: рахівника програмного реверсивного та вимірювального мікроскопа-профілометра. Ступінь стабільності магнітопроводів ШМГ з аморфних плавів під впливом температури і часу досліджувався на зразках аморфної

стрічки і на МГ двох- та чотирьохканальної конструкції впродовж 18 років спостережень.

У третьому розділі “Розробка і дослідження аморфних магнітопроводів ШМГ” обґрунтовано вибір типу аморфного сплаву, найбільш відповідного до вимог для магнітопроводу ШМГ. Проаналізовано сплави різних типів, і, враховуючи їх недоліки, визначено аморфні сплави систем "перехідний метал-металоїд" на кобальтовій основі (Co80-хFe5Si15Bх) з вмістом бору до 17%, леговані нікелем для підвищення магнітної проникності (5). Це ґрунтується на тому, що в області "х" біля 10 такі сплави мають близьку до нуля магнітострикцію, а зміна вмісту бору впливає на значення магнітної анізотропії. Вірність вибору підтверджено експериментальними випробуваннями ШМГ, використаними в апаратурі запису-відтворення електроакустичних сигналів в частотному діапазоні 10- 1300 кГц.

Оскільки кінцева ширина робочої щілини ШМГ зумовлює рівень хвильових втрат, який, в свою чергу, є впливовим фактором для розширення частотного діапазону електроакустичної апаратури, досліджено рельєф поверхні аморфних стрічок, т.з. "air pockets" (“ар”). Наявність і розміри “ар” через створювані ними напруження сприяють закріпленню границь доменів і магнітній анізотропії, підвищуючи коерцитивну силу (Нс). Металографічними дослідженнями і вимірами виявлено, що кількість і форма “ар” змінює товщину стрічки, а, слід, і розмір клейових з’єднань в зоні діелектричної щілини ШМГ, що веде до змін рельєфу і ширини щілини. Це збільшує рівень частотних втрат ШМГ, що звужує робочий діапазон АЦМЗ.

Висока температурна нестабільність аморфних сплавів у вихідному (загартованому) стані (відносна зміна індуктивності МГ з магнітопроводом із загартованого аморфного сплаву 84КСР в діапазоні температур -50...+800С становила +4,8...-35,1 %%) робить неможливим їх використання в магнітопроводах ШМГ без стабілізації аморфного стану за рахунок термічної обробки (відпалу). Після відпалу при температурі 3000С відносна зміна індуктивності МГ в зазначеному вище температурному діапазоні становила +1,2...-7,8 %%. Аналіз впливу термічної обробки на фізико-механічні властивості досліджених аморфних сплавів довів, що найбільш сприятливими температурами відпалу, що забезпечують релаксацію аморфної структури і, як слід, оптимальні значення і Нс (головних характеристик матеріалу магнітопроводу ШМГ), є температури, близькі до Тх (4500С), що й рекомендувалося в технічних умовах на сплав 71КНСР. Проте дисертаційними дослідженнями було доведено, що:

- по-перше, при температурі відпалу, починаючи з 3500С і вище внаслідок структурної релаксації стрімко розвивається окрихчування сплавів, яке досягає максимуму при температурах 4000С, а це робить проблемним їх використання при виготовленні магнітопроводу ШМГ;

- по-друге, ШМГ з магнітопроводом із сплаву 71КНСР, відпаленого за режимом, що забезпечував оптимальні магнітні характеристики (420-4500С), за своїми робочими параметрами не відповідали встановленим вимогам через надмірну чутливість до технологічних операцій виготовлення головки і неприпустимо високу температурну нестабільність. Таким чином, традиційні критерії оцінки (,Нс,Bs) виявилися недостатніми щодо аморфних сплавів і треба було вишукувати додаткові. Додатковим критерієм якості матеріалу магнітопроводу ШМГ, що характеризує саме аморфний стан, має стати величина локальних полів анізотропії (На), обумовлена як технологією виготовлення аморфних стрічок, так і наступною їх обробкою. Вона є ефективною характеристикою і складається з магнітної кристалографічної анізотропії, що обумовлена ближнім оточенням, та анізотропії пружних напружень, які, в свою чергу призводять до погіршення магнітних властивостей. Cуттєво змінити, (як частка, - зменшити) величину пружних напружень можна, якщо магнітострикція s має нульове значення, що технологічно важко зробити для багатьох виробників аморфних стрічок; або застосувавши термічну обробку. Треба було спочатку визначити величину ефективних магнітних полів (полів анізотропії) у вибраних аморфних сплавах, а потім встановити вплив на неї відпалу. Це уможливлювало встановлення режиму відпалу, який, мінімізувавши величину пружних напружень, забезпечив би оптимальний рівень фізико-механічних властивостей матеріалу магнітопроводу, не допускаючи при цьому погіршення робочих характеристик ШМГ.

Ефективні магнітні поля і константа магнітної анізотропії вимірювались методом ФМР на зразках стрічок аморфних сплавів різних хімічних складів та виробників. Резонансна частота ФМР для дотично намагнічених пластин визначається теоретичною формулою, з якої слідує, що з умов ФМР при фіксованій резонансній частоті 0 та відповідній до неї насиченості зразку Мs , (що виміряна магнітостатичними методами), легко одержати значення ефективних магнітних полів Н= і константи одновісної магнітної анізотропії, тобто, і полів анізотропії. Вимірами встановлено, що в усіх без виключення зразках аморфних стрічок з практично нульовою магнітострикцією існують великі (32...40 кА/м) ефективні внутрішні магнітні поля (поля анізотропії), що підтверджує припущення про існування в зразках пружних напружень технологічного походження. Розрахунками доведено, що пружні напруження в аморфних стрічках у вихідному (загартованому) стані сягають значення 103 МПа, що наближається до межі міцності аморфних сплавів.

Для встановлення впливу термічної обробки на пружні напруження зразки аморфного сплаву 71КНСР були відпалені при різних умовах: температурі (250-4500С), середовищі (повітря, вакуум), швидкостях охолодження, а також з використанням магнітного поля (термомагнітна обробка - ТМО). Методом ФМР на відпалених зразках вимірювалась величина резонансного поля (Нр) та відстань між максимумами похідної лінії поглинання (Н). Розрахунки виконувались з власної формули, що виведена з теоретичної формули ФМР: . Враховуючи, що Ms=Bs+Bвн , значення внутрішніх магнітних полів становить:

,

де 0 - резонансна частота; - гіромагнітне відношення; Н - кінцева ширина лінії поглинання ФМР; Нр - величина резонансного поля; Вs - індукція насичення зразку. Вимірами встановлено, що відпал аморфного сплаву суттєво змінює величину внутрішніх магнітних полів і полів анізотропії. Показано, що при певних температурах (250-3500С) величина цих полів зменшується, а при температурах, близьких до температури кристалізації, виникають пружні напруження, обумовлені початком кристалізації, і величина На зростає. Використання магнітного поля при відпалі також підвищує значення Ввн завдяки утворенню локальних полів магнітної анізотропії. Таким чином виміри Ввн і На довели, що підвищення температури відпалу досліджених аморфних сплавів до 420-4500С, яке оптимізує значення , не може бути ефективним при використанні їх в магнітопроводах МГ, бо одночасно сприяє значному зростанню величини локальних полів анізотропії і, як слід, збільшенню температурної і технологічної чутливості цих сплавів, сприяє їх окрихчуванню. Оптимальною температурою відпалу аморфних сплавів 71КНСР і 10-020 при їх використанні в ШМГ є 300 - 3500С.

Важливою характеристикою матеріалу для магнітопроводів МГ є його зносостійкість, вивчення якої для аморфних сплавів мало принципове значення, бо давало можливість порівняти їх, що поєднують в собі високі показники міцності, твердості і пластичності, з полікристалічними магнітно-м’якими сплавами, рівень зносостійкості у більшості з яких не відповідає вимогам сучасної апаратури магнітного запису. Встановлено, що у порівнянні з полікристалічними сплавами типу “пермалой” зносостійкість аморфних сплавів на основі кобальту залежно від складу вища у 1,5...5,0 разів, (для сплавів типу 10-02010-023 - у 3...5 разів). Збільшення температури відпалу досліджених аморфних сплавів, яке значно підвищує їх твердість, а при температурах, близьких до Тх , викликає навіть окрихчування, (як слідство структурної релаксації і досягнення квазіаморфного стану),- на зміні зносостійкості не відбивається. Проте, відпал при 300-3500С, забезпечуючи твердість HV 900 МПа, не призводить до окрихчування, зберігаючи певну пружність пластин магнітопроводу. А це робить можливим забезпечити розмір робочої щілини ШМГ 3...5 мкм, що дозволяє підвищити рівень поздовжньої щільності запису.

У четвертому розділі “Експлуатаційні характеристики ШМГ з аморфними магнітопроводами” розглянуто і проаналізовано експлуатаційні характеристики ШМГ з аморфних сплавів на основі кобальту та їх зв’язок з термічною обробкою аморфних стрічок. Встановлена певна чутливість аморфних сплавів до технологічних операцій виготовлення МГ. Так, рівень індуктивності після складання, заливки і сушки у сплавів 71КНСР і 10-020, що використовувались у вихідному стані, знижувався на 2,9 і 4,0%, а після наступного шліфування - на 32 і 20% відповідно. Після відпалу при 300-3500С відносна зміна індуктивності в процесі виготовлення МГ становила -34% та 28% (відповідно наведеним вище типам сплавів), що суттєво менше, ніж для полікристалічного пермалою 81НМА (-77%). Підвищення температури відпалу аморфних сплавів до позначок, близьких до Тх , з метою збільшення різко погіршує їх технологічну чутливість, що пояснюється пружними напруженнями, обумовленими початком кристалізації сплавів і корелює з величиною виміряних раніше ефективних магнітних полів.

Робочі параметри (добротність, індуктивність, - зняті на різних частотах, рівень частотних втрат) вимірювались на МГ двох- та чотирьохдоріжкової конструкції з магнітопроводом з аморфних сплавів різних хімічних складів та виробників. Досліди проводились на АЦМЗ електроакустичних сигналів типу “Аномалия-МЗ”. Для порівняння одна з доріжок виготовлялась з полікристалічного сплаву 81НМА. Встановлена беззаперечна перевага параметрів МГ з аморфних сплавів: абсолютні значення добротності і індуктивності МГ з аморфними сплавами у вихідному (загартованому) стані на частотах 600-1300 кГц перевищували такі ж показники для МГ із сплавом 81НМА більше, ніж у 2,2 рази. Відпал аморфних сплавів та його температура впливають на рівень електроакустичних параметрів (рис.2,3), і результати вимірів погоджуються з вимірами внутрішніх магнітних полів. Так, відпал сплаву 71КНСР при 3000С, знижуючи рівень внутрішніх магнітних полів, забезпечує збільшення добротності МГ (рис.2, крива 2) і мінімізує частотні втрати (рис.3, стовпчик 2). Підвищення ж температури відпалу до температур, близьких до початку кристалізації, хоча й збільшує значення , але також збільшує і величину полів анізотропії, що й позначається на добротності МГ, знижуючи її значення (рис.2, криві 3,4), і збільшує рівень частотних втрат (рис.3, стовпчик 3).

На рис.4 показані частотні втрати МГ з аморфних сплавів на основі кобальту, що були відпалені за встановленим оптимальним режимом (3000С для 71КНСР і 3500С для 10-020). Рівень частотних втрат для цих МГ на частоті 500 кГц становив 3-5 дБ (криві 1,2). Для порівняння показані частотні втрати сплаву Vitrovac 6025x, з максимально високим значенням 5=100 000, який був відпалений виробником (фірмою Vacuumschmelze), при температурі, близькій до Тх ,що й позначилось на неприпустимо високому рівні частотних втрат МГ (18-80 дБ) на =500 кГц (крива 3).

Встановлено, що відпал сплавів 71КНСР і 10-020 при 3000С і 3500С оптимізує і такі електроакустичні характеристики МГ, як: струм запису, ЕРС з вимірювальної стрічки.

Таким чином, проведені дослідження довели, що застосування аморфних сплавів в ШМГ дає можливість знизити рівень частотних втрат до 0-5 дБ в діапазоні робочих частот до 600 кГц. Дослідженнями підтверджено, що аморфні сплави 71КНСР і 10-020 слід

вживати у відпаленому при 300- 3500С стані. Підтверджена кореляція між величиною внутрішніх магнітних полів (полів анізотропії) і робочими характеристиками МГ.

Відповідь на запитання про те, на який термін часу можна розраховувати, використовуючи МГ з осердям з аморфних сплавів, дають дослідження впродовж тривалого часу. Часова нестабільність на часовому проміжку 18 років спостережень досліджена у вигляді зміни індуктивності МГ чотирьохдоріжкової конструкції з осердям із сплавів 71КНСР та 10-020. Відхилення індуктивності МГ від середнього багаторічного значення складає -16,5...+19,5 % для головки із загартованим сплавом 71КНСР і не перевищує значення 3% з відпаленим при 3000С. Для відпаленого при 3500С сплаву 10-020 ця величина за такий же самий термін часу має значення 2%. Таким чином, відпал аморфних сплавів 71КНСР і 10-020 при температурах, визначених в дисертації, мінімізує

метастабільність аморфного стану і забезпечує високу надійність роботи ШМГ впродовж строку їх експлуатації.

В процесі випробування різних типів аморфних сплавів виготовлялись декілька партій блоків широкосмугових магнітних головок запису і відтворення. Використання аморфних сплавів на основі кобальту (типу 10-020,10-021,10-023) дозволило виготовити і використовувати в АЦМЗ ШМГ запису-відтворення багатодоріжкової кострукції з такими робочими параметрами: кількість доріжок: 2 42; реалізуємий частотний діапазон: до 2 МГц; ресурс МГ при швидкості носія 76 см/с: 15 тис. год; ширина робочої щілини головки відтворення: 0,3-0,5мкм;- зносостійкість: у 3-5 разів більша за 81НМА.

Застосування ШМГ 14-80-доріжкової конструкції з "шаховим" розташуванням доріжок дозволило виготовити АЦМЗ самої високої категорії якості (класу), яка реалізує поздовжню щільність запису 1100-1312 біт/мм та довжини хвиль запису у 1,2.-1,3 мкм, (тактові частоти 1 МГц).

У висновках викладено основні результати дисертаційної роботи, розкрито їх наукову і практичну цінність. Підтверджено досягнення поставленої мети, розкрита практична цінність вирішених задач.

У додатках подано акти впровадження результатів роботи в виробництво АЦМЗ та креслення блоків ШМГ з магнітопроводом з аморфних сплавів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача, що має важливе народногосподарське значення - задача створення широкосмугових магнітних головок з магнітопроводом з аморфних сплавів, які забезпечують високу надійність впродовж усього строку служби. Результати дисертації, використані при створенні апаратури цифрового магнітного запису, дозволили досягти підвищену щільність запису та суттєво розширити робочий діапазон частот запису.

Основні результати виконаної роботи полягають в наступному:

1. Показано, що використання аморфних сплавів, як магнітопроводів ШМГ, дозволяє реалізувати високі точність та щільність запису в АЦМЗ. Досягнутий рівень характеристик запису-відтворення неможливий при використанні у цих цілях полікристалічних матеріалів або феритів.

2. Встановлено, що найбільш відповідним матеріалом для магнітопроводів ШМГ є аморфний сплав системи "метал-металоїд" на базі кобальту (типу 71КНСР та 10-020) з практично нульовою магнітострикцією та низьким рівнем частотних втрат.

3. Показано, що означені аморфні сплави у вихідному стані характеризуються значною часовою нестабільністю внаслідок високої чутливості вихідних сплавів до температурного впливу, що виявляється у зміні магнітних властивостей та індуктивності МГ. Виявлена нестабільність ліквідується термічною обробкою (відпалом) сплавів при температурах нижче температури кристалізації Тх.

4. Встановлено режим відпалу, який формує потрібний рівень магнітних властивостей, твердість, температурну та часову стабільність аморфного стану. Показано, що на магнітні властивості впливають температура та швидкість охолодження і не впливає середовище відпалу. Встановлено, що підвищення температури відпалу, викликаючи зростання , одночасно збільшує твердість сплавів, і при температурах, близьких до Тх , призводить до окрихчування цих сплавів. Винайдено, що збільшення твердості аморфних сплавів, не відбивається на їх зносостійкості. Визначено, що зносостійкість МГ з магнітопроводом з відпалених аморфних сплавів у 1,5...5,0 разів вища за зносостійкість МГ з магнітопроводом із полікристалічного сплаву 81НМА, незважаючи на суттєву ( на порядок) перевагу у твердості.

5. Встановлено, що в аморфних сплавах з практично нульовою магнітострикцією існують великі (32...40 кА/м) внутрішні локальні поля (поля анізотропії), обумовлені пружними напруженнями технологічного походження, на величину яких суттєво впливає наступна термічна обробка. Останнє означає, що залежність інтегральних магнітних властивостей (, Нс , Bs), що традиційно використовуються, як критерій якості термічної обробки магнітном'яких сплавів, при виборі режиму відпалу аморфних сплавів повинна бути доповнена залежністю локальної магнітної анізотропії.

6. Визначена кореляція між рівнем внутрішніх локальних полів і такими характеристиками як: чутливість аморфних сплавів до технологічного та температурного впливу, електроакустичними характеристиками МГ, часовою стабільністю. Встановлено, що величина внутрішніх магнітних полів в процесі відпалу при певних температурах (250-3500С) знижується, а при температурах, близьких до Тх , збільшується. Це дозволяє вважати величину локальних полів анізотропії додатковим критерієм оцінки аморфних сплавів для магнітопроводів ШМГ при виборі їх типу та режиму термічної обробки.

7. В результаті виконаних досліджень доведені оптимальні значення температури відпалу сплавів 71КНСР (3000С) та 10-020 (3500С). При цих температурах відпалу досягаємий рівень магнітних властивостей забезпечує вимагаємі значення робочих параметрів МГ (зокрема, індуктивності), а мінімізація величини внутрішніх магнітних полів виявляється в оптимізації часової та температурної стабільності аморфного стану.

8. Встановлена величина часової нестабільності аморфних сплавів на основі кобальту на часовому проміжку 18 років спостережень. За результатами вимірів величини на кільцевих зразках та індуктивності МГ зроблено висновок про достатньо високу надійність сплавів, відпалених при вищезазначених температурах, при подальшому використанні їх впродовж довгого часу, який значно перебільшує термін експлуатації МГ.

9. Використання рішень дисертаційної роботи дозволило виготовити ШМГ багатодоріжкової конструкції, використання яких в апаратурі цифрового запису-відтворення електроакустичних сигналів (вироби: "Дробь", "Цукат-МЗ", "Магнит-У" та ін.) дало можливість реалізувати поздовжню щільність запису 1100-1312 біт/мм та довжини хвиль запису у 1.2...1,3 мкм, ( тактові частоти 1 МГц).

МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. З.Г. Прудникова, В.К. Шляхтиченко, М.Г. Нагорный. Материалы для магнитопроводов магнитных головок // Средства связи.-1982, №3.-с.60-63 - розробка методології, технологічний супровід виготовлення магнітних головок.

2. З.Г. Прудникова, В.В. Садчиков. Нанокристаллический сплав 5БДСР для магнитопроводов широкополосных магнитных головок // Сталь.-1993-№10.-с.76-79 - розробка технології, виміри характеристик, аналіз результатів.

3. З.Г. Прудникова, В.В. Садчиков. Временная стабильность магнитных свойств аморфного сплава 71КНСР // Сталь.-1996.-№9.- с.66-67 - розробка методики вимірів.

4. В.В. Садчиков, З.Г. Прудникова. Аморфные сплавы в электромагнитных экранах // Сталь.-1997.-№4.-с.66-69 - вибір типу сплаву і створення методики вимірювань.

5. З.Г. Пруднікова, Ю.М. Бугай. Використання аморфних сплавів в апаратурі магнітного запису для медичних досліджень // Український журнал медичної техніки ї технології.-2001.-№1.- с.72-74 - дослідження аморфних сплавів в медичній апаратурі.

6. Г.Н. Розоринов, З.Г. Прудникова. Аморфные сплавы - сущность и перспективы применения //Арсенал ХХІ века.-2002.-№1,с.56-62 - аналіз результатів досліджень.

7. З.Г. Прудникова. О стабильности характеристик аморфных сплавов на основе кобальта со временем// Материаловедение.-2002.-№10.- с.22-24.

8. Ю.М. Бугай, Ю.А. Балакіров, В.М. Казанцев, З.Г. Пруднікова, В.О. Фролагін, О.В. Фролагін. Спосіб видобутку нафти // Патент України,-№36682А.-К.: УІПЛ.-2001.- 4с. -вибір типу аморних сплавів для використання в нафтовидобуванні.

9. З.Г. Прудникова, В.К. Шляхтиченко. Исследование аморфных сплавов в качестве материала магнитопровода// В темат. отрасл. сб. "Прецизионные сплавы в электротехнике и приборостроении".- М.: Металлургия.-1984.-с.10-13 -дослідження.

10. З.Г. Прудникова,В.М. Казанцев, В.А.Фролагин. Аморфные сплавы в экранирующих конструкциях для защиты от экранирующего излучения //Сб.научн. трудов междунар.научн-практ.конфер."Экологическая и техногенная безопасность".-Харьков.:ХИСП.-2000.-с.123-126. - дослідження аморфних сплавів у вихідному стані.

11. З.Г. Прудникова. Изготовление сердечников из аморфных сплавов методом фотохимфрезерования // Сборник научных трудов (часть 2) 1-го Международного радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2002.-Харьков.: АН ПРЭ, ХНУРЭ.-2002.- стр.393-394.

12. Ю.Н.Бугай, В.М.Казанцев, З.Г.Прудникова, В.А.Фролагин. Влияние термической обработки аморфных сплавов на основе кобальта на уровень электромагнитного экранирования // Сборник научных трудов (часть 2) 1-го Международного радиоэлектронного форума “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ-2002.-Харьков.: АН ПРЭ, ХНУРЭ.-2002.- стр.345-347 - розробка режимів відпалу.

13. З.Г. Прудникова, Ю.Н. Бугай. Эффективные магнитные поля в аморфных сплавах на основе кобальта // Сборник.трудов XVIII междунар.школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники”.- Москва.:РАН,.МГУ-2002.-с.721-722 -. розробка і впровадження методики вимірів; аналіз результатів.

14. З.Г.Прудникова. Влияние температуры отжига на износостойкость аморфных сплавов на основе кобальта // Сборник трудов XVIII междунар.школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники”.-Москва.:РАН,.МГУ-2002.-с.560-561.

15. З.Г.Прудникова, А.Н.Лутай, М.Г.Лысенко, Ю.Н.Рудой. Эффективные магнитные поля в магнитномягких аморфных сплавах и их связь со свойствами магнитных головок // Тез. докл. на Всесоюзн. научной конф. "Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов".-Москва.:МИСиС.-1984.-с.204-206 - аналіз вимірів.

16. Л.В. Никитин, Л.В. Миронова, З.Г. Прудникова, В.К. Шляхтиченко. Исследование рабочей поверхности магнитопровода из различных материалов// Тез. докл. Всесоюзн.семинара по аморфному магнетизму.-Владивосток.:СО АН СССР.-1986.-с.188 - розробка методології досліджень і аналіз результатів.

17. М.П. Иващенко, З.Г. Прудникова. Влияние температуры отжига аморфного сплава Co70Fe6Ni13B4Si7 на величину анизотропии упругих напряжений// Тез. докл. Всесоюзн.семинара по аморфному магнетизму.-Владивосток.:СО АН СССР.-1986.-с.153 - створення технологіі відпалу; проведення досліджень; аналіз результатів.

18. М.Г. Лысенко, З.Г. Прудникова, Ю.Н. Рудой. ФМР в аморфных фольгах вблизи температуры Кюри // Тез. докл. Всесоюзн. симпозиума по физике аморфных магнетиков.-Красноярск.:ИФ СО АН СССР.-1989.-с.9 - розробка методики вимірів.

19. Прудникова З.Г., Рудой Ю.Н. Экранирующие многослойные конструкции, использующие аморфные металлы //Тез. докл. 5-й Всесоюзн. конф. "Аморфные прецизионные сплавы: технология – свойства - применение". -Ростов Великий.:ЦНИИЧМ.-1991.-с.210-211 - вибір типу аморфних сплавів і режимів відпалу.

20. З.Г. Прудникова, В.К. Шляхтиченко. “FINEMET” в магнитных головках аппаратуры магнитной записи // Тез. докл. 5-й Всесоюзн. конф. ”Аморфные прецизионные сплавы: Технология, свойства, применение”. - Ростов Великий.:ЦНИИЧМ.-1991.-с.158-159 - виміри амплітудної магнітної проникності.

21. З.Г. Прудникова, В.В. Садчиков, В.В. Соснин, В.П. Овчаров, В.М. Казанцев. О стабильности характеристик аморфных сплавов на основе кобальта со временем// Тез. докл. 7-й Всерос. конф. "Аморфные прецизионные сплавы:“Технология-свойства-применение".- Москва.:ЦНИИЧМ.-2000.-с.155 - виконання і аналіз вимірів.

АНОТАЦІЯ

Пруднікова Заміра Георгіївна. Широкосмугові магнітні головки з аморфних сплавів для запису-відтворення електроакустичних сигналів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.09.08 - електроакустика та звукотехніка. - НТУУ "Київський політехнічний інститут", Київ, 2004.

Дисертація присвячена питанням розвитку сучасної техніки магнітного запису за рахунок використання в магнітопроводах широкосмугових магнітних головок осердя з прецизійних аморфних сплавів. Результати досліджень складають основу при розробці технології виготовлення ШМГ для АЦМЗ, забезпечуючи високу точність запису-відтворення сигналу, щільність запису і надійність роботи впродовж всього строку служби. В роботі розроблені шляхи підвищення часової та температурної стабільності аморфного стану за рахунок вибору хімічного складу, режимів термічної обробки і обґрунтування існування локальних внутрішніх магнітних полів, їх зв'язок з робочими характеристиками ШМГ.

Використання рішень дисертаційної роботи дозволило виготовити ШМГ (14-80 доріжок із "шаховим" їх розташуванням), що при застосуванні в АЦМЗ дало можливість реалізувати поздовжню щільність запису 1100-1312 біт/мм та довжини хвиль запису у 1,2...1,3 мкм (тактові частоти1МГц). Ця апаратура використовується в інформаційно-обчислювальних комплексах, які забезпечують точний та довгостроковий запис інформації.

Ключові слова: широкосмугові магнітні головки; аморфні сплави; внутрішні магнітні поля; метастабільність стану аморфних феромагнетиків; частотні втрати, магнітна проникність.

THE SUMMARY

Prudnikova Z. G. Wideband magnetic heads with amorphous alloys for record and reproduce of electrical and acoustic signals- Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the candidate of engineering science by speciality 05.09.08. - Electroacoustics and sound technique. - National Technical University of Ukraine “Kiev Politechnical Institute”, Kiev, 2004.

The dissertation is dedicated to problems of wideband magnetic recording technic development. Amorphous alloys, based on cobalt were proposed for wideband magnetic heads (WMH). Large fields of anysotrophy (inside magnetic fields) were developed in alloys with nearly zero magnetostryction. Connection of these fields with magnetic properties, temperature and time stability and with working characteristics of WMH was mounted. The reliablity of WMH with annealing amorphous alloys for a long time (18 years) is guaranteed by results of investigations. Main results of this work were used under making of WMH for apparature of figure magnetic recording, which was ensured precise and longtime recording with high density (1100-1312 bit/mm), wavelength 1,2...1,3 mcm, (clock rate 1 MHz).

Key words: Wideband magnetic heads; amorphous soft magnetic alloys; inside magnetic fields; temperature and time unstability; frequency losses; magnetic permeability.

АННОТАЦИЯ

Прудникова Замира Георгиевна. Широкополосные магнитные головки из аморфных сплавов для записи-воспроизведения электроакустичных сигналов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.08 - электроакустика и звукотехника. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2004.

Диссертация посвящена вопросам развития современной аппаратуры цифровой магнитной записи за счет использования в магнитопроводах широкополосных магнитных головок из аморфных сплавов.

Среди требований к современным информационным системам главными являются увеличение объема памяти и плотности записи информации при высокой достоверности. Реализация этих требований невозможна без использования новейших материалов, которыми являются аморфные сплавы. Но широкое использование этих сплавов в технике сегодня затруднено из-за природной метастабильности аморфных ферромагнетиков. А это вызывает опасение в степени надежности аппаратуры, в которой используются такие сплавы. Поэтому в работе были разработаны пути обеспечения достаточно высокой временной и температурной стабильности аморфного состояния за счет выбора химического состава и режимов термической обработки. Изучены особенности аморфного состояния и, в частности, обосновано существование локальных внутренних магнитных полей (полей анизотропии), обусловленность их появления и связь их величины с физическими свойствами аморфных ферромагнетиков.

Определен наиболее приемлемый тип аморфных сплавов для магнитопроводов ШМГ. Это сплавы системы "металл-металлоид" на основе кобальта (типа 71КНСР и 10-020) с практически нулевой магнитострикцией и низким уровнем частотных потерь.

Используя метод ФМР, установлено, что в аморфных сплавах с практически нулевой магнитострикцией существуют большие (32...40 кА/м) внутренние локальные поля (поля анизотропии), обусловленные упругими напряжениями технологического происхождения,