МАГНИТОМЯГКИЙ АМОРФНЫЙ СПЛАВ Российский патент 2006 года по МПК H01F1/153 C22C45/02 B22D11/06 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аморфным магнитомягким сплавам, получаемым в виде тончайшей ленты литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной его закалкой и используемым, в основном, для изготовления из ленты трансформаторов и дросселей.

Известен аморфный магнитомягкий сплав марки 2НСР (FeNiBSi), содержащий бор (В), кремний (Si), никель (Ni), кобальт (Со), легирующие компоненты, железо - остальное (см. "Отраслевые технические условия ТУ 14-123-149-99", Приложение №1 (справочное), таблица №1, стр. 12). Сплав марки 2НСР изготавливают в виде тончайшей ленты литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной его закалкой. Толщина получаемой ленты составляет 20-30 мкм.

Известен аморфный магнитомягкий сплав марки 84КХСР (CoBSiCrFe), содержащий бор (В), кремний (Si), железо (Fe), хром (Cr), легирующие компоненты, кобальт Со - остальное (см. "Отраслевые технические условия УТ 14-123-149-99", Приложение №1 (справочное), таблица №2, стр. 12).

Сплав марки 84КХСР изготавливают в виде тончайшей ленты литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной его закалкой. Толщина получаемой ленты составляет 20-30 мкм.

Эти сплавы в виде быстрозакаленной ленты производятся в промышленных масштабах, используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств и характеризуются наилучшим комплексом магнитных свойств (минимальные удельные потери, коэрцитивная сила и константа магнитострикции, высокие индукция насыщения и магнитная проницаемость).

Недостатком сплавов 2НСР, 84КХСР является низкая жидкотекучесть расплава, не позволяющая получать ленту различной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов (разрывов) из-за низкой поверхностной плотности ленты, и вследствие этого, низкий выход качественной готовой ленты, используемой в изготовлении тороидальных витых магнитопроводов.

Известен магнитомягкий аморфный сплав на основе системы Fe-Co-Ni, содержащий аморфизирующие элементы: бор, кремний и фосфор, а также легирующие элементы: хром, титан, молибден, ниобий, вольфрам, ванадий, марганец, германий, цирконий, медь и другие. Кроме того, он содержит барий, кальций или натрий в количестве до 0,05 вес.% (см. заявку Японии JP 2001-040460 А1, опубл. 13.02.2001г., реферат), выбранный заявителем в качестве прототипа.

Содержание серы не превышает 0,01 вес.%, содержание фосфора не превышает 0,05 вес.%, содержание углерода не превышает 0,5 вес.%.

Недостатками данного магнитомягкого аморфного сплава являются:

- недостаточная жидкотекучесть расплава, обуславливающая низкую плотность, наличие поверхностной пористости ленты, полученной из этого расплава, и вследствие этого, наличие поверхностных дефектов (разрывов) на готовой ленте;

- низкий выход качественной готовой ленты, в особенности, при использовании промышленных легирующих компонентов, загрязненных различными неметаллическими примесями;

- трудоемкость технологического процесса получения ленты без поверхностных дефектов при использовании химически чистых легирующих компонентов.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в устранении указанных недостатков, а именно в:

- повышении жидкотекучести расплава;

- повышении плотности, снижении поверхностной пористости ленты, обеспечении возможности получения ленты различной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов (разрывов) готовой ленты;

- повышении качества поверхности готовой ленты в 2-3 раза при использовании промышленных легирующих компонентов, загрязненных различными неметаллическими примесями;

- снижении трудоемкости технологического процесса получения ленты без поверхностных дефектов, как при использовании промышленных легирующих компонентов, загрязненных различными неметаллическими примесями, так и при использовании химически чистых легирующих компонентов;

- повышении эксплуатационных характеристик готовой ленты, используемой в изготовлении тороидальных витых магнитопроводов в бескаркасном исполнении.

Технический результат достигается тем, что магнитомягкий аморфный сплав на основе системы Fe-Co-Ni, получаемый в виде тончайшей ленты в процессе литья плоского потока на поверхность охлаждающего тела и скоростной его закалки, содержащий аморфизирующие элементы: бор В, кремний Si, фосфор Р, а также легирующие элементы: ванадий V, хром Cr, марганец Mn, германий Ge, цирконий Zr, ниобий Nb, молибден Мо, вольфрам W, висмут Bi, медь Cu, согласно изобретению, дополнительно содержит барий Ва, а его состав определяется формулой (Fe-Co-Ni)_а А_b L_cBa_e, где:

А - бор В, кремний Si, фосфор Р;

L - ванадий V, хром Cr, марганец Mn, германий Ge, цирконий Zr, ниобий Nb, молибден Мо, вольфрам W, висмут Bi, медь Си;

при следующем соотношении компонентов, ат.%:

12≤b≤22

0≤с≤7

0,1≤е≤0,8

а - остальное.

Предлагаемый качественный и количественный состав магнитомягкого аморфного сплава на основе системы Fe-Co-Ni, соответствующий формуле: (Fe-Co-Ni)_а А_b L_с Ва_е, где:

А - бор В, кремний Si, фосфор Р;

L - ванадий V, хром Cr, марганец Mn, германий Ge, цирконий Zr, ниобий Nb, молибден Мо, вольфрам W, висмут Bi, медь Cu;

при соотношении компонентов, ат.%: 12≤b≤22, 0≤с≤7, 0,1≤е≤0,8, а - остальное, обеспечивает повышение жидкотекучести расплава и, вследствие этого, повышение плотности, снижение поверхностной пористости ленты, а также возможность получения ленты различной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов (разрывов) готовой ленты.

Дополнительное включение в состав магнитомягкого аморфного сплава бария, обеспечивает уменьшение вязкости расплава, а также способствует удалению неметаллических включений, прежде всего неметаллических включений на основе алюминия. Удаление происходит за счет коагуляции продуктов окисления и неметаллических включений в шлаки. При истечении расплава из формирующего сопла и скоростной закалке стабилизируется ламинарное движение потока жидкости.

В результате получается лента, содержащая меньше пор, т.е. более плотная. Это в свою очередь приводит к улучшению эксплуатационных характеристик, таких как магнитные, прочностные и др.

При содержании бария менее 0,1 ат.% не достигается повышение жидкотекучести расплава и, следовательно, повышение плотности, снижение поверхностной пористости ленты, возможности получения ленты различной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов (разрывов) готовой ленты,

Увеличение содержания бария до 0,8 ат.% повышает жидкотекучесть расплава и, следовательно, поверхностную плотность готовой ленты.

Увеличение содержания бария более 0,8 ат.% приводит к ухудшению технологичности и плотности ленты (результаты испытаний приведены в таблицах 1-3).

Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом.

Изготавливают магнитомягкий аморфный сплав на основе системы Fe-Co-Ni одного из следующих составов:

(Fe-Co-Ni)_а А_b L_с Ва_е, где: А - бор В, кремний Si, фосфор Р;

L - ванадий V, хром Cr, марганец Mn, германий Ge, цирконий Zr, ниобий Nb, молибден Мо, вольфрам W, висмут Bi, медь Си;

при соотношении компонентов, ат.%: 12≤b≤22, 0≤с≤7, 0,1≤е≤0,8, а - остальное.

Для получения заданного состава используют шихтовые материалы по:

ГОСТ 16773-85Е Феррониобий низкокремнистый. Технические условия;

ГОСТ 2169-69 Кремний кристаллический. Технические условия;

ГОСТ 4757-91 Феррохром. Технические условия;

ГОСТ 5905-79 Хром металлический. Технические условия;

ГОСТ 849-97 Никель электролитический. Технические условия;

ГОСТ 859-78 Медь. Марки;

ТУ 14-1-2033-77 Железо чистое марок 008ЖР или железо конверторное. Технические условия;

ТУ 14-5-76 Хром электролитический. Технические условия;

ТУ 14-5-96-84 Ферробор марки ФБ18(л). Технические условия;

ТУ 113-12-11.106-88 Бор кристаллический (спеченный). Технические условия.

Для получения магнитомягкого аморфного сплава на основе системы Fe-Co-Ni одного из предлагаемых составов производят выплавку в вакуумной печи исходного сплава, например, одного из следующих сплавов: 2НСР, 84КХСР, 5БДСР с массой одной плавки 500 кг. Слиток измельчают, перемешивают, делят на порции-партии и порцию материала расплавляют в агрегате разливки ленты. После этого в каждую из расплавленных порций вводят барий методом модифицирования в виде лигатуры ФС65Ба1. Затем осуществляют доводку содержания компонентов сплава до заданного количества, при условии, что атомная доля бария Ва в сплаве должна быть 0,1-0,8 ат.%. Производят контроль химсостава полученного сплава на основе анализа спектральным методом с точностью до 2%.

Пример 1 конкретного осуществления.

Изготавливали несколько сплавов (Fe-Co-Ni)_а А_b L_cBa_e, в том числе сплав Fe_основаB_12,4Si_8,37Ni_0,98 Ва_0,8 (атомные%) на основе исходного сплава 2НСР для последующего получения ленты как с добавлением бария, так и без добавления бария.

Полученные из исходного сплава слитки измельчали, перемешивали, после чего делили на порции-партии по 25 кг, и эту порцию материала расплавляли в агрегате разливки ленты «СИРИУС 150/002 М». После этого в каждую из расплавленных порций вводили барий методом модифицирования в виде лигатуры ФС65Ба1, представляющей собой сплав бария с кремнием. После снятия шлака и доведения температуры расплава до оптимальной получали ленту указанных сплавов шириной 40,0 мм различной толщины в одном непрерывном цикле литья за счет изменения скорости вращения охлаждающего тела.

Содержание бария при одинаковом составе сплава варьировали от 0 до 1 ат.%. Температура расплава всех циклов получения ленты для каждого сплава была одинаковой.

Оценивали жидкотекучесть отбором литьевой спиралевидной пробы по форме, принятой в литейном производстве, изготовленной из свитой в спираль кварцевой трубки внутренним диаметром 1 мм и наружным 5 мм.

В указанную форму отливали пробу при одинаковой температуре для каждого сплава. После остывания пробы измеряли длину заполненного сплавом пространства спирали. Жидкотекучесть считали тем выше, чем больше длина спирали.

От полученной ленты отбирали качественную ленту по критериям отсутствия разрывов и качеству ее поверхности. При этом оценивали выход годного - как соотношение массы качественной ленты к массе загрузки, на основании чего делали вывод об улучшении или ухудшении технологичности получения ленты.

Плотность ленты оценивали взвешиванием куска ленты длиной 10 м и шириной 40 мм с приведением к конкретной измеренной толщине ленты каждого куска.

Результаты испытаний полученных сплавов приведены в таблице 1, где указаны содержание бария в заявленном сплаве, параметры испытания сплавов 2НСР с различным содержанием бария и концентрацией основных элементов в этом сплаве:

Fe_основаB_2,8Si_4,9Ni_1,2 (массовые%)/ Fe_основаB_12,4Si_8,37Ni_0,98 (атомные%).

Таблица 1Партия (порция)Содержание Ва, ат.%Жидкотекучесть, ммВыход годного,
%Толщина, мкмПлотность, г/см³    164,91025234205,2    265,9    165,820,129661205,9    266,3    166,230,535179206,3    266,5    166,040,828374206,2    266,4    165,451,021133205,9    265.9

Пример 2 конкретного осуществления. Изготавливали несколько сплавов (Fe-Co-Ni)_а А_b L_с Ва_е, в том числе сплав Со_основаВ_10,9Si_13,3Cr_3,6 Ni_5,0 Fe_3,96 Ва_е (атомные%) (на основе исходного сплава 84КХСР), для последующего получения ленты как с добавлением бария, так и без добавления бария.

Результаты испытаний полученных сплавов сведены в таблицу 2, где указаны содержание бария в заявленном сплаве, параметры испытания сплавов с различным содержанием бария и концентрацией основных элементов в этом сплаве:

CO_основаB_10,9Si_13,3Cr_3,6 Ni₅Fe_3,96 Ва_е (атомные%).

Таблица 2Партия (порция)Содержание Ва, ат.%Жидкотекучесть, ммВыход годного,
%Толщина, мкмПлотность, г/см³    164,91034441205,2    266,1    165,620,142052205,9    266,6    166,430,553490206,5    266,7    166,440,855692206,5    266,8    164,551,039039205,0    266,3

Пример З конкретного осуществления. Изготавливали несколько сплавов (Fe-Co-Ni) _а А_b L_с Ва_е, в том числе сплав Fe_основаВ_5,1 Р_1,3 V_1,1 Si_14,3 Nb_1,7 Zr_0,9 Mo_0,5 W_0,5 Bi_0,2 Cu_0,95 Co_1,7 Ni_1,2 Ba_e (атомные%) для последующего получения ленты как с добавлением бария, так и без добавления бария.

Результаты испытаний полученных сплавов приведены в таблице 3, где указаны содержание бария в заявленном сплаве, параметры испытания сплавов 5БДСР с различным содержанием бария и концентрацией основных элементов в этом сплаве:

Fe_основаВ_5,1 P_1,3 V_1,1 Si_14,3Nb_1,7 Zr_0,9 Мо_0,5 W_0,5 Bi_0,2 Cu_0,95Co_1,7 Ni_1,2 Ba_e (атомные%).

Таблица 3Партия (порция)Содержание Ва, ат.%Жидкотекучесть, ммВыход годного,
%Толщина, мкмПлотность, г/см³    164,71018118204,9    265,8    165,820,129577206.2    266,5    166,230,529878206,3    266,5    16⁵'⁹40,821067206,0    266.4    164,951,019825205,2    266,1

Как видно из таблиц 1-3, введение бария с концентрацией менее 0,1 ат.% не влияет на технологичность получения ленты. Увеличение концентрации бария до 0,8 ат.% улучшает жидкотекучесть и, следовательно, технологичность и плотность ленты.

Кроме того, из таблиц 1-3, видно, что оптимальная концентрация бария обеспечивает достаточную плотность получаемой ленты.

Увеличение содержания бария в сплаве более 0,8 ат.% приводит к ухудшению технологичности и плотности ленты.

Изобретение относится к металлургии, в частности к аморфным магнитомягким сплавам, используемым для изготовления трансформаторов, дросселей и тороидальных витых магнитопроводов. Заявленный магнитомягкий аморфный сплав на основе системы Fe-Co-Ni получен в виде ленты в процессе литья плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалки. Состав сплава определяется формулой (Fe-Co-Ni)_аА_bL_cBa_e, где: А - аморфизирующие элементы: В, Si, Р, а L - легирующие элементы: V, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb, Мо, W, Bi, Cu, при следующем соотношении компонентов, ат.%: 12≤b≤22; 0≤с≤7; 0,1≤е≤0,8; а - остальное. Технический результат изобретения состоит в повышении жидкотекучести расплава, повышении плотности, снижении поверхностной пористости ленты и обеспечении возможности получения ленты различной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов и разрывов. 3 табл.

Магнитомягкий аморфный сплав на основе системы Fe-Co-Ni, получаемый в виде ленты в процессе литья плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалки, отличающийся тем, что его состав определяется формулой

(Fe-Co-Ni)_аА_bL_cBa_e,

где А - аморфизирующие элементы: В, Si, Р;

L - легирующие элементы: V, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb, Мо, W, Bi, Cu;

при следующем соотношении компонентов, ат.%:

12≤b≤22;

0≤с≤7;

0,1≤е≤0,8;

а - Остальное