АМОРФНЫЙ МАГНИТОМЯГКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА Российский патент 2009 года по МПК C22C19/07 H01F1/153 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в производстве различных электромагнитных компонентов и устройств, в частности, высокочастотных импульсных трансформаторов, в системах телекоммуникаций с цифровыми линиями связи, трансформаторах тока электронных счетчиков электроэнергии, противопожарных датчиках и т.д.

Известен «Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта», содержащий кобальт, железо, марганец и аморфизатиры в виде кремния и бора, при этом он содержит компоненты в следующих соотношениях, ат.%:

Кобальт 71-73,5 Железо 2,7-4,7 Марганец не более 2,3 Хром не более 1,7 Кремний 12,8-13,3 Бор 8,6…9,2

При следующих соотношениях между ними, ат.%:

Fe+Mn = 4,5-5,2;

(Fe+Mn)/(Co+Fe+Mn)=0,059-0,066;

Cr+Si+B-22-24.

Патент РФ №2162899, МКИ С22С 45/04, 19/07, дата публ. 2001.02.10

Известен «Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта», содержащий кобальт, железо, никель, бор, кремний и хром, при этом он дополнительно содержит церий, иттрий и цирконий при следующем содержании компонентов, ат.%:

Железо 1,8-4 Никель 6,2-8 Бор 8-10 Кремний 10-12 Церий 0,6-1,2 Иттрий 0,2-0,8 Хром 2-3,5 Цирконий 0,5-1,5 Кобальт Остальное

Патент РФ №2273680, МКИ С22С 45/04, 19/07; H01F 1/153, дата публ. 2006.04.10

Известен «Магнитный сплав на основе кобальта» (Co_1-xFe_x)_100-a-b-cM_aSi_bB_c, где М - один или несколько компонентов из группы, содержащей Ni, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Та, Ru, Ti, Zr, а индексы имеют следующие значения: х=0-0,2; а=0-20; b=5-20; с=5-20; b+c=5-30 ат.%, причем более 80% структуры сплава является аморфной.

Патент US №4188211, МКИ С22С 19/00, 1980 г.

Наиболее близким аналогом по составу компонентов к заявляемому изобретению является «Ленточный сердечник для работы в слабых магнитных полях», выполненный из аморфного сплава на основе кобальта, содержащего железо, кремний, бор, один или несколько компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам, при этом сплав содержит компоненты при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Железо 2-5 Кремний 10-19 Бор 9-15 Один или несколько компонентов из группы,   содержащей титан, ванадий, хром, марганец,   никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, 2-5 гафний, тантал, вольфрам   Кобальт остальное

причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25-30 ат.%:

Патент РФ №2009248, МКИ С22С 19/07, дата публ 1994.03.15.

К техническому результату относится улучшение магнитных свойств аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта путем оптимального подбора компонентов сплава в определенных пределах и регулирования соотношения между ними, при этом полученный сплав обладает одновременно высокой магнитной проницаемостью и магнитной индукцией при сохранении околонулевой магнитострикции.

Технический результат достигается тем, что в аморфном магнитомягком сплаве на основе кобальта, железа, марганца, никеля, хрома, кремния и бора в пределах 9,0-15,0, ат.%, содержание компонентов поддерживают в следующих количествах, ат.%:

Со 58-75 Fe 1,3-2,0 Mn 0,8-2,0 Ni 5,0-9,0 Cr 0-1,7 Si 4,0-10,0

Суммарное содержание железа и марганца составляет 2,1-4,0 ат.%.

Суммарное содержание хрома, кремния и бора составляет 13-26,7.

Соотношение между группами компонентов: Fe+Mn/Со+Ni+Fe+Mn находится в диапазоне 0,030-0,045. В аморфном магнитомягком сплаве на основе кобальта с его содержанием 58-75 ат.% отношение содержания бора к содержанию кремния поддерживают в диапазоне 1,5-2,25.

Примеры создания аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта, обладающего следующими магнитными свойствами: индукцией насыщения Bs в диапазоне 0,52-1,1 Тл, магнитной проницаемостью µ' в диапазоне 1100-120000 и околонулевой магнитострикцией, и результаты измерений сведены в таблицы 1, 2, и 3. Таблица 1 содержит примеры химических композиций сплава.

Таблица 2 - магнитные свойства композиций.

Таблица 3 - влияние соотношения: Fe+Mn/Со+Ni+Fe+Mn на магнитострикцию.

Комплекс этих свойств в заданных узких пределах играет определяющую роль в работе трансформаторов телекоммуникационных систем, электронных счетчиков, датчиков и других электромагнитных устройств различного назначения.

Указанные свойства можно достигнуть в предлагаемом сплаве следующего химического состава в атомных %:

Со 58-75 Fe 1,3-2,0 Mn 0,8-2,0 Ni 5,0-9,0 Cr 0-1.7 Si 4,0-10,0 В 9,0-15,0

При этом химические компоненты сплава сгруппированы друг с другом в следующих количественных отношениях в атомных %:

Fe+Mn 2,1-4,0 Cr+Si+B 13-26,7 Fe+Mn/Со+Ni+Fe+Mn 0,030-0,045

Кроме того, с целью повышения индукции B_s в окобальтовом сплаве с концентрацией кобальта 58-75% отношение содержания бора к содержанию кремния должно быть в пределах 1,5-2,25.

Путем изменения содержания компонентов сплава в указанных пределах при соблюдении предлагаемых соотношений между ними достигается необходимый комплекс свойств. Так, при увеличении концентрации Fe в первой группе от 1,3 до 2,0% (при соответствующем уменьшении концентрации Mn в пределах одной и той же суммы) растет индукция B_s и уменьшается проницаемость µ', и, наоборот, при увеличении концентрации Mn и соответствующем уменьшении Fe падает индукция и растет проницаемость.

Влияние элементов группы (Cr+Si+В) на указанные свойства сплавов однотипно, поэтому основную роль играет их суммарное содержание в группе. При увеличении суммы этих элементов (при соответствующем уменьшении суммы Со+Fe+Mn+Ni) уменьшается B_s и увеличивается µ'. При уменьшении этой суммы элементов растет индукция и уменьшается проницаемость. При увеличении суммы (Cr+Si+В) более 28% величина B_s уменьшается ниже требуемых значений (0,52 Тл), а при уменьшении этой суммы менее 13% значение проницаемости µ' становится ниже требуемой минимальной величины (1100). Кроме того, при этом уменьшается способность сплава к аморфизации.

Предлагаемое отношение суммы элементов (Fe+Mn) к сумме (Со+Fe+Mn+Ni) обеспечивает получение в сплаве околонулевого значения магнитострикции насыщения λ_s. При увеличении этого отношения выше 0,050 значение λ_s увеличивается и имеет положительный знак, а при уменьшении менее 0,030 величина λ_s также увеличивается и переходит в область отрицательных значений.

Легирование никелем проводится в вариантах сплава с пониженной и средней индукцией (с содержанием кобальта менее 70%) с целью уменьшения магнитострикции, коэрцитивной силы и электромагнитных потерь.

Что касается отношения B/Si для сплава с содержанием Со>70%, то его увеличение более 2,5 уменьшает склонность сплава к аморфизации и ухудшает технологические свойства, а уменьшение менее 1,5 не приводит к заметному дополнительному росту индукции.

Таким образом, изменяя содержание химических элементов в заданных пределах и группах, а также выдерживая предлагаемые соотношения между ними, можно регулировать магнитные свойства сплава в широком диапазоне и получать необходимый уровень параметров в электромагнитных изделиях различного назначения. При этом можно регулировать не только отмеченные магнитные свойства (B_s, µ', λ_s), но и другие важные характеристики, в частности, коэрцитивную силу Не, температуры Кюри Т_c и кристаллизации Т_кр..

Из предлагаемого сплава методом спиннингования с использованием бронзового закалочного диска были изготовлены аморфные ленты толщиной 20 мкм и шириной 4,5 мм. Из этих лент изготовлены контрольные образцы, на которых после термообработки в магнитном поле измеряли индукцию B_s, относительную магнитную проницаемость µ' при частоте 10 кГц, коэрцитивную силу Н_c, температуры Кюри Т_c и кристаллизации Т_кр., магнитострикцию насыщения λ_s.

Предлагаемый состав сплава может найти широкое применение в производстве различных электромагнитных компонентов и устройств, в частности, высокочастотных импульсных трансформаторов типов S_o, U_po и U_ko в системах телекоммуникаций с цифровыми линиями связи ISDN, трансформаторах тока электронных счетчиков электроэнергии, противокражных датчиках.

Таблица 1 Примеры химических композиций сплава по изобретению. № п/п Химический состав сплава (ат.%) Co Fe+Mn Cr+Si+В Fe+Mn/Co+Ni+Fe+Mn B/Si 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8. Co_58,8 Ni_8,5 Fe_4,2 Mn_0,8 Cr_1,4 Si_12,8 B_13,5
Co_59,4 Ni_8,5 Fe₄ Mn_1,1 Cr_1,4 Si_12,6 B₁₃
Co_65,3 Ni_2,8 Fe_3,2 Mn₂ Cr_1,5 Si_12,1 B_13,1
Co_70,7 Fe_2,9 Mn_2,2 Cr_0,8 Si_7,2 B_16,2
Co_71,7 Fe_2,9 Mn_2,2 Cr_0,8 Si_8,4 B₁₄
Co_71,7 Fe_2,9 Mn_2,2 Cr_0,8 Si₆ B_16,4
Co₇₄ Fe_3,3 Mn₂Cr_0,7 Si_7,5 В_12,5
Co₇₄ Fe_3,3 Mn₂ Cr_0,7 Si₅ B₁₅ 58,8
59,4
65,3
70,7
71,7
71,7
74
74 4,5
4,1
4,1
4,0
3,9
4,0
4,0
4,0 26,7
27,0
26,7
26,2
25,2
23,2
20,7
20,7 0,039
0,04
0,041
0,045
0,036
0,042
0,037
0,041 -
-
-
2,25
1,67
2,23
1,67
2,15

Таблица 2 Магнитные свойства композиций из табл.1. № п/п В_s, Тл µ' Н_с, А/м T_c, °C T_кр., °С 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8. 0,54
0,60
0,67
0,85
0,90
0,92
0,96
1,00 110000
67000
48000
3000
1900
2000
1330
1350 0,16
0,24
0,24
0,96
2,00
2,00
3,20
3,20 190
230
265
380
430
430
>Т_кр.
>Т_кр. 530
520
510
485
470
470
440
440

Таблица 3 Влияние соотношения Fe+Mn / Со+Ni+Fe+Mn на магнитострикцию λ_s № п/п Химический состав сплава, ат.% Fe+Mn/Co+Ni+Fe+Mn λ_s 1.
2.
3.
4.
5.
6. Co₇₂ Fe_2,8 Mn_1,6 Cr_0,8Si_13,5B_9,3
Co_74,5 Fe₂ Mn₃ Cr_0,5 Si₅ B₁₅
Co₇₄ Fe_3,3 Mn₂ Cr_0,7 Si₅ В₁₅
Co_59,4 Ni_8,5 Fe₄ Mn_1,1 Cr_1,4 Si_12,6 B₁₃
Co_65,3 Ni_2,8 Fe_3,2 Mn₂ Cr_1,5 Si_12,1 B_13,1
Co_74,2 Fe_3,4 Mn_2,4 Si₅ B₁₅ 0,058
0,063
0,067
0,070
0,071
0,073 -2·10^-6
-0,1·10^-6
+0,02·10^-6
-0,1·10^-6
+0,2·10^-6
+1,5·10^-6

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в производстве электромагнитных компонентов и устройств, в частности высокочастотных импульсных трансформаторов типов S_o, U_po и U_ko, в системах телекоммуникаций с цифровыми линиями связи ISDN, трансформаторах тока электронных счетчиков электроэнергии, противопожарных датчиках. Техническим результатом изобретения является улучшение магнитных свойств путем оптимального подбора компонентов и регулирования соотношения между ними, при этом полученный сплав обладает одновременно высокой магнитной проницаемостью и магнитной индукцией при сохранении околонулевой магнитострикции. Сплав содержит, ат.%: Со 58,0-75,0; Fe 1,3-2,0; Mn 0,8-2,0; Ni 5,0-9,0; Cr 0-1.7; Si 4,0-10,0; В 9,0-15,0. Суммарное содержание железа и марганца составляет 2,1-4,0 ат.%, суммарное содержание хрома, кремния и бора составляет 13,0-26,7, соотношение между группами компонентов: Fe+Mn/Co+Ni+Fe+Mn находится в диапазоне 0,030-0,045, а отношение содержания бора к содержанию кремния - в диапазоне 1,5-2,25. 3 табл.

Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта, содержащий кобальт, железо, марганец, никель, хром, кремний и бор, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующих количествах, ат.%:
Со 58,0-75,0 Fe 1,3-2,0 Mn 0,8-2,0 Ni 5,0-9,0 Cr 0-1,7 Si 4,0-10,0 В 9,0-15,0

причем суммарное содержание железа и марганца составляет 2,1-4,0 ат.%, суммарное содержание хрома, кремния и бора составляет 13,0-26,7, соотношения между группами компонентов: Fe+Mn/Co+Ni+Fe+Mn находится в диапазоне 0,030-0,045, а отношение содержания бора к содержанию кремния - в диапазоне 1,5-2,25.