СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МАГНИТОТВЕРДЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-ХРОМ-КОБАЛЬТ Российский патент 2013 года по МПК C21D1/04 C21D6/00 

Изобретение относится к способу термической обработки деформируемых магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт. Характерной особенностью магнитотвердых сплавов этой системы являются их высокие механические (прочностные и пластические) свойства. Например, сплавы 22Х15КА и 25Х15КА (ГОСТ 24897-81) выпускаются металлургическими заводами в виде листового и сортового проката под марками ЭК159 и ЭКЗЗ соответственно. Эти сплавы обладают высокой остаточной индукцией и умеренными значениями коэрцитивной силы (H_сВ=40-47 кА/м). Проблема повышения магнитной жесткости магнитотвердых сплавов всегда актуальна, поскольку именно коэрцитивная сила, являясь одной из важнейших характеристик магнитотвердых материалов, позволяет уменьшать массогабаритные характеристики изделий, в которых применяют постоянные магниты, производимые из этих сплавов, определяет их способность противостоять воздействиям внешних магнитных и тепловых полей и определяет их температурно-временную стабильность.

Известны способы повышения коэрцитивной силы FeCrCo магнитотвердых сплавов, связанные с повышением в сплаве содержания хрома при постоянном содержании кобальта 15 масс.% (в сплаве 28Х15КА H_сВ=48 кА/м. H. Kaneko, M. Homma, T. Fukunaga and M. Okada "Fe-Cr-Co permanent magnet alloys containing Nb and Al" IEEE Transactions on Magnetics, 1975, vol. MAG-11, No 4, p.1440-1442), с повышением содержания кобальта (в сплаве 30Х23КА H_сВ=55 кА/м), либо с дополнительным легированием молибденом и вольфрамом (в сплаве 30Х25К3Мо H_сВ=62 кА/м). H. Kaneko, M. Homma, K. Nakamura "New ductile permanent magnet of Fe-Cr-Co system". AIP Conference Proceedings, 1971, No5, p.1088-1092). Но во всех этих случаях при этом резко ухудшаются механические (в первую очередь пластические) свойства, что весьма нежелательно, т.к. почти полностью исключается возможность получения сортового и листового проката из магнитотвердых высокохромистых и высококобальтовых FeCrCo сплавов на металлургических предприятиях вследствие образования большого количества трещин в слитках при их остывании в изложницах.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа термической обработки магнитотвердых сплавов системы Fe-Cr-Co, обеспечивающего повышение коэрцитивной силы при одновременном сохранении сочетания высоких магнитных гистерезисных и механических свойств.

Технический результат достигается тем, что заявленный способ термической обработки изделий из деформируемых магнитотвердых сплавов на основе системы железо-хром-кобальт, включает гомогенизацию, закалку, нагрев до 750-800°C, выдержку с выделением сигма-фазы, изотермическую термомагнитную обработку изделий при 670-690°C с последующим многоступенчатым отпуском.

Сущность изобретения заключатся в том, что мелкодисперсные выделения сигма-фазы затрудняют процесс смещения доменных стенок (теория включений) в процессе перемагничивания материала и тем самым повышают его коэрцитивную силу. Хотя в настоящее время общепризнанной точкой зрения на процесс формирования высококоэрцитивного состояния в магнитотвердых сплавах системы Fe-Cr-Co является теория образования однодоменных, анизотропных по форме частиц сильномагнитной α₁-фазы, обогащенной Fe и Со и периодически расположенных в слабомагнитной (немагнитной) матрице α₂, обогащенной Cr, образующихся в процессе спинодального распада высокотемпературного α-твердого раствора при термомагнитной обработке. Сочетание однодоменности и анизотропии формы сильномагнитных частиц обеспечивает высокие значения коэрцитивной силы магнитотвердых сплавов вследствие, как считается, процесса когерентного (или некогерентного) вращения при перемагничивании векторов намагниченности атомов однодоменной частицы. Тем не менее в вопросе о механизме перемагничивания магнитотвердых FeCrCo сплавов имеются веские аргументы в пользу весомого вклада доменных границ в их коэрцитивную силу (S. Jin, D. Brason and S. Mahajans. Coercivity mechanisms in Fe-Cr-Co magnet alloys // Journal Applied Physics, 1982, v.53, No 6, p.4300-4303. W.R. Jones. Mechanism of coercive force in an FeCrCo alloys// Magnetism Letters, 1980, v.1, p, 157-164).

Доменные границы в однодоменных анизотропных ферромагнитных частицах появляются в результате реализации механизма их перемагничивания, предложенного проф. Е.И.Кондорским еще в 40-х годах прошлого столетия. Согласно этому механизму процесс перемагничивания однодоменных анизотропных ферромагнитных частиц начинается путем вращения (однородного или неоднородного) магнитных моментов атомов частицы, затем, когда преодолен энергетический барьер анизотропии формы частицы N=l/d, где l - длина частицы, a d - ее диаметр, l и d меняются местами, возникает неустойчивое состояние, частица разбивается на домены. Окончание процесса перемагничивания заканчивается путем смещения доменных границ и ферромагнитная частица вновь становится однодоменной. Исходя из такого понимания механизма перемагничивания, необходимо для повышения коэрцитивной силы материала не только увеличивать анизотропию формы N частиц, что достигается при термомагнитной обработке, но и создавать препятствия для движения доменных границ в частице. Такими препятствиями движению доменных границ в сильномагнитных частицах α₁-фазы могут быть дисперсные выделения σ-фазы, максимальная скорость выделения которой в магнитотвердых FeCrCo сплавах с 22-26 масс.% Cr и 12-16 масс.% Co лежит в температурном интервале 750-800°C (И.М. Миляев, М.Е. Пруцков, Н.В. Лайшева, А.И. Миляев, В.С. Юсупов. О кинетике образования σ-фазы в магнитотвердых сплавах системы Fe-Cr-Co. // Металлы, 2010, №6, с.73-76).

В качестве примеров в таблице 1 приведены магнитные гистерезисные свойства магнитотвердых сплавов 22Х15КА и 25Х15КА (ГОСТ 2489-81), термообработанных по стандартным гостовским режимам и по режимам, предлагаемым в предлагаемом изобретении.

Из данных таблицы 1 видно, что введение дополнительной операции, связанной с выделением сигма-фазы, при термообработке деформируемых магнитотвердых сплавов системы Fe-Cr-Co приводит к росту остаточной индукции В_r до 8%, увеличению коэрцитивной силы Н_сВ до 20% и повышению максимального энергетического произведения (ВН)_макс. до 22%.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к обработке магнитотвердых сплавов на основе системы Fe-Cr-Co, которые применяются в приборостроении, релейной технике, электромашиностроении, медицине, автомобильной промышленности и т.д. Для повышения коэрцитивной силы изделий из Fe-Cr-Co сплавов осуществляют термическую обработку изделий, включающую гомогенизацию, закалку, термомагнитную обработку и многоступенчатый отпуск, при этом перед проведением термомагнитной обработки дополнительно проводят нагрев и выдержку с обеспечением выделения сигма-фазы. 1 табл.

Способ термической обработки изделий из деформируемых магнитотвердых сплавов на основе системы железо-хром-кобальт, характеризующийся тем, что проводят гомогенизацию, закалку, нагрев до 750-800°С, выдержку с выделением сигма-фазы, изотермическую термомагнитную обработку изделий при 670-690°С с последующим многоступенчатым отпуском.