ЛЕНТА ИЗ АМОРФНОГО РЕЗИСТИВНОГО КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2011 года по МПК C22C45/02 B22D11/06 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аморфным сплавам на основе железа, получаемым в виде ленты в процессе литья плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалки, и может быть использовано в качестве коррозионно-стойкого сплава, предназначенного для изготовления резистивных элементов и коррозионно-стойких элементов конструкций.

Известен аморфный магнитомягкий сплав на основе системы Fe-Co-Ni, соответствующий формуле: (Fe-Co-Ni)_aА_bL_c 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≤c≤7, 0,1≤e≤0,8, а - остальное (см. патент RU 2269173).

Известный аморфный сплав характеризуется повышенной жидкотекучестью и вследствие этого обеспечивает повышение плотности и снижение поверхностной пористости ленты, однако он не предназначен для изготовления резистивных и коррозионно-стойких элементов конструкций.

Недостатками данного аморфного сплава являются:

- низкое качество паяного соединения, которое проявляется в том, что припой собирается в виде капель, образуя «схватывание» в отдельных точках;

- низкая коррозионная стойкость ленты;

- значительная трудоемкость получения стабильных значений сопротивления по длине ленты, разброс параметров.

Известен аморфный магнитомягкий сплав (Fe₆₀Ni₄₀)₇₈Si₈B₁₄ (см. «Справочник по электротехническим материалам» под ред. Ю.В.Корицкого и др., 3 том, Л., «Энергоатомиздат», 1988 г., с.151). Сплав (Fe₆₀Ni₄₀)₇₈Si₈B₁₄ изготавливают в виде тончайшей ленты литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной его закалкой. Толщина получаемой ленты составляет 20-35 мкм. Лента из данного сплава паяется с применением нейтрального флюса.

Недостатками данного аморфного сплава являются низкая коррозионная стойкость и трудоемкость получения стабильных значений сопротивления по длине ленты, их разброс, превышающий требуемые граничные значения.

Известен аморфный коррозионно-стойкий прецизионный сплав марки 15ХНСР, предназначенный для изготовления резистивных элементов низкотемпературных электрических обогревателей (см. Технические условия ТУ 14-123-154-99, Приложение №1 (справочное), таблица №1, стр.2), выбранный в качестве прототипа. Аморфный коррозионно-стойкий прецизионный сплав марки 15ХНСР изготавливают в виде тончайшей ленты литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной его закалкой. Химический состав известного сплава приведен в табл.1.

Таблица 1 Состав сплава 15ХНСР Марка сплава Содержание легирующих компонентов в ат.% 15ХНСР Fe B Si Ni C Cr примеси основа 11,6-13,6 7,7-9,1 до 1,57 до 1,53 12-13,3 до 1

Недостатками данного аморфного сплава являются:

- наличие каверн на поверхности получаемой аморфной ленты и низкое качество паяного соединения на ленте, так как припой собирается в виде капель, образуя «схватывание» в отдельных точках;

- недостаточная жидкотекучесть расплава, обуславливающая низкую плотность и неоднородность получаемой из сплава ленты, поверхностная пористость ленты, невозможность получения ленты заданной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов;

- трудоемкость получения стабильных значений сопротивления по длине ленты;

- недостаточная пластичность и, как следствие, локальная хрупкость ленты, что делает невозможным продольную порезку ленты;

- низкий выход качественной готовой ленты.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:

- уменьшение количества каверн на поверхности получаемой аморфной ленты и улучшение качества пайки ленты;

- уменьшение вязкости, отсутствие неметаллических включений в расплаве и повышение жидкотекучести расплава;

- увеличение однородности, плотности получаемой ленты и снижение поверхностной пористости ленты;

- возможность получения ленты заданной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов и получение стабильных значений сопротивления по всей длине ленты;

- повышение пластичности и, как следствие, возможности продольной порезки ленты;

- увеличение выхода качественной годной ленты.

Технический результат достигается тем, что в аморфном резистивном коррозионно-стойком сплаве на основе железа, получаемом в виде тончайшей аморфной ленты, согласно изобретению его состав дополнительно содержит олово и барий и определяется формулой

Fe_aNi_bSi_cB_dCr_eSn_gBa_f, где:

20≤b≤33

1≤c≤7

8≤d≤16

3,5≤e≤7

0,01≤g≤0,25

0,01≤f≤0,25

a - остальное.

Предлагаемый качественный и количественный состав аморфного коррозионно-стойкого резистивного сплава на основе железа согласно формуле: Fe_aNi_bSi_cB_dCr_eSn_g Ba_f при соотношении компонентов, ат.%: 20≤b≤33, 1≤c≤7, 8≤d≤16, 3,5≤e≤7, 0,01≤g≤0,25, 0,01≤f≤0,25, a - остальное, обеспечивает по сравнению с прототипом хорошее качество пайки изготавливаемой из сплава ленты, стабильность параметров сопротивления по ее длине и заданных параметров толщины при отсутствии поверхностных дефектов за один непрерывный цикл литья (см. таблицу 2).

Таблица 2   заявляемый сплав (1) заявляемый сплав (2) аморфный магнитомягкий сплав (Fe₆₀Ni₄₀)₇₈Si₈B₁₄ Прототип сплав марки 15ХНСР Значение сопротивления 1 м ленты шириной 10 мм, Ом 5,5-6,0 5,4-6,1 4,8-6,1 4,8-6,5 Пластичность ленты хорошая хорошая хорошая плохая Выход годного в кг при разливке на 10 кг сплава 9,0 кг 9,0 кг 8,0 кг 7 кг Паяемость хорошая хорошая удовлетворительная плохая Коррозионная стойкость хорошая хорошая плохая хорошая

Наличие олова и бария в указанном составе сплава позволяет влиять на качество пайки и резистивные характеристики полученной из сплава ленты.

Включение в сплав олова Sn_g в количестве (ат.%): 0,01≤g≤0,25 в качестве поверхностно-активного элемента уменьшает количество каверн на поверхности аморфной ленты, улучшает состояние поверхности и обеспечивает хорошее качество пайки и стабильные резистивные характеристики.

Количественное содержание олова Sn выбрано исходя из следующего.

При снижении содержания олова менее 0,01 ат.%, например до 0,005 ат.%, как показали лабораторные испытания, на поверхности ленты заметны каверны, качество пайки ленты неудовлетворительное, имеется значительный разброс значений сопротивления по длине ленты.

Увеличение содержания олова до 0,25 ат.% уменьшает количество каверн на поверхности ленты, улучшает состояние поверхности ленты и обеспечивает хорошую паяемость и стабильность резистивных характеристик по длине ленты. Одновременно увеличивается выход качественной годной ленты.

Увеличение содержания олова более 0,25 ат.%, например до 0,29 ат.%, нецелесообразно, так как не приводит к заметному улучшению качества пайки.

Кроме того, установлено, что при заявленном содержании бария и олова на качество пайки и коррозионную стойкость ленты влияет содержание хрома в пределах Cr_e ат.%: 3,5≤e≤7 и кремния в пределах Si_c ат.%: 1≤c≤7, при которых исключается образование оксидной пленки на поверхности получаемой аморфной ленты.

Включение в состав сплава бария Ba_f в количестве (ат.%): 0,01≤f≤0,25 уменьшает вязкость расплава и содержание неметаллических включений, повышает жидкотекучесть, что приводит к снижению поверхностной пористости готовой ленты, увеличивает ее однородность и плотность. На ленте отсутствуют поверхностные дефекты (разрывы). Разброс значений сопротивления по длине ленты минимальный (см. таблицу №2).

Снижение содержания бария менее 0,01 ат.%, например до 0,005 ат.%, как показали лабораторные испытания, нецелесообразно, так как снижаются жидкотекучесть расплава, плотность полученной из него ленты, возрастают поверхностная пористость, разрывы на ней и разброс значений сопротивления по длине.

Увеличение содержания бария до 0,25 ат.% способствует повышению жидкотекучести расплава и поверхностной плотности готовой ленты. Наблюдается хорошее качество пайки ленты и улучшаются ее эксплуатационные характеристики, например резистивные свойства, сокращается разброс значений сопротивления по длине ленты.

Увеличение содержания бария более 0,25 ат.% нецелесообразно, так как не приводит к изменению значений сопротивления по длине ленты.

Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом. Изготавливают аморфный коррозионно-стойкий резистивный сплав на основе железа одного из следующих составов:

Fe_aNi_bSi_cB_dCr_eSn_g,Ba_f при соотношении компонентов, ат.%: 20≤b≤33, 1≤c≤7, 8≤d≤16, 3,5≤e≤7, 0,01≤g≤0,25, 0,01≤f≤0,25, a - остальное.

Для получения заданного состава используют шихтовые материалы:

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;

ТУ 14-1-2033-77 Железо чистое марок 008ЖР или железо конверторное. 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 аморфного коррозионно-стойкого резистивного сплава на основе системы Fe_aNi_bSi_cB_dCr_eSn_g, Ba_f одного из предлагаемых составов производят выплавку в вакуумной печи на основе исходного сплава: 2НСР с массой одной плавки 10 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 и олово методом модифицирования в виде лигатуры ФС65Ба1 и чистого олова марки ОВЧ-000.

Затем осуществляют доводку содержания компонентов сплава до заданного количества при условии, что атомная доля бария Ba в сплаве должна быть 0,01-0,25 ат.%. Атомная для олова Sn в сплаве должна быть 0,01-0,25 ат.%. Производят контроль химсостава полученного сплава на основе анализа спектральным методом с точностью до 2%.

Пример 1 конкретного осуществления

Изготавливали сплав (1): Fe₄₅Ni_28,6Si_5,98B_15,5Cr_4,61Sn_0,12Ba_0,10 (атомные %) на основе исходного сплава 2НСР для последующего получения ленты как с добавлением олова и бария, так и без добавления олова и бария.

Полученные из исходного сплава слитки измельчали, перемешивали, после чего делили на порции-партии по 10 кг, и каждую порцию материала расплавляли в агрегате разливки ленты «СИРИУС 150/002 М». После этого в каждую из расплавленных порций вводили олово и барий методом модифицирования в виде лигатуры ФС65Ба1 и чистого олова марки ОВЧ-000. После снятия шлака и доведения температуры расплава до оптимальной получали ленту указанных сплавов шириной 10,0 мм заданной толщины от 0,025 до 0,029 мм в одном непрерывном цикле литья.

Содержание олова варьировали от 0 до 0,12 ат.%, содержание бария варьировали от 0 до 0,10 ат.%. Температура расплава всех циклов получения ленты для каждого сплава была одинаковой.

Пример 2 конкретного осуществления

Изготавливали сплав (2): Fe_48,2Ni_27,3Si_5,19B_14,4Cr_4,86Sn_0,02Ba_0,03 (атомные %) на основе исходного сплава 2НСР для последующего получения ленты как с добавлением олова и бария, так и без добавления олова и бария. Полученные из исходного сплава слитки измельчали, перемешивали, после чего делили на порции-партии по 10 кг, и каждую порцию материала расплавляли в агрегате разливки ленты «СИРИУС 150/002 М». После этого в каждую из расплавленных порций вводили олово и барий методом модифицирования в виде лигатуры ФС65Ба1 и чистого олова марки ОВЧ-000. После снятия шлака и доведения температуры расплава до оптимальной получали ленту указанных сплавов шириной 10,0 мм заданной толщины от 0,025 до 0,029 мм в одном непрерывном цикле литья.

Содержание олова варьировали от 0 до 0, 02 ат.%, содержание бария варьировали от 0 до 0,03 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 каверн, высокой однородности и плотности, отсутствия разрывов и поверхностных дефектов в одном непрерывном цикле литья.

Оценивали пластичность ленты по критериям: хорошая-плохая, и возможность продольной порезки ленты. Плотность ленты оценивали взвешиванием куска ленты длиной 10 м и шириной 10 мм с приведением к конкретной измеренной толщине ленты каждого куска.

Затем оценивали выход годного в кг при разливке на 10 кг сплава как соотношение массы качественной ленты к массе загрузки, на основании чего делали вывод об улучшении или ухудшении состояния поверхности ленты.

Оценивали паяемость ленты по критериям: хорошая-плохая.

Испытывали коррозионную стойкость на установке солевого тумана HJY90811 ST-ISO-3. Коррозионные свойства оценивали визуально по наличию и степени коррозии. Положительным результатом считали полное отсутствие видимой коррозии.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аморфным сплавам на основе железа, получаемым в виде ленты в процессе литья плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалки, и может быть использовано в качестве коррозионностойкого сплава, предназначенного для изготовления резистивных элементов и коррозионно-стойких элементов конструкций. Заявлена лента из аморфного резистивного коррозионно-стойкого сплава на основе железа, полученная литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалкой, при этом сплав имеет состав Fe_aNi_bSi_cB_dCr_eSn_gBa_f, ат.%, где: 20≤b≤33, 1≤с≤7, 8≤d≤16, 3,5≤e≤7, 0,01≤g≤0,25, 0,01≤f≤0,25, a - остальное. Технический результат - уменьшение количества каверн на поверхности ленты и улучшение качества пайки, увеличение однородности, плотности получаемой ленты и снижение ее поверхностной пористости, возможность получения ленты заданной толщины в одном непрерывном цикле литья без поверхностных дефектов и получение стабильных значений сопротивления по всей длине ленты, повышение пластичности коррозионной стойкости. 2 табл.

Лента из аморфного резистивного коррозионно-стойкого сплава на основе железа, полученная литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалкой, отличающаяся тем, что сплав имеет состав Fe_aNi_bSi_cB_dCr_eSn_gBa_f, ат.%, где
20≤b≤33
1≤с≤7
8≤d≤16
3,5≤е≤7
0,01≤g≤0,25
0,01≤f≤0,25
a остальное.