ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЙ МАГНИТОТВЕРДЫЙ СПЛАВ Российский патент 2010 года по МПК C22C38/30 H01F1/47 

Изобретение относится к металлургии, а именно к деформируемым дисперсионно-твердеющим сплавам для постоянных магнитов с высокой прочностью на основе системы Fe-Cr-Co, и может быть использовано для увеличения мощности и производительности высокоскоростных гистерезисных двигателей с роторами из постоянных магнитов, применяемых в качестве сепараторов в ядерной технике, биологии, медицине и других областях техники.

Деформируемые дисперсионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Cr-Co относятся к магнитотвердым материалам, которые, в частности, благодаря своим магнитным и прочностным характеристикам могут быть использованы для изготовления дисковых роторов высокоскоростных гистерезисных двигателей (ВГД). Эффективность работы дискового ротора в первую очередь зависит от его удельной намагниченности (σ_m, Гс·см³/г), которая в значительной степени определяет энергетические характеристики ВГД. Увеличение удельной намагниченности приводит к повышению КПД устройства, повышению механического момента на валу двигателя и снижению энергозатрат. Сплав для дискового ротора должен обладать коэрцитивной силой (H_c), оптимальная величина которой составляет 90-120 А/см. Поскольку в современных ВГД скорость вращения ротора достигает 150 тыс. оборотов в минуту, материал ротора должен обладать не только комплексом необходимых магнитных параметров, но и уровнем механических свойств, не позволяющих разрушиться диску под действием возникающих центробежных сил. Условный предел текучести σ_0.2, характеризующий прочностные характеристики ротора, необходимые для работы ВГД, должен составлять не менее 1300-1500 МПа. Кроме того, чтобы избежать хрупкого разрушения, сплавы для роторов должны обладать определенным запасом пластичности, характеризуемой предельным относительным удлинением δ. Высокоскоростные двигатели находят применение в качестве привода сепараторов в ядерной технике при разделении изотопов, медицине, биологии и других областях техники.

Известны высокопрочные сплавы, применяемые в качестве материала для роторов ВГД. Это стали типа Х70С2 и высокопрочные конструкционные сплавы типа Н18К9М5Т: [Е.В.Белозеров, В.В.Сагарадзе, А.Г.Попов, A.M.Пастухов, Н.Л.Печеркина. Формирование магнитной текстуры в высокопрочной мартенситостареющей стали. ФММ, 1995, т.79, №6, с.606-613]. Но максимально достигаемые значения H_c магнитов, изготовленных из них, не превышают 20-30 А/см, и такие сплавы не могут быть использованы для изготовления роторов ВГД большой мощности [Справочник. Под. ред. Ю.М.Пятина. М.: Энергия, 1980, 488 с.].

Сплавы на основе тройной системы Fe-Cr-Co по магнитным характеристикам пригодны для изготовления роторов гистерезисных двигателей: [В.Б.Никаноров, А.П.Селезнев Б.А.Яковлев. Повышение технико-экономических показателей серийных гистерезисных двигателей. Известия ВУЗов. Электромеханика, 1987, №3, с.49-54]. В то же время они обладают низкими механическими свойствами. В сплавах Fe-Cr-Co высококоэрцитивное состояние достигается в результате дисперсионного распада (старения) α-твердого раствора, который может быть фиксирован закалкой из высокотемпературной области диаграммы состояний (от 900°С до 1300°С в зависимости от состава и легирующих добавок). Вследствие особенностей дисперсионного распада в сплавах Fe-Cr-Co более высокие значения H_c наблюдаются по мере увеличения степени распада α-твердого раствора. Однако этот процесс сопровождается повышением хрупкости сплава, что может приводить к разрушению ротора при разгоне его до требуемых скоростей вращения и к серьезным повреждениям всей конструкции. Если в состоянии α-твердого раствора (после закалки) величина предельного относительного удлинения δ составляет 10-15%, то после термообработки она снижается практически до нулевого значения, при этом предел прочности σ_B не превосходит 630-740 МПа: [Каталог фирмы TOKIN Corporation. Permanent magnets. Vol.1, 2000, 54 р.]. Повышение прочностных характеристик достигается легированием сплавов элементами группы ванадия.

Известно большое количество сплавов на основе Fe-Cr-Co, используемых для производства постоянных магнитов, легированных вольфрамом и другими добавками с различным соотношением основных компонент. В известных сплавах легирование осуществлялось, в основном, с целью улучшения магнитных характеристик постоянных магнитов (например, магнитотвердый сплав на основе Fe-Cr-Co с содержанием 0,1-2,5 W [патент ФРГ №2913071]. Его недостатком является относительно низкая прочность и низкая величина относительного удлинения. Как было показано нашими исследованиями, прочность сплава находится в прямой зависимости от содержания вольфрама и достигает необходимых значений при 9-11% W [Е.В.Белозеров, М.А.Уймин, А.Е.Ермаков, В.В.Сериков, Н.М.Клейнерман, Г.В.Иванова, ФММ, (2008) т.106. в.6. С.489].

Известен дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе системы Fe-Cr-Co, легированный вольфрамом [патент ФРГ №2165052], имеющий следующий состав (в мас.%): 25-40 Cr, 15-35 Co, 0-12 Si, 0-20 Mo, 0-20 W, Fe - остальное. Сплав обладает необходимыми для работы ВГД как магнитными (H_c=90-100 А/см), так и прочностными (σ_0.2=1300-1350 МПа) свойствами. Недостатком этого сплава является низкая пластичность в состаренном состоянии, δ=0,3-0,5%. Хрупкое разрушение ротора происходит при скоростях вращения ротора меньших, чем требуется для работы ВГД, что влечет за собой выход из строя высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе системы Fe-Cr-Co, легированный вольфрамом и галлием [патент РФ №23 03 644], имеющий следующий состав (в мас.%): 21-23 Cr, 14-16 Со, 9-11 W, 0,5-3,0 Ga, железо - остальное. В отличие от традицирнных сплавов Fe-Cr-Co, в которых формируется модулированная структура в результате спинодального распада, в этом известном сплаве возникают нанодисперсные выделения фаз, обогащенных вольфрамом, и формируется нанокомпозит, обладающий повышенной прочностью и пластичностью [E.V.Belozerov, N.N.Shcegoleva, G.V.Ivanova, N.V.Mushnikov Features of the Post-Deformation hardening of Fe-Cr-Co Hard Magnetic Alloys with W and Ga Additives // Solid State Phenomena Vol.152-153 (2009) pp 54-57].

Добавка галлия в сплав, легированный вольфрамом, приводит к увеличению его пластичности при сохранении высоких прочностных свойств, обусловленных введением вольфрама. Запас пластичности сплава позволяет сдвинуть порог хрупкого разрушения в область больших значений прочностных характеристик, что повышает надежность работы ротора и предотвращает разрушение дорогостоящего устройства.

Недостатком сплава является его низкая удельная намагниченность, которая в значительной степени определяет энергетические характеристики ВГД. Действительно, в гистерезисном двигателе вращающий момент возникает в результате отставания направления намагниченности постоянного магнита, намагниченного статором, от направления намагничивающего поля статора. Величина вращающего момента зависит от площади петли гистерезиса ферромагнитного материала, которая определяется коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения и прямоугольностью петли гистерезиса. Поскольку допустимая величина коэрцитивной силы задается полем статора и не может быть изменена в широких пределах, вращающий момент в первую очередь определяется намагниченностью материала. Недостаточно высокие значения удельной намагниченности приводят к снижению КПД устройства, понижению механического момента на валу двигателя и повышению энергозатрат.

Кроме того, данный сплав характеризуют недостаточно высокие значения величины относительного удлинения.

В основу изобретения положена задача повышения удельной намагниченности дисперсионно-твердеющего магнитотвердого сплава при повышении предельного относительного удлинения и сохранении значений коэрцитивной силы H_c и прочностных характеристик - предела прочности σ_B и условного предела текучести σ_0.2.

Поставленная задача решается тем, что дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе Fe-Cr-Co, легированный вольфрамом и галлием, согласно изобретению дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Хром 14-18 Кобальт 12-13 Вольфрам 8-10 Галлий 0,2-0,5 Медь 0,1-0,4 Железо остальное.

При этом суммарное содержание Cu и Ga в сплаве не должно превышать 0,6%.

Для увеличения намагниченности высокопрочных магнитотвердых сплавов Fe-Cr-Co, легированных W и Ga, необходимо использовать составы, значительно более богатые железом, чем прототип. Само по себе увеличение количества железа при уменьшении концентрации хрома и кобальта в сплаве не позволяет решить поставленную задачу увеличения намагниченности, поскольку согласно диаграмме состояния тройного сплава Fe-Cr-Co такие сплавы после закалки содержат значительное количество немагнитной γ-фазы, снижающей общую намагниченность. Выпадение немагнитной γ-фазы в этом сплаве было устранено нами с помощью специальной обработки.

При дальнейшем уменьшении содержания хрома или кобальта в сплаве не удается реализовать требуемые значения H_c. Узкий интервал концентрации W в предложенном сплаве определяется тем, что согласно проведенным нами исследованиям только при таких концентрациях вольфрама удается получить требуемые высокие значения прочностных характеристик σ_B и σ_0.2.

Достижение более высоких по сравнению с прототипом значений относительного удлинения с 4,6 до 5,6% является результатом влияния двух факторов: дополнительного легирования медью и снижения в сплаве концентрации хрома. Нами показано, что пластифицирующие добавки Ga и Cu в процессе постдеформационного старения преимущественно выделяются по границам зерен, обеспечивая зернограничное проскальзывание в процессе деформации. Увеличение концентрации пластифицирующих добавок (меди и галлия) выше 0,6% затрудняет диффузию хрома в процессе старения, что отрицательно сказывается на магнитных свойствах. Кроме того, увеличение толщины прослоек Ga и Cu на межфазных границах создает условия для охрупчивания сплава. Более высокие значения относительного удлинения по сравнению с прототипом, достигаемые дополнительным введением в сплав меди, приводят к повышению порога хрупкого разрушения и возможности увеличения нагрузки на изделие без его разрушения.

Как следует из диаграммы состояний [Kaneko M., Homma M., Nakamura К. The phase diagram of Fe-Cr-Co alloys for permanent magnets. // IEEE Trans. Magnetics MAG-12. 1977. V.12. №5. P.1325-1327] и из исследований по оптимизации составов постоянных магнитов Fe-Cr-Co [Постоянные магниты. Справочник. Под. ред. Ю.М. Пятина. M.: Энергия, 1980, 488 с.], спинодальный распад в дисперсионно-твердеющих сплавах с образованием модулированных (обладающих периодичностью) структур происходит в области концентраций со строго определенным количественным соотношением основных компонент Fe, Cr и Со. Модулированные структуры удается сформировать в сплавах Fe-Cr-Co при содержании Cr не ниже 21%. Нами было обнаружено, что в этих сплавах со значительно меньшим содержанием Cr (14-18%) и Со (10-13%) происходит дисперсионный распад твердого раствора, но без образования четких модулированных структур. При этом в сплаве формируется неоднородный твердый раствор на основе FeCr (матрица) с выделениями на основе FeCo и фаз на основе вольфрама, размеры которых в несколько раз превышают дисперсность структурных составляющих модулированной структуры. В результате такого фазового распада формируется высокопрочный нанокомпозит. Его высокие прочностные характеристики обеспечивают обнаруженные в его структуре наноразмерные 20-40 нм выделения с тетрагональной решеткой предположительно на основе FeW. Присутствие наноразмерных частиц в структуре сплава служит препятствием для движения дислокации.

Основной причиной высококоэрцитивного состояния в сплавах Fe-Co-Cr является различие намагниченности выделяющихся фаз [Rossiter P.L., Houghton M.E. // Magnetic properties and microstructure of an Fe-Cr-Co alloy // Physica status solidi (a). 1978. V.47. №.2. P.597-608]. Поэтому в этом сплаве сохраняются условия для появления магнитной твердости, достаточной для работы ВГД нового поколения. Основным достижением проведенных исследований, как в научном, так и в практическом плане, является тот факт, что удалось повысить одну из основных характеристик сплава - удельную намагниченность - от значений σ_m=120-125 Гс·см³/г (для прототипа) до σ_m=150-160 Гс·см³/г (для заявляемого сплава) путем увеличения концентрации железа (удельная намагниченность 225 Гс·см³/г) и значительного снижения содержания парамагнитного Cr и ферромагнитного Со, обладающего меньшей намагниченностью, чем железо (σ_m=175 Гс·см³/г).

Сплавы для проведения экспериментов были выплавлены в индукционной печи в атмосфере аргона из шихты с чистотой не менее 99,95%. После гомогенизации при температуре 1200°С в течение 6 часов слитки проковывались в полосу в горячую при температуре 1000-1150°С. Затем с целью подавления γ-фазы проводили холодную деформацию прокаткой с 60% деформацией. Термообработку образцов проводили в области температур от 690°С до 600°С путем плавного снижения температуры в течение 3 часов и последующим снижением температуры старения от 600°С до 560°С в течение 1,5-3 часов.

Измерение механических свойств проводили на стандартных образцах на испытательной машине УМЭ-10ТМ. Магнитные свойства сплавов измеряли на вибромагнитометре на пластинах, вырезанных из образцов, подвергнутых механическим испытаниям.

В таблице 1 приведены составы исследуемых сплавов №1-8 и известного сплава (прототипа) №9 состава (в мас.%): 22 Cr - 15 Со - 9 W - 0,5 Ga - остальное железо. В таблице также приведены результаты измерений магнитных свойств (удельной намагниченности σ_m, коэрцитивной силы H_c) и результаты определения прочностных характеристик (условного предела текучести σ_0.2 предельного относительного удлинения δ) после оптимальных обработок.

Таблица 1 Составы, магнитные и прочностные характеристики исследованных сплавов № п/п Состав (вес.%)* σ_m, Гс см³/г H_c, А/см σ_B, МПа σ_0.2, МПа δ, % Cr Co W Ga Cu 1 20 12 9 0,4 0,1 120 131 1600 1350 4,3 2 18 13 9 0,4 0.2 137 146 1800 1350, 5,4 3 18 12 9 0,3 0,3 141 140 1620 1300 5,2 4 16 12 9 0,4 0,2 144 117 2000 1450 5,6 5 15 13 8 0,3 0,3 157 98 1750 1320 5,1 6 15 13 9 0,3 0,3 148 102 1700 1300 4.9 7 14 12 10 0,2 0,4 145 120 1650 1300 4,8 8 12 10 9 0,3 0,3 147 58 1460 1240 4.3 9 22 15 9 0,5 - 125 120 1800 1500 4,6 * Остальное - железо

Из таблицы видно, что сплавы №2, 3, 4, 5, 6, и 7 обладают на 20% большей намагниченностью по сравнению с прототипом и несколько более высокими значениями коэрцитивной силы. Уровень значений временного сопротивления разрыву σ_в и условного предела текучести σ_0.2 в заявленных сплавах близок к прототипу. В то же время величина относительного удлинения выше, чем у прототипа. Максимальное значение δ, наблюдаемое для сплава 4, на 20% превосходит соответствующее значение для прототипа.

Таким образом, заявляемый дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав обладает высокой намагниченностью при повышении предельного относительного удлинения и сохранении значений коэрцитивной силы и прочностных характеристик - предела прочности и условного предела текучести.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к дисперсионно-твердеющим магнитотвердым сплавам на основе системы Fe-Cr-Со. Заявляемый сплав содержит, мас.%: Cr 14-18, Со 12-13, W 8-10, Ga 0,2-0,5, Cu 0,1-0,4, при суммарном содержании меди и галлия не более 0,6, железо - остальное. Сплав характеризуется повышенными значениями удельной намагниченности при повышенных значениях удлинения и сохранении значений коэрцитивной силы и прочностных характеристик. 1 табл.

Дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав, содержащий железо, хром, кобальт, вольфрам и галлий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 14-18 Кобальт 12-13 Вольфрам 8-10 Галлий 0,2-0,5 Медь 0,1-0,4 Железо Остальное