СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Российский патент 1998 года по МПК H01F1/04 C22C38/14 

Изобретение относится к разработке магнитно-твердых сплавов для производства постоянных магнитов, которые находят исключительно широкое применение в различных отраслях: в авиации, приборостроении, электронике, медицине, электротехнике, вычислительной технике и т.д.

В настоящее время для производства постоянных магнитов наиболее широко используются магнитно-твердые сплавы на основе системы Fe-Ni-Al-Co-Cu-Ti, так называемые сплавы ални и алнико, которые впервые были открыты в 1931 г. в Японии.

За более чем 60-летнюю историю развития этих материалов на них удалось получить магнитные свойства, которые близки к предельным: остаточную индукцию B_r ≈ 1,4 - 1,45 Тл, коэрцитивную силу H_c свыше 160 кА/м (2000 Э) и энергетическое произведение (BH)_макс более 96 кДж/м³ (12 МГс•Э). Сплавы системы Fe-Ni-Al-Co-Cu-Ti обладают такими несомненными достоинствами, как высокая температурная и временная стабильность магнитных свойств при их достаточно высоком уровне, что обеспечивает им широкое применение в науке и технике, несмотря на то, что в последнюю четверть XX столетия появились новые высокоэнергоемкие магнитно-твердые материалы на основе редкоземельных металлов, которые по величине энергетического произведения (BH)_макс превосходят их в 4 - 4,5 раза.

По современной классификации мганитнотвердые сплавы алнико в зависимости от содержания кобальта подразделяются на бескобальтовые (ални), среднекобальтовые (до 28 мас.%) и высококобальтовые (до 40 мас.%). Кобальт является самым дорогим легирующим элементом в сплавах и на 70 - 80% определяет его себестоимость, но в то же время фактически определяет их уровень магнитных свойств (в первую очередь, величину (BH)_макс). С экономической точки зрения самым эффективным сплавом из этой группы материалов является сплав ЮНДК24 (Алнико 5, Тикональ F, Тикональ 500, NKS-5 и т.д.), содержащий, мас.%: Co 24, Ni 14, Al 8, Cu 3, Fe остальное. Сплав с равноосной кристаллической структурой согласно ГОСТ 17809-72 имеет (BH)_макс = 36 кДж/м³ при B_r = 1,20 Тл и H_c = 48 кА/м (603 Э) и себестоимость 1 кДж/м³ (т.е. себестоимость сплава, отнесенная к величине (BH)_макс) на этом сплаве является одной из самых низких (ниже, чем в сплавах ЮНДК35Т5 и SmCo₅).

Проблема дальнейшего повышения экономической эффективности сплавов ЮНДК со средним содержанием кобальта является актуальной и решается вот уже в течение последних 30 лет за счет поиска более дешевых и эффективных легирующих (титана, кремния, ниобия и т.д.), снижения содержания кобальта до 17 - 18 мас. %, использования более совершенных технологий литья и термической обработки. Однако эти попытки, к сожалению, оказались недостаточно успешными. В результате многолетних усилий по разработке сплавов с более низким содержанием кобальта (например 18 мас.%) были созданы сплавы ЮНДК18 и ЮНДК18С (ГОСТ 17809-72) с (BH)_макс = 19,4 - 28 кДж/м³, B_r = 0,9 - 1,1 Тл и H_c = 44 - 55 кА/м. Но эти сплавы, как видно из приведенных данных, значительно уступают сплавам ЮНДК24.

Наиболее близким по техническому решению является решение, изложенное в патенте США (US N 4007065, кл. H 01 F 1/04, 1977), в котором представлен магнитно-твердый сплав на основе железа, содержащий, мас.%: алюминий 7,0 - 11,0; никель 14,0 - 17,0; кобальт 0,5 - 10,0; кремний 0,1 - 2,0.

Компоненты данного сплава нагревают до температуры приблизительно 1650^oC с целью образования расплава для литья, подвергают термообработке и затем старению.

С целью устранения вышеотмеченных недостатков был разработан сплав с содержанием (в мас.%) 17,0 - 17,9 Co; 7 - 8 Al; 14 - 16 Ni; 1,0 - 1,6 Si; 0,2 - 0,6 Ti и, кроме того, содержащий неконтролируемое количество примесей V, Mn, Nb, Cr, Cu в количествах до 0,5 мас.%. В качестве дополнительных легирующих добавок в сплав вводили бор, серу и мишметалл (или лантан) в количестве до 0,3 мас.%, которые практически не ухудшают магнитные свойства сплава, но заметно улучшают его механические свойства (шлифуемость), уменьшают склонность к трещинообразованию при термообработке.

Так на образцах сплава состава (в мас.%) 17,9 Co; 7,5 Al; 14 Ni; 1,5 Si; 0,3 Ti; остальное Fe с добавками B, S и La в количествах до 0,07 мас.% непосредственно сразу после литья в керамические формы, нагрева до 830^oC, охлаждения в магнитном поле до 600^oC со скоростью 7,7 - 3,8 град/мин и отпуска в температурном интервале 620 - 500^oC в течение 18 - 24 ч были получены следующие магнитные свойства: остаточная индукция B_r = 1,28 - 1,30 Тл, коэрцитивная сила H_c = 47 - 48 кА/м (590 - 605 Э) и энергетическое произведение (BH)_макс = 37 - 39,5 кДж/м³ (4,6 - 4,9 МГс • Э).

На образцах сплава, содержащего (в мас.%) 17 Co; 7,5 Al; 1,5 Ni; 1 Si; 0,45 Ti; остальное Fe, после литья в керамические формы, нагрева до 830^oC, охлаждения в магнитном поле до 600^oC со скоростью 15 град/мин и отпуска в интервале 620 - 500^oC в течение 18 - 24 ч были получены магнитные свойства: остаточная индукция B_r - 1,30 - 1,32 Тл, коэрцитивная сила H_c = 45 - 46 кА/м (560 - 580 Э) и энергетическое произведение (BH)_макс = 37 - 37,5 кДж/м³ (4,6 - 4,7 МГс • Э).

Как видно из приведенных данных, магнитные свойства предлагаемых сплавов достаточно высоки (во всяком случае практически не уступают по свойствам сплаву ЮН14ДК24 по ГОСТ 17809-72, а по величине (BH)_макс = на 40% превосходят сплав ЮНДК18С по ГОСТ 17809-72), сплав экономичен (содержит на 25 - 30% Co меньше чем сплав ЮНДК24), хорошо шлифуется на повышенных подачах резанья (без сколов), обладает высокой прокаливаемостью (в 4 - 10 раз лучшей, чем у сплава ЮНДК24) и после литья (как показали металлографические исследования) не содержит в своей микроструктуре нежелательной ГЦК γ -фазы.

Сплав относится к системе магнитно-твердых сплавов Fe-Ni-Al-Co-Cu-Ti. Сплав содержит компоненты в достаточно узких пределах и дополнительно легирован серой, бором и мишметаллом или лантаном, мас.%: Co 17,0 - 17,9; Ni 14,0 - 16,0; Al 7,0 - 8,0; Si 1,0 - 1,6; Ti 0,2 - 0,6; S 0,05 - 0,3; В 0,001 - 0,1, мишметалл или лантан 0,001 - 0,2. Сплав относится к псевдоферритному классу и обладает высокой прокаливаемостью. Сплав имеет остаточную индукцию В_r = 1,28 - 1,32 Тл, коэрцитивную силу Н_с = 45 - 48 кА/м и энергетическое произведение (ВН)_макс = 37 - 39,5 кДж/м³.

Магнитно-твердый сплав на основе железа, содержащий алюминий, никель, кобальт, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, серу, бор и мишметалл или лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кобальт - 17,0 - 17,9
Никель - 14,0 - 16,0
Алюминий - 7,0 - 8,0
Кремний - 1,0 - 1,6
Титан - 0,2 - 0,6
Сера - 0,05 - 0,3
Бор - 0,001 - 0,1
Мишметалл или La - 0,01 - 0,2
Железо - Остальноео