СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ МАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА ИЗ МАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2002 года по МПК C21D1/04 C22F1/10 

Настоящее изобретение относится к способу термической обработки в магнитном поле магнитного компонента, например магнитного сердечника для дифференциального выключателя, который изготовлен из мягкого магнитного сплава, такого как сплав FeNiMo 15-80-5, аморфный сплав на основе Со или нанокристаллический сплав FeSiCuNbB.

Для приборов, применяемых в электротехнике, таких как трансформаторы, предназначенные для измерения или для электропитания, используют магнитные наконечники, изготовленные из магнитного материала, который выбирают с учетом его магнитных свойств, таких как магнитная проницаемость или потери. Для таких приборов форма петли гистерезиса не является главной характеристикой. Напротив, для многочисленных приборов, обрабатывающих электрические сигналы с небольшой амплитудой, например таких, как дифференциальные выключатели, источники питания с импульсной регулировкой или трансформаторы питания телефонных сетей цифровой связи, форма петли гистерезиса приобретает главное значение. Форма петли гистерезиса характеризуется, в частности, отношением Br/Bm, т.е. отношением остаточной индукции к максимальной индукции. В случае, когда отношение приблизительно больше 0,9 петля гистерезиса называется "прямоугольной". В случае, когда отношение Br/Bm меньше величины около 0,5, петля гистерезиса называется "плоской петлей". Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса используют, например, для изготовления магнитных сердечников магнитных усилителей или каскадов регулирования источников питания с импульсной регулировкой. Материалы с плоской петлей гистерезиса используют для изготовления магнитных сердечников дифференциальных выключателей, электрических фильтров или трансформаторов гальванической развязки.

Для изготовления магнитных компонентов из мягких магнитных материалов, имеющих точную, прямоугольную или плоскую петлю гистерезиса, применяют мягкие магнитные сплавы с низкими анизотропиями (коэффициенты анизотропии меньше 5000 эрг/см³ и предпочтительно менее 1000 эрг/см³), такие как сплавы FeNiMo 15-80-5, аморфные сплавы на основе Со или нанокристаллические сплавы типа FeSiCuNbB, и подвергают магнитные компоненты отжигу в интенсивном магнитном поле. Отжиг осуществляют при температуре ниже точки Кюри сплава. Магнитное поле является продольным, т. е. параллельным направлению, в котором будут измерять магнитные свойства, в случае, когда необходимо обеспечить прямоугольную петлю гистерезиса. Она является поперечной, т.е. перпендикулярной по отношению к направлению, в котором будут измерять магнитные свойства, в случае, когда необходимо обеспечить плоскую петлю гистерезиса. Магнитное поле накладывают в течение всего времени обработки и оно является постоянным. Температура и длительность обработки являются двумя параметрами, которые влияют на результат термической обработки. Эти обработки в случае, когда они осуществляются в течение длительного времени (от одного до нескольких часов), позволяют обеспечить при хорошей надежности либо очень прямоугольные петли гистерезиса (Br/Bm > 0,9), либо очень плоские петли гистерезиса (Br/Bm < 0,2). Однако они не позволяют получить с достаточной надежностью петли гистерезиса, имеющие промежуточную форму (0,3 < Br/Bm < 0,9), которые очень необходимы в некоторых приборах. Действительно, для достижения таких петель гистерезиса необходимо осуществлять отжиги в течение небольшого времени, но в этом случае результаты будут в значительной степени нестабильными как с точки зрения прямоугольной формы, так и с точки зрения проницаемости для того, чтобы можно было рассматривать возможность применения в промышленности. Действительно, необходимо обеспечить возможность одновременного контроля этих двух параметров.

Целью настоящего изобретения является устранение этого недостатка и создание средства для изготовления магнитных компонентов из магнитного мягкого сплава, имеющего петли гистерезиса, которые являются промежуточными между очень прямоугольными и очень плоскими петлями гистерезиса, т.е. которые характеризуются отношением Br/Bm в пределах от 0,3 до 0,9.

Вследствие этого, предметом изобретения является создание способа термической обработки в магнитном поле магнитного компонента из магнитного мягкого материала, например из такого, как сплав FeNiMo 15-80-5, аморфный сплав на основе Со или нанокристаллический сплав FeSiCuNbB, согласно которому осуществляют отжиг магнитного компонента при температуре ниже точки Кюри магнитного материала, и во время отжига подвергают магнитный компонент воздействию продольного или поперечного магнитного поля переменного или постоянного тока, которое накладывается в виде последовательности стробимпульсов, каждый из которых содержит первую часть, во время которой напряженность магнитного поля достигает максимальной величины, и вторую часть, во время которой напряженность магнитного поля имеет минимальную величину Предпочтительно, чтобы эта минимальная величина была меньше 25% максимальной величины поля, которое соответствует наибольшему стробимпульсу, который накладывается на магнитный компонент.

Максимальные напряженности магнитных полей двух последовательных стробимпульсов могут быть, по существу, равны или, по существу, отличаться друг от друга. В частности, для любой пары двух последовательных стробимпульсов максимальная напряженность магнитного поля второго стробимпульса может быть меньше магнитной напряженности магнитного поля первого стробимпульса таким образом, чтобы обеспечивалось уменьшение максимального магнитного поля в течение обработки. Максимальная напряженность магнитного поля осуществленного последнего стробимпульса может быть в таком случае меньше 25% максимальной напряженности магнитного поля осуществленного первого стробимпульса.

Предпочтительно, чтобы минимальная напряженность магнитного поля для каждого стробимпульса была бы равна нулю.

Также, предпочтительно, чтобы общая длительность каждого стробимпульса была бы меньше 30 минут, а длительность периода, во время которого магнитное поле имеет максимальную напряженность, была бы меньше 15 минут.

В дальнейшем изобретение будет описано более подробно со ссылками на одну прилагаемую фигуру, которая изображает изменение в зависимости от времени, от температуры и от магнитного поля, которое накладывается в процессе термической обработки магнитного компонента из магнитного сплава. Кроме того, изобретение поясняется также примерами.

Термическая обработка согласно изобретению, которая применяется для любого магнитного компонента из магнитного мягкого сплава, имеющего очень слабые анизотропии, заключается в том, что отжиг осуществляют в магнитном поле при температуре ниже точки Кюри магнитного мягкого сплава, согласно которому магнитное поле накладывается непрерывно. Эта термическая обработка в магнитном поле осуществляется в известной печи для термической термообработки в однонаправленном магнитном поле. В случае, когда, например, магнитный компонент выполнен в виде магнитного кольцеобразного сердечника, который образован из ленты, изготовленной из магнитного мягкого сплава, намотанной таким образом, что она образует тороидальный сердечник с прямоугольным поперечным сечением, магнитное поле создается либо с помощью электропроводника, через который пропускается электрический постоянный или переменный ток, на который этот тороидальный сердечник одет, или с помощью катушки, ось которой параллельна оси вращения тороидального сердечника и которая охватывает тороидальный сердечник. В первом случае, магнитное поле является продольным, т. е. оно параллельно продольной оси полосы из магнитного мягкого сплава. Во втором случае магнитное поле является поперечным, т.е. оно является параллельным поверхности ленты, но оно перпендикулярно продольной оси этой ленты.

Предпочтительно, чтобы температура отжига была бы в 0,5 раз больше температуры Кюри, выраженной в градусах стоградусной шкалы.

Процесс термической обработки, изображенный на фиг.1, включает:
- для температуры выдержку при температуре обработки θ ниже точки Кюри θ_C между пределами t₀ начала обработки и t₁ конца обработки,
- для магнитного поля последовательность стробсигналов C₁, С₂, С₃ и С₄.

Каждый стробсигнал содержит первую часть с длительностью Δt (Δt₁ для C₁, Δt₂ для С₂ и т.д.), во время которого напряженность магнитного поля имеет максимальную величину Hmax (Hmax₁ для C₁, Нmax₂ для С₂ и т.д.), и вторую часть длительности Δt′ ( для С₁, для С₂ и т.д.), в течение которого напряженность магнитного поля имеет минимальную величину Hmin (Hmin₁ для C₁, Hmin₂ для С₂ и т.д.).

В случае магнитного поля постоянного тока Hmax представляет напряженность магнитного поля. В случае поля переменного тока Hmax представляет пиковую напряженность магнитного поля (максимальную напряженность, достигаемую при каждом полупериоде переменного тока).

Изображенные стробимпульсы являются прямоугольными. Однако стробимпульсы могут быть, например, трапецеидальными или треугольными, при этом напряженность магнитного поля равномерно уменьшается в течение части стробимпульса, которая соответствует интенсивному магнитному полю.

В приведенном примере максимальные величины магнитного поля Hmax₁ и Нтах₂, которые соответствуют двум последовательным стробимпульсам C₁ и С₂, равны.

Напротив, Нmax₃ меньше Нmax₂ и больше Нmax₄. Действительно по желанию можно выбрать последовательные максимальные величины магнитного поля. В частности, эти последовательные величины могут уменьшаться в течение обработки от величины, при которой обеспечивается насыщение тороидальных сердечников во время обработки (эта величина зависит не только от марки материала, использованного для изготовления тороидальных сердечников, но также от размеров тороидальных сердечников) для того, чтобы в конце обработки получить величину, которая меньше 25% первоначальной величины.

Минимальные величины магнитного поля Hmin равны обычно нулю и в любом случае должны оставаться меньше 10% максимальной величины, которую достигло магнитное поле в процессе обработки.

Обычно длительности Δt равны приблизительно 5 минутам и предпочтительно, чтобы они были меньше 15 минут. Нет необходимости, чтобы эти величины одного и другого стробимпульса были равны друг другу. Обычно длительности Δt′ составляют приблизительно 5 минут и предпочтительно, чтобы они были меньше 30 минут.

Количество стробимпульсов может быть выбрано, по желанию, в зависимости от общей длительности обработки, которая должна предпочтительно превышать 10 минут и может достигать несколько часов. В любом случае количество стробимульсов должно быть более 2.

Согласно одному варианту выполнения некоторые стробимпульсы выполняются в продольном поле, а другие в поперечном поле.

В качестве примера мы изготовили из полосы из сплава Fe_73,5Si_13,5Nb₃Cu₁B₉ магнитные сердечники в форме тороидальных сердечников, имеющих наружный диаметр, равный 26 мм, внутренний диаметр, равный 16 мм, и толщину, равную 10 мм. Эти магнитные сердечники были предварительно подвергнуты термической обработке, во время которой они выдерживались при температуре 530^o С в течение 1 часа для того, чтобы обеспечить создание в них монокристаллической структуры, затем они подвергались различным отжигам в магнитном поле, выполненным в соответствии с изобретением. Различные способы обработки отличались температурой выдержки, величиной времени выдержки, во время которой осуществлялось воздействие магнитного поля, и направлением магнитного поля. Во всех случаях время выдержки при температуре составляло 1 час, магнитное поле было приложено в форме прямоугольных стробимпульсов, во время которых максимальная напряженность магнитного поля была достаточной для насыщения тороидальных сердечников в течение нескольких минут. Формы полученных петель гистерезиса, которые характеризовались отношением Br/Bm, представлены в таблице.

На этой таблице видно, например, что при обработке в поперечном магнитном поле в течение 25% времени и при температуре отжига, равной 250^oС, отношение Br/Bm составляло 0,35. Действительно эти величины были получены при величине, равной приблизительно +/- 0,02. Кроме того, максимальные магнитные проницаемости при 50 Гц постоянно были выше, по меньшей мере, на 25% максимальных магнитных проницаемостей при 50 Гц, которые были получены при термических обработках в магнитном поле постоянного тока, которые осуществлялись согласно известному уровню техники.

Более точно, при осуществлении отжига при 400^oС в поперечном магнитном поле, которое было наложено в форме стробимпульсов, причем интенсивное магнитное поле было наложено в течение 25% времени выдержки при температуре, мы получили отношение Br/Bm в пределах от 0,08 до 0,12 и магнитная проницаемость полного сопротивления при 50 Гц μ_max находится в пределах от 180000 до 220000.

Для сравнения, мы осуществили термическую обработку в магнитном поле согласно известному уровню техники, т.е. во время которой магнитное поле выдерживалось постоянным в течение всего периода выдержки при температуре. Эти операции термической обработки заключались в осуществлении отжига при 350^oС в перпендикулярном магнитном поле. При их выполнении были получены величины отношения Br/Bm, заключенные в пределах от 0,12 до 0,31, или же разброс значений в пять раз больше, чем в предыдущем примере. Проницаемость μ_max была в пределах от 180000 до 220000.

Изобретение относится к способу термической обработки в магнитном поле магнитного компонента, например магнитного сердечника или дифференциального выключателя из мягкого магнитного материала с низкими анизотропиями, такого как сплав FeNiMo 15-80-5, аморфный сплав на основе Со или нанокристаллический сплав FeSiCuNbB. Способ включает отжиг магнитного компонента при температуре ниже точки Кюри магнитного материала с одновременным воздействием продольного или поперечного однонаправленного постоянного или переменного магнитного поля, прикладываемого в виде последовательности стробимпульсов. Каждый из стробимпульсов имеет первую часть, во время которой напряженность магнитного поля достигает максимальной величины, и вторую часть, во время которой напряженность магнитного поля достигает минимальной величины. Техническим результатом изобретения является получение магнитного компонента из материала, характеризующегося петлей гистерезиса с отношением Br/Bm в пределах 0,3 - 0,9. 9 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ термической обработки в магнитном поле магнитного компонента из магнитного мягкого материала с низкими анизотропиями, например из такого материала, как сплав FeNiMo 15-80-5, аморфный сплав на основе Со или нанокристаллический сплав FeSiCuNbB, согласно которому осуществляют отжиг магнитного компонента при температуре ниже точки Кюри магнитного материала и подвергают во время отжига магнитный компонент воздействию продольного или поперечного однонаправленного постоянного или переменного магнитного поля, отличающийся тем, что магнитное поле прикладывают в виде последовательности стробимпульсов, каждый из которых имеет первую часть, во время которой напряженность магнитного поля достигает максимальной величины, и вторую часть, во время которой напряженность магнитного поля достигает минимальной величины. 2. Способ согласно п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере для двух последовательных стробимпульсов максимальные напряженности магнитных полей равны. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере для двух последовательных стробимпульсов максимальные напряженности отличаются друг от друга. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что максимальная напряженность магнитного поля второго стробимпульса меньше максимальной напряженности магнитного поля первого стробимпульса. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для любой пары двух последовательных стробимпульсов максимальная напряженность магнитного поля второго стробимпульса меньше максимальной напряженности магнитного поля первого стробимпульса. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что максимальная напряженность магнитного поля осуществленного последнего стробимпульса меньше 25% максимальной напряженности магнитного поля осуществленного первого стробимпульса. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что по меньшей мере для одного стробимпульса максимальная напряженность магнитного поля меньше 10% максимальной напряженности, которую достигает магнитное поле в течение обработки. 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что по меньшей мере один стробимпульс имеет общую длительность, которая меньше 30 мин. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что по меньшей мере для одного стробимпульса, общая длительность которого меньше 30 мин, длительность части, во время которой магнитное поле имеет максимальную напряженность, меньше 15 мин. 10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что общая длительность термической обработки больше 10 мин.