СПЛАВ ЖЕЛЕЗО-КОБАЛЬТ Российский патент 2003 года по МПК C22C19/07 C22C30/00 C22C38/10 

Настоящее изобретение касается сплава железо-кобальт с улучшенными механическими характеристиками.

Сплавы железо-кобальт хорошо известны в технике и характеризуются очень интересными магнитными свойствами и одновременно очень высокой хрупкостью при обычной температуре, что затрудняет их использование. В частности, сплав Fe50Co50, содержащий 50 мас. % железа и 50% кобальта, имеет очень высокую индукцию при насыщении и хорошую магнитную проницаемость, но он обладает тем неудобством, что не может быть подвергнут холодной прокатке, что делает его практически непригодным. Очень высокая хрупкость является следствием образования при температуре ниже 730^oС упорядоченной α-фазы, возникающей в результате перехода беспорядок-порядок. Этот переход беспорядок-порядок может быть задержан путем добавления ванадия, что позволяет изготовить сплав типа железо-кобальт, содержащий почти 50% кобальта и почти 50% железа, пригодный для холодной прокатки после очень энергичного резкого охлаждения.

Таким образом, был предложен сплав, содержащий около 49% кобальта и 2% ванадия, остальное - железо и примеси. Этот сплав после холодной прокатки и отжига между 720^oС и 870^oС имеет очень хорошие магнитные свойства, но обладает неудобством, заключающимся в необходимости соблюдения особых мер предосторожности во время нагрева, предшествующего резкому охлаждению, чтобы ограничить укрупнение зерен, которое ухудшает пластичность.

Чтобы облегчить нагрев перед резким охлаждением, было предложено (см. патент США 3634072) добавлять от 0,02% до 0,5% ниобия и в известных случаях от 0,07% до 0,3% циркония, чтобы ограничить укрупнение зерен во время нагрева. Сплав, полученный таким образом, имеет магнитные свойства и пластичность, сравнимые (но не лучше) со свойствами сплава, содержащего только 2% ванадия. Нагрев перед резким охлаждением более легко осуществим.

С другой стороны, было констатировано, что ванадий может быть заменен ниобием или танталом. Например, в патенте США 4933026 предложен сплав, содержащий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из ниобия и тантала, так, чтобы их сумма была заключена в пределах от 0,1 5 до 0,5 мас.%. Этот сплав обладает пластичностью, сравнимой с пластичностью предыдущего сплава, но имеет преимущество, он может быть отожжен при более высокой температуре, что позволяет получить лучшие магнитные свойства. Однако этот сплав имеет относительно низкое электрическое сопротивление, что увеличивает потери за счет индуктированных токов и ограничивает возможности его применения.

Наконец, все эти сплавы имеют механические характеристики прочности на растяжение, недостаточные для некоторых применений, например, в магнитных цепях вращающихся машин с очень высокой скоростью вращения. В самом деле, почти невозможно получить предел упругости выше 480 МПа.

Чтоб улучшить эти механические характеристики, был предложен сплав (см. заявку РСТ 96/36059), содержащий 48-50% кобальта, 1,8-2,2% ванадия, 0,15-0,5% ниобия и от 0,003% до 0,02% углерода, остальное железо и примеси. В заявке указано, что ниобий может быть полностью или частично заменен танталом из расчета 1 атом тантала на 1 атом ниобия, что, принимая во внимание соответствующие атомные массы тантала и ниобия, соответствует более чем 2 мас. % тантала на 1 мас.% ниобия. В этом сплаве ниобий (или тантал) образует вдоль границ зерен Фазы Лаве, которые препятствуют укрупнению зерен, что значительно увеличивает предел упругости, но без заметного улучшения пластичности. Например, после отжига при 720^oС предел упругости может превышать 600 МПа. Однако эти механические характеристики могут быть получены только со значительными добавками ниобия или тантала.

Значительные добавки ниобия или тантала необходимы для того, чтобы получить увеличенный предел упругости при отжиге в верхней части температурного диапазона перекристаллизации, что имеет преимущество, заключающееся в низкой чувствительности полученного результата к эффективной температуре отжига. Это решение имеет недостаток, заключающийся в уменьшении пригодности сплава к горячей прокатке.

В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки сплава железо-кобальт, обладающего одновременно пластичностью, хорошими магнитными свойствами и улучшенными механическими характеристиками, при этом имеющего хорошую пригодность к холодной прокатке.

Предметом изобретения является сплав железо-кобальт, химический состав которого содержит (мас.%):
от 35 до 55%, и предпочтительно, от 40 до 50% кобальта,
от 0,5 до 2,5%, и предпочтительно, от 1,5 до 2,2% ванадия,
по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из тантала и ниобия, в таком процентном содержании, что 0,02% ≤ Та + 2 • Nb < 0,2%, и предпочтительно, 0,03% ≤ Та + Nb ≤ 0,15%, и более предпочтительно, Nb ≤ 0,03%,
от 0,0007 до 0,007%, и предпочтительно, от 0,001% до 0,003% бора,
менее 0,05%, и предпочтительно, менее 0,007% углерода,
остальное составляют железо и примеси, появившиеся при изготовлении.

Предпочтительно, примеси, которыми являются марганец, кремний, хром, молибден, медь, никель и сера, имеют такое процентное содержание, что
Мn + Si ≤ 0,2%, Сr + Мо + Сu ≤ 0,2%, Ni ≤ 0,2% и S ≤ 0,005%
Было установлено, что когда добавляют от 0,0007% до 0,007 мас.%, или лучше от 0,001% до 0,003% бора в сплав железо-хром, содержащий, кроме того, от 0,5 до 2,5% или лучше от 1,5 до 2,2% ванадия, так же, как небольшое количество элементов, таких, как тантал и ниобий, очень заметно увеличивается предел упругости сплава, все еще сохраняя удовлетворительные магнитные характеристики и имея очень хорошую пригодность к горячей прокатке.

В качестве примера и для сравнения были получены сплавы А и Б согласно изобретению и сплав В согласно известному уровню техники. Из этих сплавов горячей прокаткой при приблизительно 1200^oС были изготовлены ленты толщиной 2 мм, которые подвергали резкой закалке путем охлаждения от 800^oС до 100^oС за время менее 1 с. Ленты, полученные таким образом, подвергали холодной прокатке, чтобы получить ленты толщиной 0,35 мм. Эти холоднокатаные ленты подвергали отжигу, согласно известному уровню техники, при температуре от 700^oС до 900^oС, чтобы придать им свойства, необходимые для применения. Измеряли полученные механические и магнитные характеристики. Было установлено, что сплавы А и Б подвергаются горячей прокатке без затруднений, то есть без появления угловых трещин.

Химические составы (остальное железо) приведены в табл. 1.

Механическими характеристиками, полученными после отжига при 725^oС, 760^oС и 850^oС, являются (Re_0,2=предел упругости; HV=твердость по Виккерсу) (см. табл.2).

Измеряемыми магнитными характеристиками являются
- величины магнитной индукции В (Тесла) для магнитных возбуждений Н постоянным током 20 Э = 1600 А/м, 50 Э = 4000 А/м и 100 Э = 8000 А/м;
- коэрцитивная сила Н_с, А/м;
- ферромагнитные потери (Вт/кг) при 400 Гц для пикового значения синусоидальной индукции 2 Тесла.

Эти величины составляют
- после отжига при 725^oС (см. табл.3;
- после отжига при 760^oС (см. табл.4);
- послe отжига при 850^oC (см. табл.5).

Эти результаты показывают, что имея магнитные свойства, очень близкие к свойствам известного сплава В, сплавы А и Б согласно изобретению имеют отчетливо более высокие механические характеристики, так как предел упругости может превосходить 500 МПа. Эти характеристики сравнимы с характеристиками, которые получают для сплавов, содержащих 0,3% ниобия.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к магнитным сплавам. Сплав железо-кобальт содержит, мас.%: 35%≤Со≤55%; 0,5%≤V ≤2,5%; 0,02%≤Та+2•Nb<0,2%; 0,0007%≤В≤0,007%; С≤0,05%; остальное - железо и примеси, появившиеся при изготовлении. Предлагаемый сплав железо-кобальт обладает пластичностью, хорошими магнитными свойствами и улучшенными механическими характеристиками. 1 с. и 7 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Сплав железо-кобальт, содержащий железо, углерод, кобальт, ванадий, сумму тантал ниобий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
35%≤Со≤55%
0,5%≤V≤2,5%
0,02%≤Та+2•Nb<0,2%
0,0007%≤В≤0,007%
С≤0,05%
остальное - железо и примеси, появившиеся при изготовлении. 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 1,5%≤V≤2,2%. 3. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит 0,03%≤Ta+Nb<0,15%. 4. Сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит Nb<0,03%. 5. Сплав по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что он содержит 0,001%≤В≤0,003%. 6. Сплав по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что он содержит С≤0,007%. 7. Сплав по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что примеси, появившиеся при изготовлении, содержатся в количестве
Mn+Si≤0,2%
Cr+Mo+Cu≤0,2%
Ni≤0,2%
S≤0,005%. 8. Сплав по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что он содержит 40%≤Со≤50%.