ВЫСОКОИНДУКЦИОННЫЙ АМОРФНЫЙ СПЛАВ С НИЗКИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ, ПОЛУЧЕННЫЙ РАЗЛИВКОЙ В ЛЕНТУ Российский патент 2011 года по МПК C22C45/02 C22C38/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к аморфным магнитно-мягким сплавам с высокой индукцией насыщения, предназначенным для изготовления сердечников силовых распределительных трансформаторов и других устройств, работающих при низких частотах.

Известны сплав и лента, выполненная из него, по патенту США №4219355, кл. С22С 19/00, 1988 г. Сплав содержит железо, бор, кремний и углерод в соответствии с формулой Fe_aB_bSi_cC_d в следующих пределах (ат.%): а=80,0…82,6; b=12,5…14,5; с=2,5…5,0; d=1,5…2,5 при a+b+c+d=100%. Сплав имеет достаточно высокую индукцию насыщения B₅=16 кГс. Однако он недостаточно технологичен (требуются большой перегрев расплава для гомогенизации, малая критическая толщина), имеет плохую повторяемость свойств от плавки к плавке, склонен к образованию газовых пузырей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, раскрытый в RU 2121520 C1, C22C 45/02, 10.11.1998 г., содержащий бор, кремний, фосфор, никель и железо при следующем соотношении компонентов, ат.%: бор 7,5-11,5; кремний 7,0-10,5; фосфор 1,0-4,0; никель максимально до 1,5 и железо - остальное, при этом температура кристаллизации сплава не менее 515°С.

К недостатку относится неповторяемость как технологических, так и магнитных свойств сплава и узких пределов регулирования термовременных параметров при термообработке ленты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту, содержащий бор, кремний, фосфор и железо, дополнительно содержит углерод, азот, серу, водород и кислород при следующем соотношении компонентов, ат.%: бор 6,0-9,0; кремний 7,5-10,0; фосфор 1,0-2,5; углерод 0,5-1,5; азот 0,1-0,5; сера 0,1-0,5; водород 0,01 - 0,02; кислород 0,01-0,015; железо - остальное (сплав 1), при этом температура кристаллизации сплава составляет не менее 570°С, а также сплав 1 дополнительно содержит 0,01-0,05 ат.% урана и 0,01-0,1 ат.% индия (сплав 2) или 0,07-0,09 ат.% натрия и 0,04-0,06 ат.% лития (сплав 3).

Дополнительное введение азота, серы, водорода и кислорода обеспечивает получение магнитных свойств выше, чем у сплава-прототипа.

Толщина получаемой ленты больше 40 мкм, температура перегрева расплава для его гомогенизации 1350°С и разливки 1300°С.

Введение указанных компонентов увеличивает жидкотекучесть расплавов (уменьшается вязкость), что приводит к улучшению технологичности производства ленты за счет уменьшения случаев зарастания застывшим расплавом щели сопла.

Совместное введение кислорода, водорода, фосфора и бора снижает критическую скорость закалки и улучшает аморфизируемость сплава, увеличивает критическую толщину ленты.

Увеличение содержания суммы указанных элементов свыше 11,535 ат.% приводит к нарушению сплошности ленты и ее охрупчиванию.

Уменьшение содержания элементов-аморфизаторов ниже заявленных значений (бор менее 6 ат.%; кремний менее 7,5 ат.%; углерод менее 0,5 ат.%; фосфор менее 1,0 ат.%; азот менее 0,1 ат.%, серы менее 0,1 ат.%, водород менее 0,01 ат.%, кислород менее 0,01 ат.%), а также их суммарных величин (Σ(S+N+Р+Si+В) менее 15,2 ат.% и ∑(В+Р+Н+О) менее 7,02 ат.%) снижает температуру кристаллизации и уменьшает максимально возможную толщину пластичной ленты.

Содержание фосфора и серы определяется его влиянием на улучшение технологичности. Только при содержании фосфора не менее 1,0 ат.% и серы не менее 0,1 ат.% их влияние становится эффективным. Увеличение количества фосфора более 2,5 ат.% и серы более 0,5 ат.% уменьшает индукцию насыщения и приводит к ухудшению качества ленты.

При содержании кремния более 10,0 ат.% также падает магнитная индукция.

Введение урана и индия снижает температуру и уменьшает время проведения термомагнитной обработки. Увеличение содержания урана более 0,002 ат.% и индия более 0,02 ат.% повышает хрупкость аморфной ленты. Уменьшение содержания урана менее 0,001 ат.% и индия менее 0,01 ат.% не оказывает существенного влияния на эффективность термомагнитной обработки.

Введение натрия и лития одновременно увеличивает коэффициент теплопроводности от расплава к закалочному барабану и смачиваемость материала его расплавом, что приводит к уменьшению шероховатости контактной и свободной поверхностей ленты и повышению ее пластичности.

Увеличение содержания натрия более 0,09 ат.% и лития более 0,06 ат.% приводит к появлению в расплаве связанных окислов этих элементов и ухудшению качества аморфной ленты. Уменьшение содержания натрия менее 0,07 ат.% и лития менее 0,04 ат.% не оказывает существенного влияния на качество аморфной ленты.

Указанные в сплавах в предлагаемом изобретении содержания химических элементов и их соотношения обеспечивают оптимальные сочетания технологических и магнитных свойств. При этом температура кристаллизации заявленных сплавов ≥570°С, что характеризует высокую термовременную стабильность аморфного состояния.

Пример.

Экспериментальные образцы сплавов получали в виде ленты шириной 20 мм, толщиной 28-30 мкм методом закалки на медном барабане диаметром 360 мм, вращающемся со скоростью 30 м/с. Химический состав полученных образцов приведен в таблице 1. Температуру начала кристаллизации аморфных сплавов (Т_кр) определяли методом дифференциального термического анализа при скорости нагрева 30°С/мин. Изменение толщины ленты осуществлялось путем изменения щели сопла. Температуру гомогенизации, разливки расплавов (таблица 2) и их жидкотекучесть устанавливали экспериментально при отработке технологии получения лент и по зависимости вязкости от температуры. Вязкость определяли методом крутильных колебаний (метод Швидковского). При увеличении содержания серы от 0 ат.% до 0,5 ат.% вязкость при 1350°С уменьшается от 1,2·10^-6 м²/с при 0 ат.% S до 0,3·10^-6 м²/с при содержании S=0,5 ат.%.

Из полученных образцов ленты изготовляли тороидальные сердечники весом 18-22 г со средним диаметром 25-28 мм. Термообработку сердечников проводили при температуре 410-420°С в течение 30 мин. Образцы из лент отжигались в обычной атмосфере. Для сравнения были изготовлены сердечники из промышленных сплавов 2605-S2 (США) и 2НРС (Россия).

Динамические характеристики (потери на перемагничивание, Вт/кг) определяли в режиме «В - синус» при индукции 1-1,55 Тл на частоте 50 Гц (таблица 3).

Индукция предложенных сплавов в рабочих полях до 10 Э выше 1,5 Тл.

Технологичность предложенных сплавов, а именно критическая толщина ленты, температура кристаллизации сплавов, температура гомогенизации, жидкотекучесть расплавов, превосходит технологичность промышленных сплавов.

Потери в сердечниках, изготовленных из предложенных сплавов не превышают 0,22 Вт/кг при значениях индукции В_m=1,55 Тл.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в экономии энергетических затрат за счет уменьшения температур перегрева расплава для его гомогенизации и разливки в ленту, увеличения критической толщины ленты при сохранении уровня магнитных свойств.

Таблица 1 Влияние химсостава на критическую толщину ленты № п/п Химический состав Σ_аморф Т_кр, °С Критическая толщина, мкм В Si С Р N S Н О U In Na Li S+N+P+C+Si+B О+H+P+B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Сплав 1 7,50 8,75 1,00 1,75 0,30 0,30 0,015 0,013 - - - - 19,60 9,278 560 44 Сплав 2 7,50 8,75 1,00 1,75 0,30 0,30 0,015 0,013 0,002 0,015 - - 19,60 9,278 565 48 Сплав 3 7,50 8,75 1,00 1,75 0,30 0,30 0,015 0,013 - - 0,08 0,05 19,60 9,278 570 50 2НСР 13,00 9,00 - - - - - - - - - - - - 540 30 2605-82 13,00 9,00 - - - - - - - - - - - - 540 25 Сплав-прототип: - - - - - - - - - - - - - - - - 1 11,2 7,6 - 1,7 - - - - - - - - 20,5 12,9 530 35 2 11,2 7,6 - 1,7 - - - - - - - - 20,5 12,9 560 40 3 11,2 7,6 - 1,7 - - - - - - - - 20,5 12,9 540 40 4 11,2 7,6 - 1,7 - - - - - - - - 20,5 12,9 550 40 5 11,2 7,2 - 2,0 - - - - - - - - 20,4 13,2 535 40 6 10,9 7,9 - 1,6 - - - - - - - - 20,4 12,5 545 40 7 10,6 7,5 - 2,1 - - - - - - - - 20,2 12,7 540 40 8 9,0 7,6 - 3,7 - - - - - - - - 20,3 12,7 515 35 9 9,6 9,6 - 3,7 - - - - - - - - 22,9 13,3 555 40 10 8,8 8,0 - 3,2 - - - - - - - - 20,0 12,0 515 35 11 8,4 9,3 - 3,0 - - - - - - - - 20,7 11,4 515 35

Таблица 2 Сравнение технологичности аморфных сплавов Марка сплава Критическая толщина, мкм Температура перегрева расплава, °С Российский аналог Зарубежный аналог Для гомогенизации Для разливки 2НСР Vitrovac 7505, ФРГ 30 1550 1430 7411 2605-S2, США 25 1570 1450 Сплав-прототип: Заявляемый:   35…40 1400 1300 сплав 1   40 1380 1340 сплав 2   45 1360 1320 сплав 3   50 1350 1300

Таблица 3 Магнитные свойства при частоте 50 Гц Сплав Ваттные потери, Вт/кг 1,0 Тл 1,2 Тл 1,3 Тл 1,4 Тл 1,5 Тл 1,55 Тл Заявляемый:             сплав 1 0,12 0,14 0,17 0,19 0,21 0,22 сплав 2 0,10 0,13 0,16 0,18 0,20 0,21 сплав 3 0,09 0,12 0,15 0,17 0,19 0,20 2НСР 0,16 0,21 0,27 0,33 - - Сплав - прототип             8 0,13 0,17 0,20 0,23 - - 9 0,13 0,18 0,19 0,21 - - 10 0,10 0,16 0,165 0,19 0,21 - 11 0,09 0,13 0,16 0,18 0,21 0,22

Изобретение относится к металлургии, в частности к аморфным магнитно-мягким сплавам с высокой индукцией насыщения, предназначенным для изготовления сердечников силовых распределительных трансформаторов и других устройств, работающих при низких частотах. Заявлен высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту, содержащий, ат.%: бор 6,0-9,0, кремний 7,5-10,0, углерод 0,5-1,5, фосфор 1,0-2,5, азот 0,1-0,5, сера 0,1-0,5, водород 0,01-0,02, кислород 0,01-0,015, железо - остальное, при этом температура кристаллизации сплава составляет не менее 570°С. Технический результат - увеличение критической толщины получаемой ленты при сохранении уровня магнитных свойств, а также уменьшение температур перегрева расплава для его гомогенизации и разливки в ленту. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту, содержащий бор, кремний, фосфор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, азот, серу, водород и кислород при следующем соотношении компонентов, ат.%:
Бор 6,0-9,0 Кремний 7,5-10,0 Углерод 0,5-1,5 Фосфор 1,0-2,5 Азот 0,1-0,5 Сера 0,1-0,5 Водород 0,01-0,02 Кислород 0,01-0,015 Железо Остальное,

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,01-0,05 ат.% урана и 0,01-0,1 ат.% индия.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,07-0,09 ат.% натрия и 0,04-0,06 ат.% лития.