Магнитомягкий аморфный материал на основе Fe-Ni в виде ленты Российский патент 2023 года по МПК C22C45/02 C22C45/04 H01F1/147 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аморфным магнитомягким сплавам на основе системы Fe-Ni, полученным в виде ленты в процессе закалки расплава на вращающийся медный диск, и может быть использовано в электротехнических устройствах, например, в магнитопроводах и высокочастотных трансформаторах.

Магнитомягкие аморфные материалы на основе железа и никеля обладают низкими значениями коэрцитивной силы, высокой намагниченностью насыщения, высокой магнитной проницаемостью, а это в свою очередь делает их энергоэффективными материалами для сердечников трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности и др..

Известен нанокристаллический магнитомягкий материал с химической формулой Fe_aSi_bB_cP_dC_eNi_f, где а 75-86, b 2-4, с 8-14, d 1-3, е 0.5-1, f 0-20 [CN 109930080 В, опублик. 2019.04.09 г.]. У данного состава намагниченность насыщения составляет от 1.72-1.87 Тл, коэрцитивная сила - от 7.9 до 13.5 А/м, а магнитная проницаемость при частоте 1 кГц варьируется в диапазоне от 8000 до 10000. Заданные свойства получаются за счет применения термической обработки к аморфным материалам заданного состава при температурах 470-550°С с выдержкой 2-60 с, при которой в структуре появляются кристаллические составляющие размером 16-21 нм.

Недостатком данного изобретения является достаточно низкий комплекс высокочастотных магнитных свойств по сравнению с предлагаемым магнитомягким материалом из-за малого содержания никеля Ni в составе - менее 20% ат..

Известны магнитомягкие аморфные сплавы системы Fe_aNi_bB_cSi_dP_eNb_f, [CN 102867608 А, опублик. 2012.08.29 г.], в пределах а от 10 до 75, b от 5 до 70, с от 4 до 24, d от 0.1 до 15, е от 1 до 14, f от 0.01 до 6, представленные в виде стержней (объемные аморфные материалы) и обладающие отличными магнитными и механическими характеристиками. Термическую обработку объемных материалов проводили при температурах (T_g-150), (T_g+10), T_g с выдержкой 1-120 мин для улучшения комплекса магнитных свойств. Наиболее благоприятным набором свойств обладают сплавы с равным содержанием железа и никеля в составе.

Недостатком данного изобретения является использование достаточно дорого элемента ниобия Nb, а также низкие значения магнитной проницаемости около 20000 при частоте 1 кГц.

Известен аморфный материал Fe_aB_bSi_cP_xC_yCu_z [RU 2509821 С2, опублик. 20.03.2014 г.], где в ат.% а от 79 до 86, b от 5 до 13, х от 0 до 8, у от 0 до 5, z от 0.4 до 1.4 и z/x от 0.08 до 0.8, обладающий высокой магнитной индукцией свыше 1.65 Тл. Заданные свойства получают за счет получения нанокристаллической структуры материала в результате применения термической обработки при том условии, что скорость повышения температуры составляет 100°С или более в минуту, и том условии, что температура процесса не ниже, чем температура начала кристаллизации сплава.

Недостатком изобретения является низкая магнитная проницаемость не более 30000 и высокая коэрцитивная сила по сравнению с предлагаемым изобретением.

Технической задачей данного изобретения является разработка перспективного магнитомягкого аморфного материала с улучшенным комплексом свойств, обладающий высокой намагниченностью насыщения более 0.74 Тл, магнитной проницаемостью более 42000 при частоте 1 кГц и низкой коэрцитивной силой менее 1.13 А/м.

Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении намагниченности насыщения более 0.74 Тл и магнитной проницаемости более 42000 при частоте 1 кГц, а также в понижении коэрцитивной силы менее 1.13 А/м.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Магнитомягкий аморфный материал на основе системы Fe-Ni в виде ленты содержит фосфор, бор, кремний и углерод при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Fe 31.6-47.4 Ni 31.6-47.4 В 10-14 Р 3-7 Si 2-4 С 0.5-1.5

Для достижения заявленных свойств к магнитомягкому аморфному материалу применяется термическая обработка, которая осуществляется в вакууме под давлением 10^-3 Па при температурах на 20 С ниже температуры расстеклования магнитомягкого аморфного материала с выдержкой в интервале температур от 20 до 40 минут.

Изобретение поясняется чертежом, где представлены: на фиг. 1 - рентгенограммы аморфных материалов после литья, на фиг. 2 - рентгенограммы аморфных материалов после 20 мин термообработки, на фиг. 3 - зависимость магнитной проницаемости аморфных материалов после 20 мин термообработки от частоты в диапазоне 1 кГц-1 МГц, на фиг. 4 - петли гистерезиса аморфных материалов после 20 мин термообработки.

На фиг. 1-4 показаны: кривая 1, 4, 7, 10 иллюстрирующая состав Fe_31.6Ni_47.4B₁₂P₅Si₃C₁, кривая 2, 5, 8, 11 иллюстрирующая состав Fe_39.5Ni_39.5B₁₂P₅Si₃C₁, кривая 3, 6, 9, 12 иллюстрирующая состав Fe_47.4Ni_31.6B₁₂P₅Si₃C₁.

Осуществление изобретения

Аморфные ленты изготавливают из системы сплавов, состав которых описывается следующей формулой (в ат. %):

Fe_aNi_bB_cP_dSi_eC_f, где

а 31.6-47.4 b 31.6-47.4 с 10-14 d 3-7 е 2-4 f 0.5-1.5

Железо Fe является одним из основных магнитных элементов. С увеличением содержания железа увеличивается магнитострикция, а это приводит к снижению магнитной проницаемости.

Никель Ni является ферромагнитным элементом, значительно снижающий магнитострикцию, при этом улучшает значения магнитной проницаемости.

Для обеспечения высоких магнитных свойств сплавов с аморфной структурой содержание железа и никеля должно контролироваться и суммарно составлять не более 80 ат.%.

Фосфор Р, бор В, кремний Si и углерод С вводят в указанных значениях для обеспечения высокой стеклообразующей способности сплавов. Основные результаты представлены в таблице 1, демонстрирующей характеристические температуры сплавов и их магнитные свойства после термообработки.

Для получения заданного состава предлагается следующая технология.

Чистые элементы Fe, Ni, Si, С (99.9% чистоты) и лигатуры Ni-9.2%B-1%C (мас. %), Fe-8%P (мас. %) сплавляются в электродуговой вакуумной печи в атмосфере аргона. Элементы бор В, углерод С и фосфор Р вводят в виде лигатур для уменьшения их испарения в процессе плавки.

Из переплавленной однородной лигатуры получают аморфные ленты методом закалки расплава на вращающийся медный диск с помощью установки для спиннингования.

По результатам проведенных исследований выявлено, что термическая обработка аморфных лент благоприятно влияет на магнитные свойства. Отжиг лент осуществлялся в вакууме под давлением 10^-3 Па с целью предотвращения окисления материалов при температурах на 20°С ниже температуры расстеклования (T_g) с выдержкой в интервале температур от 20 до 40 минут.

Структура термообработанных сплавов исследована рентгеноструктурным анализом. Намагниченность насыщения (M_s) была определена с помощью вибрационного магнитометра при магнитном поле 250 кА/м. Коэрцитивная сила (H_c) исследовалась на пермеаметре в режиме постоянного тока при поле 800 А/м. Магнитная проницаемость (μ) измерялась при поле 5 А/м в диапазоне частот 1 кГц-1 МГц.

Пример 1

Сплав 1 - Fe_31,6Ni_47.4B₁₂P₅Si₃C₁ (ат. %).

Для получения сплава использовались чистые элементы Fe, Ni, Si, С (99.9% чистоты) и лигатуры Ni-9.2%B-1%C (мас. %), Fe-8%P (мас. %). Переплав шихтовых материалов проводили в электродуговой вакуумной печи в атмосфере аргона. Из переплавленной однородной лигатуры получали аморфную ленту методом закалки расплава на вращающийся медный диск с помощью прибора для спиннингования. Термическую обработку образцов лент осуществляли в вакууме под давлением 10^-3 Па при температуре 674 К с выдержкой 20 минут.

Исследование исходной (фиг. 1) и термообработанной (фиг. 2) структуры лент проводили с помощью рентгеноструктурного анализа. Намагниченность насыщения Ms была определена с помощью вибрационного магнитометра при магнитном поле 250 кА/м. Коэрцитивная сила H_c исследовалась на пермеаметре в режиме постоянного тока при поле 800 А/м. Магнитная проницаемость μ измерялась при поле 5 А/м в диапазоне частот 1 кГц-1 МГц (фиг. 3). Благодаря данной термической обработке достигаются высокие значения намагниченности насыщения 0.74 Тл (фиг. 4), магнитной проницаемости 42000 при 1 кГц и низкие значения коэрцитивной силы 1.13 А/м.

Пример 2

Сплав 2 - Fe_39.5Ni_39.5B₁₂P₅Si₃C₁ (ат. %).

Для получения сплава использовались чистые элементы Fe, Ni, Si, С (99.9% чистоты) и лигатуры Ni-9.2%B-1%C (мас. %), Fe-8%P (мас. %). Переплав шихтовых материалов проводили в электродуговой вакуумной печи в атмосфере аргона. Из переплавленной однородной лигатуры получали аморфную ленту методом закалки расплава на вращающийся медный диск с помощью прибора для спиннингования. Термическую обработку образцов лент осуществляли в вакууме под давлением 10^-3 Па при температуре 682 К с выдержкой 20 минут.

Исследование исходной (фиг. 1) и термообработанной (фиг. 2) структуры лент проводили с помощью рентгеноструктурного анализа. Намагниченность насыщения M_s была определена с помощью вибрационного магнитометра при магнитном поле 250 кА/м. Коэрцитивная сила H_c исследовалась на пермеаметре в режиме постоянного тока при поле 800 А/м. Магнитная проницаемость μ измерялась при поле 5 А/м в диапазоне частот 1 кГц-1 МГц (фиг. 3). Благодаря данной термической обработке достигаются высокие значения намагниченности насыщения 0.95 Тл (фиг. 4), магнитной проницаемости 58000 при 1 кГц и низкие значения коэрцитивной силы 0.6 А/м.

Пример 3

Сплав 3 - Fe_47.4Ni_31.6B₁₂P₅Si₃C₁ (ат. %).

Для получения сплава использовались чистые элементы Fe, Ni, Si, С (99.9% чистоты) и лигатуры Ni-9.2%B-1%C (мас. %), Fe-8%P (мас. %). Переплав шихтовых материалов проводили в электродуговой вакуумной печи в атмосфере аргона. Из переплавленной однородной лигатуры получали аморфную ленту методом закалки расплава на вращающийся медный диск с помощью прибора для спиннингования. Термическую обработку образцов лент осуществляли в вакууме под давлением 10^-3 Па при температуре 703 К с выдержкой 20 мин.

Исследование исходной (фиг. 1) и термообработанной (фиг. 2) структуры лент проводили с помощью рентгеноструктурного анализа. Намагниченность насыщения M_s была определена с помощью вибрационного магнитометра при магнитном поле 250 кА/м. Коэрцитивная сила H_c исследовалась на пермеаметре в режиме постоянного тока при поле 800 А/м. Магнитная проницаемость μ измерялась при поле 5 А/м в диапазоне частот 1 кГц-1 МГц (фиг. 3). Благодаря данной термической обработке достигаются высокие значения намагниченности насыщения 0.98 Тл (фиг. 4), магнитной проницаемости 51000 при частоте 1 кГц и низкие значения коэрцитивной силы 1.1 А/м.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аморфным магнитомягким сплавам на основе системы Fe-Ni, полученным в виде ленты в процессе закалки расплава на вращающийся медный диск, и может быть использовано в электротехнических устройствах, например, в магнитопроводах и высокочастотных трансформаторах. Магнитомягкий аморфный материал на основе системы Fe-Ni в виде ленты содержит, ат.%: Fe 31,6-47,4, Ni 31,6-47,4, В 10-14, Р 3-7, Si 2-4, С 0,5-1,5. Технический результат заключается в повышении намагниченности насыщения более 0,74 Тл и магнитной проницаемости более 42000 при частоте 1 кГц, а также в понижении коэрцитивной силы менее 1,13 А/м. 4 ил., 1 табл., 3 пр.

Магнитомягкий аморфный материал на основе системы Fe-Ni в виде ленты, содержащий фосфор, бор, кремний и углерод, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Fe 31,6-47,4 Ni 31,6-47,4 В 10-14 Р 3-7 Si 2-4 С 0,5-1,5