专利名称：一种FeCoTaZr系合金溅射靶材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种i^eCoTdr系合金溅射靶材及其制造方法，特别涉及用于制备垂直磁记录媒体的!^CoTdr系合金的软磁性膜的i^eCoTdr系合金溅射靶材及其制造方法。
背景技术：
近年来，为了适应当今信息社会的需要，提高磁记录密度方法-垂直磁记录受到广泛的重视。主要特点是将记录信息的磁化强度从以前的平行于磁记录介质膜面改变为垂直于磁记录介质膜面。这就一方面要求磁记录介质的磁各向异性具有垂直于膜面的易磁化轴，另一方面要求记录磁头的气隙磁场也垂直于磁记录介质的膜面。为了消减记录信息转变时有退磁场，这既要求膜的厚度和饱和磁化强度不要太低，又要求记录介质膜的矫顽力不要太高，以便使转变(过渡)宽度减小，从而增大磁记录密度。对于高记录密度来说，消减转变处的退磁场就显得特别重要。但是为了在超高记录密度时仍能得到足够的信号输出， 要求磁记录介质具有高的饱和磁化强度，同时也要求所记录的磁化强度具有高的热稳定性和高的居里温度。这就对薄膜材料综合性能提出更高的要求。目前垂直记录一般由基板(Al或玻璃基板)、软磁底层(NiWCr，IrMn和!^CoTdr 三层组成)、中间层(Ru)、磁记录层(CoCrPtB和TiO)、保护层(C) 7层构造。一般情况下，以上除基板外的薄膜层的成膜是采用溅射法。磁控溅射法是指在被称为靶材的母材的背面上配置永磁体，使磁通泄露到靶材的表面上，将等离子体聚束到泄露磁通领域上，使高速成膜成为可能的技术。因为磁控溅射法的特征是使磁通泄露到靶材的表面上，所以要求磁记录靶材自身的导磁率低，即透磁率(Pass ThroughFlux)要高。由于软磁底层中的!^CoTdr薄膜层的成膜的靶材是四元合金材料制备，特性是高熔点、脆性大、硬度高。目前，FeCoTa^ 系靶材的制备方法主要是部分元素预合金化后制粉和其他元素混粉热压烧结，然后机加工成型。但是这种粉末冶金制备的i^eCoTdr系靶材制备方法，存在密度低、孔隙率大、氧含量高、造价高的问题。因此，提供一种能够获得由弥散的富Ta、&元素的合金相和!^Co合金相组成的显微组织、透磁率满足使用要求、低生产成本的!^CoTdr系合金溅射靶材及其制造方法就成为急需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能够获得由弥散的富Ta、Zr元素的合金相和 FeCo合金相组成的显微组织、透磁率满足使用要求、低生产成本的i^eCoTdr系合金溅射靶材。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种i^eCoTdr系合金溅射靶材，其特征在于所述!^eCoTdr系合金溅射靶材的原子比组成式用Fiix-Coy-Tiiz-Zr1,(x+y+z)表示，其中，17彡χ彡80，17彡y彡80，2彡ζ彡15，且x+y+z < 100 ；所述!^CoTdr系合金溅射靶材的显微组织由弥散的富TaJr元素的合金相和i^eCo合金相组成。一种优选技术方案，其特征在于所述富Ta、Zr元素的合金相和i^eCo合金相的平均直径为IOOym以下。本发明的另一目的在于提供一种i^eCoTdr系合金溅射靶材的制造方法。本发明经真空感应熔炼后直接浇铸成靶坯，再经后续加工制备的!^CoTdr系靶材的显微组织是由弥散的富Ta、Zr元素的合金相和!^eCo合金相组成，透磁率(Pass ThroughFlux)满足使用要求。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种!^C0Tdr系合金溅射靶材的制造方法，其步骤如下(1)、对狗、&)、1^、&四种单质元素按照配比进行真空感应熔炼(VIM)，得到充分合金化的合金熔液；(2)真空浇铸将步骤(1)所得充分合金化的合金熔液自铸造模具开口上方直接浇铸，所述合金液体在冷却过程中的冷却速率为IO2 104°C /S。研究结果发现通过使i^eCoTa^ 系合金由熔融的液态快速冷却，一方面可以获得微观组织较均勻，细密的合金；另一方面可以降低溅射靶材的导磁率，即获得高的透磁。一种优选技术方案，其特征在于在浇铸时，所述充分合金化的合金熔液保持在熔点以上一定的温度。一种优选技术方案，其特征在于在浇铸时，所述充分合金化的合金熔液的温度为比合金熔点高50 80°C。一种优选技术方案，其特征在于在浇铸时，所述充分合金化的合金熔液的温度为 1520 1560 。一种优选技术方案，其特征在于所述铸造模具的四周由保温耐热材料制成，底部为金属铜，所述金属铜下面为冷却系统。一种优选技术方案，其特征在于所述冷却系统包括冷却水和金属制造的管道。所述的金属可以为任何普通金属。本发明的优点在于本发明为了降低i^eCoTa^ 系靶材生产成本，使用真空感应熔炼(VIM)和铸造的方法获得微观组织较均勻，细密的合金，本发明制造的靶材具有晶粒细小，显微组织均勻、一致，由富TaJr元素的合金相和!^Co合金相组成等特点，同时透磁率满足靶材使用要求，即利用铸造模具控制i^CoTdi 系合金凝固的冷却速率，保证大尺寸铸锭在凝固过程中不会由于热应力而破裂，同时形成弥散的富Ta、Zr元素的合金相和!^Co合金相组成的显微组织，透磁率满足靶材使用要求。FeCoTaZr系合金塑性差，热膨胀系数高，熔点高。用普通的金属模具铸造时，铸锭易开裂或形成微裂纹影响成品率，铸锭微观组织粗大、不均勻，合金熔液易冲蚀金属模具造成合金杂质元素含量升高；用粉末冶金的方法制备i^eCoTdr系合金靶材坯料虽然可以解决上述问题，但是生产成本大大提高。因此，通过设计铸造模具，控制!^CoTdr系合金熔液的凝固速率和凝固方式，解决了普通金属铸造的缺点，获得质量良好的!^CoTdr系合金坯料，降低了生产成本。
本发明能够提供可以进行稳定的磁控溅射的软磁层用i^eCoTdr系合金靶材，是制造像垂直记录媒体等!^CoTdr系合金薄膜的有效技术。下面通过附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
图1是本发明i^eCoTdr系合金靶材的铸造模具示意图。图2是实施例1中应用本发明模具和实施步骤生产的靶材取样位置示意图。图3-al、图3_bl、图3_a2和图3_b2是实施例1靶材样品的光学显微镜照片。图4是对比实验例1中铸锭及其取样位置示意图。图5-a和图5-b是对比实验例1中样品的光学显微镜照片。图6是对比实验例2中铸锭及其取样位置示意图。图7-a和图7-b是对比实验例2中样品的光学显微镜照片。图8-al、图8_bl、图8_a2和图8_b2是实施例2靶材样品的光学显微镜照片。
具体实施例方式本发明i^eCoTdr系合金靶材坯料的铸造模具应用的实施方式包括1、一定纯度金属原材料狗、&)、1^和^ ，经过清洗烘干以后，按一定比例放入坩埚中熔融进行充分的合金化；2、调节水冷铜模的水压，控制冷却速率；3、充分合金化的合金液体，缓慢浇注到本发明的铸模中，如图1所示；4、冷却到室温，管冷却水后出炉。图1为本发明!^CoTdr系合金靶材坯料的铸造模具示意图，其中Wl是保温耐热材料，可以使合金液体在铸造模具侧面热量尽量减少散失；部件W2是金属铜，其良好的导热能力能够使其快速吸收合金熔液的热量；W3是流动的冷却水，其目是带走金属铜板吸收合金液体的热量，使其快速凝固；W4是金属制造的管道，可由任何普通金属制造，方便加工成可通过冷却水的管道即可。在上述实施方式中，首先充分合金化形成均勻、一致的合金液体。其次调节合适的水压，控制熔融的合金液体在冷却的过程中的冷却速率，水压过小达不到细化微观组织的效果，过大容易形成大的热应力导致铸坯开裂。第三，充分合金化的合金熔液保持在熔点以上一定的温度，浇注温度优选为比合金熔点高50 80°C，温度较低容易在铜模急冷时形成“冷隔”现象，温度较高容易在铸锭中枝晶间形成微小的缩孔，影响合金的致密度。同时合金液体要缓慢浇注到本发明的铸造模具中，如图1所示，可以防止高温的合金液体冲刷模具，同时高温的合金液体自下而上实现顺序、快速凝固。这样铸坯上表面在凝固的过程中一直保持液态作为一个大的补缩源，避免形成普通铸造铸锭上部的缩孔，并在同一个水平面上基本消除了热应力的影响。这样制备的!^CoTdr系合金铸锭可直接经过后续的热处理消除应力和机加工以获得最终的!^CoTdr系合金靶材。与目前主流的粉末冶金生产 FeCoTaZr系合金靶材相比，生产成本明显降低。实施例1
将合金组成设为CO-53Fe-10Ta-5&(原子百分比)。通过将合金元素配比后在真空感应炉中熔炼，充分合金化以后，在1550°C缓慢浇注到本发明的铸造模具中，该铸造模具的结构如图1所示。冷却速率为102°C /s，凝固以后再经过后面的热处理和机加工获得直径180mm、厚7_的i^eCoTa^·系合金靶材。从靶材上切取4个15mmX 15mm的样品，取样位置如图2所示，对al、bl、a2和b2 四个样品的切割面进行机械抛光，用光学显微镜观察微观组织，金相组织分别如图3-al、图 3-bl、图3-a2和图3_b2所示。对比实验例1 通过使用普通石墨铸模，采用浇口垂直于靶材轴向，浇口在铸坯的边缘的浇注方式，示意图如图4所示，其中1为浇口。通过机械加工获得直径180mm、厚7mm Wi^eCoTdr 系合金靶材。从靶材上切取2个15mmX 15mm的样品，取样位置如图4所示，对a、b两个样品的切割面进行机械抛光，用光学显微镜观察微观组织，金相组织分别如图5-a和图5-b所
7J\ ο对比实验例2:通过使用金属铸模，采用浇口平行于靶材轴向、位于靶材中心的浇注方式，示意图如图6所示，其中2为冒口。从靶材上切取2个15mmX 15mm的样品，其取样位置如图6所示，对a、b两个样品的切割面进行机械抛光，用光学显微镜观察微观组织，金相组织分别如图7-a和图7-b所示。从图3-al、图3-bl、图3_a2和图3_b2中可以看到，微观组织是由细小的白色相——富Ta、Zr元素的高温相和黑色相——FeCo合金相组成。从靶材的中心到靶材的边缘或从靶材的溅射面到背板，可以看到微观组织比较均勻一致。对比实验例1中，由于冷却是由下而上长距离逐渐凝固，导致铸锭的上下微观组织差异较大，如图5-a和图5-b所示。对比实验例2中，铸锭在凝固过程中就已经破裂，如图6所示。对微观组织观察可以看到，在靠近金属模具的底部在i^eCo合金相的基体中高温的富Ta、& 合金相沿靶材轴向形成长的树枝晶，而上面的自由表面附近在i^eCo合金相的基体中高温的富Ta、& 合金相形成大的无取向的枝晶，如图7-a和图7-b所示。通过以上实验的对比发现，本发明的铸造模具及其铸造方法克服了对比实验例1 和2中的缺点，能够保证整个靶材的晶粒细小，微观组织均勻一致。经过热处理消除应力， 应用本发明的铸造模具及其铸造方法制备Co-53Fe-10Ta-5&合金靶材透磁率按照美国标准《the ASTM Publication F 1761-00》检测，检测结果满足使用要求。实施例2将合金组成设为C0-27i^-3Ta-5& (原子百分比)。通过将合金元素配比后在真空感应炉中熔炼，充分合金化以后，在1530°C缓慢浇注到本发明的铸模中，凝固速率为104°C /s ；凝固以后再经过后面的热处理和机加工获得直径180mm、厚7mm的 Co-27Fe-3Ta-5Zr 系合金靶材。从靶材上切取4个15mmX 15mm的样品，取样位置如图2所示，对al、bl、a2和b2 四个样品的切割面进行机械抛光，用光学显微镜观察微观组织，金相组织分别如图8-al、图 8-bl、图8-a2和图8-b2所示。
应用本发明的铸造模具及其铸造方法制备C0-27Fe-3Ta-5&合金靶材透磁率按照美国标准《the ASTM Publication F 1761-00》检测，检测结果满足使用要求。FeCoTaZr系合金溅射靶材通过把狗、Co、Ta和&四种合金通过真空感应熔炼的方式熔炼成合金溶液，然后进行快速冷却铸造合金铸坯，最后加工制成最终靶材。使用本发明的铸造模具及其铸造方法，生产大尺寸的i^eCoTa^ 系合金靶材铸锭在凝固过程中不会由于热应力而破裂，同时形成细小、弥散的富Ta、Zr元素的合金相和!^Co合金相组成的显微组织，透磁率满足靶材使用要求。实施例3将合金组成设为CO-80Fe-2Ta-Mr (原子百分比)。通过将合金元素配比后在真空感应炉中熔炼，充分合金化以后，在1560°C缓慢浇注到本发明的铸模中，冷却速率为103°C/ s ；凝固以后再经过后面的热处理和机加工获得直径180mm、厚7mm的CO-80Fe-2Ta-5&系合金靶材。从靶材上切取4个15mmX 15mm的样品，取样位置如图2所示，对al、bl、a2和b2 四个样品的切割面进行机械抛光，用光学显微镜观察微观组织，由弥散的富Ta、Zr元素的合金相和!^eCo合金相组成。应用本发明的铸造模具及其铸造方法制备CO-80Fe-2Ta-5&合金靶材透磁率按照美国标准《the ASTM Publication F 1761-00》检测，检测结果满足使用要求。实施例4将合金组成设为C0-17i^-2Ta-5& (原子百分比)。通过将合金元素配比后在真空感应炉中熔炼，充分合金化以后，在1520°C缓慢浇注到本发明的铸模中，冷却速率为5X102°C /s ；凝固以后再经过后面的热处理和机加工获得直径180mm、厚7mm的 Co-80Fe-2Ta-5Zr 系合金靶材。从靶材上切取4个15mmX 15mm的样品，取样位置如图2所示，对al、bl、a2和b2 四个样品的切割面进行机械抛光，用光学显微镜观察微观组织，由弥散的富Ta、Zr元素的合金相和!^eCo合金相组成。应用本发明的铸造模具及其铸造方法制备CO-80Fe-2Ta-5&合金靶材透磁率按照美国标准《the ASTM Publication F 1761-00》检测，检测结果满足使用要求。FeCoTaZr系合金溅射靶材通过把狗、Co、Ta和&四种合金通过真空感应熔炼的方式熔炼成合金溶液，然后进行快速冷却铸造合金铸坯，最后加工制成最终靶材。使用本发明的铸造模具及其铸造方法，生产大尺寸的i^eCoTa^ 系合金靶材铸锭在凝固过程中不会由于热应力而破裂，同时形成细小、弥散的富Ta、Zr元素的合金相和!^Co合金相组成的显微组织，透磁率满足靶材使用要求。
权利要求
1.一种!^CoTdr系合金溅射靶材，其特征在于所述!^CoTdr系合金溅射靶材的原子比组成式用Fiix-Coy-Tiiz-Zr1,(x+y+z)表示，其中，17彡χ彡80，17彡y彡80，2彡ζ彡15， 且x+y+z < 100 ；所述!^CoTdr系合金溅射靶材的显微组织由弥散的富TaJr元素的合金相和i^eCo合金相组成。
2.根据权利要求1中所述的!^CoTdr系合金溅射靶材，其特征在于所述富TaJr元素的合金相和I^eCo合金相的平均直径为100 μ m以下。
3.权利要求1或2所述的i^eCoTdr系合金溅射靶材的制造方法，其步骤如下(1)Jii^、C0、Ta、Zr四种单质元素按照配比进行真空感应熔炼，得到充分合金化的合金熔液；(2)真空浇铸将步骤(1)所得充分合金化的合金熔液自铸造模具开口上方直接浇铸， 所述合金液体在冷却过程中的冷却速率为IO2 104°C /s。
4.根据权利要求3中所述的i^eCoTdr系合金溅射靶材的制造方法，其特征在于在浇铸时，所述充分合金化的合金熔液保持在熔点以上的温度。
5.根据权利要求4中所述的i^eCoTdr系合金溅射靶材的制造方法，其特征在于所述充分合金化的合金熔液的温度为比合金熔点高50 80°C。
6.根据权利要求5中所述的i^eCoTdr系合金溅射靶材的制造方法，其特征在于所述充分合金化的合金熔液的温度为1520°C 1560°C。
7.根据权利要求3中所述的i^eCoTdr系合金溅射靶材的制造方法，其特征在于所述铸造模具的四周由保温耐热材料制成，底部为金属铜，所述金属铜下面为冷却系统。
8.根据权利要求7中所述Wi^CoTdr系合金溅射靶材的制造方法，其特征在于所述冷却系统包括冷却水和金属制造的管道。
全文摘要
本发明涉及一种FeCoTaZr系合金溅射靶材及其制造方法，FeCoTaZr系合金溅射靶材的原子比组成式用Fex-Coy-Taz-Zr100-(x+y+z)表示，其中，17≤x≤80，17≤y≤80，2≤z≤15，且x+y+z＜100；FeCoTaZr系合金溅射靶材的显微组织由弥散的富Ta、Zr元素的合金相和FeCo合金相组成。本发明制造的靶材具有晶粒细小，显微组织均匀、一致，由富Ta、Zr元素的合金相和FeCo合金相组成等特点。
文档编号C23C14/14GK102485948SQ20101058192
公开日2012年6月6日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者江轩, 王欣平, 范亮, 董亭义 申请人:北京有色金属研究总院, 有研亿金新材料股份有限公司