Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, предназначенным для изготовления магнитопроводов трансформаторов и других магнитных элементов радиотехники и электротехники. Предложен магнитный сплав с улучшенными механическими свойствами, в который дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: никель 0,1 - 2,0; медь 0,5 - 2,0; молибден 0,5 - 5,0; ниобий 0,1 - 4,5; кремний 5 - 18; бор 4 - 12; железо остальное. Сумма компонентов молибден и ниобий составляет 2 - 5 ат.%. Для получения высокой магнитной проницаемости сплав должен обладать структурой, в которой не менее 50% кристаллитов имеют размер менее 100 нм. Также предложен магнитопровод, изготовленный из данного магнитного сплава. 2 с. и 4 з.п.ф., 1 ил., 3 табл.
Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, предназначенным для изготовления магнитопроводов трансформаторов тока, силовых трансформаторов, высокочастотных трансформаторов и других магнитных элементов радиотехники и электроники. Известен магнитный сплав , содержащий железо, медь, молибден, ниобий, кремний, бор, имеющий следующее соотношение компонентов, ат.%; медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,001-4,5, кремний 12-18, бор 7-12, железо - остальное, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2-5 ат%. Из сплава указанного состава с помощью сверхбыстрого охлаждения расплава на барабане-холодильнике получают металлическую ленту с аморфной структурой. В результате отжига в ленте формируется структура, в которой не менее 50% составляют кристаллиты размером менее 100 нм. Именно такая нанокристаллическая структура обеспечивает высокую магнитную проницаемость в магнитопроводе, изготовленном из данного сплава. Лента, полученная разливкой сплава-прототипа, обладает повышенной хрупкостью при толщине ленты около 25 мкм, так что из ленты такой толщины практически невозможно намотать магнитопроводы. Целью данного изобретения является магнитный сплав с улучшенными механическими свойствами. Указанная цель достигается тем, что в магнитный сплав, содержащий железо, медь, молибден, ниобий, кремний и бор, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2-5%, дополнительно вводят никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: никель 0,1-2,0, медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,1-4,5, кремний 5-18, бор 4-12, железо - остальное. Добавка никеля позволяет снизить температуру плавления сплава, улучшить гомогенность расплава и его смачиваемость поверхности барабана-холодильника. Вследствие этого стабилизируется процесс получения металлической ленты, увеличивается выход годной продукции - пластичной аморфной ленты. Добавка никеля увеличивает толщину, при которой охрупчивается аморфная лента, примерно на 5 мкм. Следовательно, по сравнению с прототипом улучшаются механические свойства аморфной ленты. Обнаружено, что при добавке более 1 ат.%, толщина ленты, при которой начинается охрупчивание, уже не возрастает. С другой стороны, содержание никеля менее 0,2 ат.% почти не влияет на механические свойства ленты. Поэтому предпочтительное содержание никеля в сплаве составляет 0,2-1,0 ат%. В этом интервале никель слабо влияет на магнитные свойства и температуру кристаллизации сплава. По сравнению с прототипом несколько расширена область содержания кремния и бора. Для того чтобы получить сплавы с низкой чувствительностью магнитных свойств к сжимающим напряжениям, магнитный сплав должен содержать кремний в интервале 14-17 ат. % и бор в интервале 6-8 ат.%. Для получения магнитного сплава с высокой индукцией насыщения предпочтительно, чтобы содержание кремния составляло 7-11 ат.%, а бора 9-11 ат.%. Высокую магнитную проницаемость обеспечивает структура сплава, имеющая не менее 50% кристаллов размером менее 100 нм. В качестве прототипа выбран магнитопровод , изготовленный из ленты магнитного сплава на основе железа. Состав сплава выражается формулой (Fe 1-a Ma) 100-x- y-z-b R b Cu x Si y B z , где M - Co и/или Ni, R - по крайней мере один компонент из группы Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo. Численные значения индексов находятся в интервалах a = 0-0,5, b = 0,1-30, x = 0,1-3, y = 0-30, z = 0-30, (y+z) = 5-30. Одним из вариантов магнитопровода является ленточный кольцевой магнитопровод, который получают нививкой ленты на оправку круглого сечения (см. фиг. 1). При изготовлении ленточных магнитопроводов важно, чтобы лента была пластичной, поскольку хрупкая лента ломается при навивке. Для повышения пластических свойств ленты предлагается ленточный магнитопровод изготавливать из магнитного сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. %: никель 0,1-2,0, медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,1-4,5, кремний 5-18, бор 4-12, железо - остальное, причем сумма компонентов молибден и ниобий составляет 2-5 ат.%. Для получения высокой магнитной проницаемости предпочтительно, чтобы структура сплава не менее чем на 50% состояла из кристаллов размером менее 100 нм. На фиг. 1 изображен общий вид ленточного кольцевого магнитопровода. Примеры. В индукционной вакуумной печи выплавляли сплавы с разным содержанием никеля, кремния и бора. После расплавления сплава в тигле, расплав разливали на барабан-холодильник, в результате получали ленту толщиной около 25 мкм. Из начального участка ленты, имеющего значительную разнотолщинность, отбирали пробы разной толщины, которые затем изгибали на оправах различного диаметра до излома ленты. По кривым зависимости диаметра оправки, при которой происходил излом ленты, от толщины ленты определяли критическую толщину охрупчивания. Затем из ленты с различным химическим составом навивали ленточные кольцевые магнитопроводы размером 15/25-10 и отжигали их до получения в сплаве нанокристаллической структуры. После отжига на магнитопроводах измеряли магнитные свойства. В табл. 1 представлены результаты определения толщины охрупчивания аморфной ленты сплава Fe 73,5-a Ni a Cu 1 Mo 1,5 Si 13,5 B 9 в зависимости от содержания никеля. Из нее следует, что добавка никеля позволяет увеличить толщину ленты, при которой начинается охрупчивание. В табл. 2 приведены результаты измерений начальной относительной магнитной проницаемости н и магнитной индукции при напряженности магнитного поля 800 А/м (B 800) в магнитопроводах из сплава Fe 95,2-x-y Ni 0,8 Cu 1 Mo 1,5 Nb 1,5 Si x B y . Видно, что для получения магнитопроводов с высокой магнитной индукцией насыщения необходимо снижать в сплаве содержание кремния и бора. Окончательный химический состав сплава выбирают в зависимости от поставленной задачи: высокая магнитная индукция насыщения или высокая начальная магнитная проницаемость. В табл. 3 приведены результаты испытания магнитопроводов из сплава Fe 95,2-x-y Ni 0,8 Cu 1 Mo 1,5 Nb 1,5 Si x B y после отжига и после пропитки магнитопроводов клеем на основе силиката натрия и его сушки. После сушки клей создает в магнитопроводе сжимающие напряжения, которые снижают начальную магнитную проницаемость. Из табл. 3 следует, что с увеличением отношения содержания кремния к бору снижается чувствительность магнитной проницаемости к сжимающим напряжениям. Снижение чувствительности магнитных свойств магнитопровода к сжимающим напряжениям при сохранении высокого уровня этих свойств достигается при содержании кремния в интервале 14-17 ат.% и бора в интервале 6-8 ат.%.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Магнитный сплав, содержащий в качестве компонентов железо, медь, молибден, ниобий, кремний и бор, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2 - 5 ат.%, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, ат.%:Никель - 0,1 - 2,0
Медь - 0,5 - 2,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Ниобий - 0,1 - 4,5
Кремний - 5,0 - 18,0
Бор - 4,0 - 12,0
Железо - Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что его структура не менее, чем на 50% состоит из кристаллов размером менее 10 нм. 3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 14 - 17 ат.% кремния и 6 - 8 ат.% бора. 4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 7 - 11 ат.% кремния и 9 - 11 ат.% бора. 5. Ленточный магнитопровод, содержащий ленту, выполненную из магнитного сплава, содержащего в качестве компонентов никель, медь, молибден, ниобий, кремний, бор, железо, отличающийся тем, что лента выполнена из магнитного сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат.%:
Никель - 0,1 - 2,0
Медь - 0,5 - 2,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Ниобий - 0,1 - 4,5
Кремний - 5,0 - 18,0
Бор - 4,0 - 12,0
Железо - Остальное
Причем сумма компонентов молибдена и ниобий в сплаве составляет 2 - 5 ат.%. 6. Магнитопровод по п.5, отличающийся тем, что лента выполнена из сплава со структурой, не менее чем на 50% состоящей из кристаллов размером менее 100 нм.
В отличие от магнитнотвердых материалов - сплавов для постоянных магнитов, где требуется высокая коэрцитивная сила, большую группу магнитных сплавов представляют так называемые магнитномягкие сплавы, которые в первую очередь должны иметь низкую коэрцитивную силу.
Если высокая магнитная твердость достигалась получением неравновесной, высокодисперсной структуры, то для получения магнитной мягкости необходимо максимальное приближение к равновесному состоянию, а также необходимо получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков.
Кроме низкой коэрцитивной силы, магнитномягкие материалы должны иметь еще и высокую магнитную проницаемость в слабых, средних или сильных полях, низкие потери на перемагничивание и т. д.
Естественно, что наиболее подходящим магнитномягким материалом являются чистые металлы, в первую очередь чистое (технически чистое) железо. В отдельных ограниченных случаях применяют сплавы не только на основе железа, но и других металлов - никеля и кобальта.
Рассмотрим отдельные виды магнитномягких материалов.
Техническое железо - практически почти чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными и поэтому их содержание строго ограничивается.
Промышленность изготавливает две марки технического железа (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (табл. 96, 97).
Таблица 96. (см. скан) Химический состав технического железа, % (не более)
Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна - улучшает. В обычных промышленных сортах железа коэрцитивная сила получается порядка 1 Э или немного ниже, тогда как минимальное значение коэрцитивной силы 0,01 Э получено на очень крупнозернистом чистом железе.
Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высокой температуре. Технически чистое железо применяют для изготовления сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока, магнитных экранов, полюсов электрических машин и других деталей.
Электротехническая сталь представляет собой ферритный сплав железа с кремнием ( см. рис. 280).
Железокремнистый твердый раствор вследствие искажений в решетке, вызванных наличием в ней инородных атомов кремния, имеет более высокую коэрцитивную силу, чем чистое железо, однако в этом сплаве при нагреве можно получить крупное зерно, которое при охлаждении не измельчается, так как нет а-превращения, и это на практике приводит к тому, что значение коэрцитивной силы получается в таком материале не больше, чем в обычном железе. Более высокое электросопротивление легированного кремнием феррита уменьшает потери на токи Фуко.
Электротехническую сталь изготавливают в виде тонких листов, которые используют для изготовления сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин и аппаратов переменного и постоянного тока.
Листовая электротехническая сталь подразделяется по сортаменту (главным образом по толщине), способу производства (холоднокатаный и горячекатаный лист), степени анизотропии, а также основным магнитным характеристикам (магнитная индукция и удельные потери) и степени легирования кремнием.
Для листовых электротехнических сталей принята иная система маркировки, чем для обычных сталей. Эти стали маркируют следующим образом: после первой буквы Э следуют две или больше цифр. Первая цифра за буквой Э показывает содержание кремния (содержание кремния в пределах:
Таблица 97. Магнитные свойства технического железа
2,8-3,8%, 3,8-4,8 % обозначается соответственно цифрами: I, 2, 3, 4). Вторая цифра характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше эти свойства). После первых двух цифр иногда ставят один или два нуля. Один нуль показывает, что сталь холоднокатаная текстурованная (смотри ниже), два нуля - холоднокатаная малотекстурованная.
Таким образом марка означает электротехническую горячекатаную сталь с и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка - такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.
Из изложенного следует, что лишь сплавы и являются ферритными. Магнитные характеристики у них получаются выше, но они более хрупки.
Кристаллы -железа отличаются резко выраженной анизотропией магнитных свойств. Ребро куба является осью наиболее легкого намагничивания, поэтому получение текстуры ребра куба повысило бы магнитную проницаемость в одном направлении, но уменьшило бы ее в другом (перпендикулярном к первому) направлении.
Итак, высокие магнитные свойства могут быть получены на сплавах высокой чистоты (особенно по углероду), при крупном зерне и текстурованной структуре. Технология производства должна обеспечить получение такого состояния.
Современная технология производства высших сортов электротехнической стали заключается в следующем: выплавка стали с заданным содержанием кремния и минимальным углерода (практически содержание углерода получается около затем прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину мм. Перед холодной прокаткой проводят отжиг при При этом содержание углерода уменьшается до . Заключительный отжиг проводят для снятия наклепа и укрупнения зерна при в атмосфере водорода. Если предшествовавшая холодная деформация была значительной то получается текстурованная структура (степень текстурованности порядка если деформация была меньше 7-10%, то получается так называемая малотекстурованная структура. Наконец, если прокатку проводить только в горячем состоянии, то текстуры не будет - магнитные свойства вдоль и поперек прокатки становятся одинаковыми. Текстурованная электротехническая сталь называется трансформаторной сталью, а не текстурованная - динамной.
Следует добавить, что удельные потери на перемагничивание тем меньше, чем тоньше лист, поэтому электротехническую сталь изготавливают только в виде тонких листов толщиной 0,35 и 0,50 мм.
Если в процессе изготовления деталей трансформатора сталь была подвергнута даже незначительной пластической деформации (например, рубке листов, загибу), то магнитные свойства ухудшаются.
В заключение в табл. 98 приведены данные о свойствах электротехнических листовых сталей
Железоникелевые сплавы (пермаллои) - в определенных, узких пределах содержания никеля (около имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость (рис. 385), тогда как у обычного технического железа она приблизительно в десять раз меньше, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).
Свойства пермаллоя классического состава существенно зависят от термической обработки. Наиболее высокую начальную магнитную проницаемость сплав получает при высокотемпературном нагреве в атмосфере водорода (для укрупнения зерна, удаления примеси углерода и устранения остаточных напряжений). Охлаждение в магнитном поле повышает магнитные характеристики. Эффективность магнитной обработки тем больше, чем выше лежит точка Кюри сплава. Поэтому
Таблица 98. (см. скан) Электромагнитные свойства листовой электротехнической стали
магнитная обработка наиболее заметно улучшает свойства сплава с которого точка Кюри имеет наиболее высокую температуру, повышая начальную магнитную проницаемость до
Применяются также сплавы с (гайперники). Без сложной обработки они превосходят пермаллои в магнитных свойствах, но уступают им, если такую сложную обработку провести.
Кроме двойных железоникелевых сплавов, применяют и более сложные по составу с дополнительным легированием кремнием, молибденом, марганцем, медью. Эти элементы повышают электросопротивление, что позволяет применять их на повышенных и высоких частотах, уменьшают чувствительность к наклепу (таково влияние молибдена), повышают стабильность свойств (влияние меди).
Рис. 385. Начальная магнитная проницаемость сплавов
Состав пермаллоев техническими условиями точно не оговаривается, марка указывает лишь примерный состав сплава, но магнитная характеристика должна быть обеспечена. Некоторые пермаллойные сплавы и их наиболее важные магнитные характеристики, зависящие от толщины листа и гарантируемые техническими условиями, указаны в табл. 99.
ОП ИСАНИЕ
ИЗОВРЕТЕН ИЯ Союэ Советсиик
С 22 С 38/16 с присоединением заявки ре—
3ЬеударстаенаМ кемнтет
АЗССР ае «анам нзеаретеннй
М. Н. Раевская, С. С. Коднер, А. А. Черняк и В.;"М. Пришлюк
Изобретение относится к металлургйи, конкретнее к изысканию магнитных сплавов на основе железа, используемых в коммутационных приборах связи.
Инвестен магнитный сплав 1) на ос5 нове железа следующего химического со става, вес. %:
Кобальт 40, 1 — 41.6
Ниобий 2,5- 3,5
Никель, 195- 205 1о"
Берий 0,2 -0,5
Вольфрам 0,05 - 0,8
Железо Остальное
Недостатком этого сплава является низкая коэрцитивная сила. 15
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является магнитный сплав(2) на основе железа следующего химичес- 20 кого состава, вес. %:
Никель 12 - 25
Железо Остальное
В качестве технологических примесей известный сплав содержит кремний и мар ганец в количестве 0,3 вес. % каждого.
Недостаток известного сплава - низкие магнитные свойства.
Бель изобретения — повышение магнит- . ных свойств.
Указанная цель достигается тем, что сплав, содержащий никель, медь и железо, содержит один или более элементов, взятых из группы, содержащей молибден, титан, ниобий, вольфрам при следующем соотношении -компонентов, вес. %:
Никель 18 -25
Один или более элементов иэ группы, содержащей молибден, титан, ниобий, вольфрам 2 - 2,5.
Железо. Остальное.
В качестве технологических примесей предлагаемый сплав содержит кремний и маргайец в количестве 0,03 вес. % каждого.
700 агае- ° ый
2, 1 1,5-3 1,2-1,4
2,5 2-4,5 1,4-1,2
2,0 2,0 1,5-4 1,3-1, 1 0,2
2,1 2,1 1,5-4 1,3-1,1 0,2
Известный
Пример. В открытой индукционной печи выплавлено 25 плавок. Из спла вов изготовлена проволока диаметром
В таблице приведены химический состав и магнитные свойства проволочных образцов длиной 200 мм в состоянии пос. ле отпуска при 530 -600оС, измеренных баллистическим.методом.
Как видно из таблицы, предлагаемый to сплав имеет более высокие значения коэрцитивной силы и магнитной проницаемости, чем известный.
Ь,з предлагаемых сплавов были изго товлены контакты гезаконов для матричных координатных соединителей. Основные параметры гезаконов:
Магнитодвижущая сила срабатывания, А 85
М агнитодвижушая сила отпускания, А
Пробивное напряжение, В
Применение предлагаемых сплавов для гезаконов позволяет повысить надежность коммутационных приборов.
2,8-4,2 1,25-1,4 0,3
1, 5-3 1,3-1,45 0,35
2,5-4,5 1,4-1,2 0,35
2,2-4 1,4-1,2 0,3
Магнитный сплав на основе железа, содержащий никель и медь, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения магнитных свойств, оч дополнительно содержит один или более элементов из группы, содержащей молибден, ти» тан, ниобий, вольфрам, при следующем соотношении компонентов, вес. %: е
5 985127 6 и з о б р е т е н и я Один ипи более элементов из группы, содержащей молибден, титан, ниобий, вольфрам 2-2,5
Железо Ос тальное
Решение научно-технических задач часто связано с поиском материалов, обладающих свойствами, которых нет у природных материалов. К таким прогрессивным разработкам можно отнести прецизионные сплавы, в частности, инвар.
Под прецизионными сплавами понимают такие металлические сплавы, которые придают выбранному основному металлу дополнительные, заранее заданные свойства. Иногда удаётся получить уникальные физические, химические или механические свойства. Итоговый результат определяется процентным соотношением каждого из металлов в сплаве. Для получения подобных сплавов используют следующие металлы: железо, никель, медь, кобальт и многие другие.
Очень интересную группу составляют прецизионные сплавы, обладающие так называемыми аномальными свойствами. Например, у них практически не изменяются, или изменяются в небольших пределах физические свойства при изменении внешних воздействий:
- температуры внешней среды;
- величины и свойств магнитного и электрического полей (амплитуды, частоты, фазы и поляризации);
- увеличение или ослабление механических нагрузок;
- воздействия реактивных сред.
Наиболее применяемых подобных сплавов насчитывается около двенадцати. Самые распространённые: инвар (магнитный сплав железа с никелем), элинвар, константан, перминвар, манганин.
Инвар получил своё название от латинского слова «неизменный». Он создан достаточно давно — ещё в 1896 году швейцарским химиком и металлургом Гийомом. Однако свойства этого сплава были оценены по достоинству гораздо позже. Сам автор за это открытие получил Нобелевскую премию по физике. Особое внимание обратили на физико-химические свойства инвара разработчики точной измерительной техники.
Физико-химические свойства инвара
Инвар — это сплав железа с никелем. Процентные соотношения этих металлов распределяются следующим образом: железо – 64%. Никель -36%. Сам сплав с латинским названием «Invar» как торговая марка зарегистрирован компанией ArcelorMital. Тем не менее, она не обладает всеми правами на изготовление инвара. В России этот сплав изготавливается по ГОСТ со своим наименованием. Наиболее распространённым и часто используемым, считается инвар 36Н.
К физически свойствам относятся:
- Коэффициент теплового расширения. Он достаточно низкий при очень широком диапазоне температуры (от -80°C до +100°C).
- Температура плавления. Она составляет 1430°C.
- Предел механической прочности равен 49 кгс/мм 2 .
- Плотность стандартного сплава составляет 8130 кг/м³,
Эти уникальные физические характеристики объясняются следующими химическими свойствами:
- Имеет характерно выраженную однофазную структуру.
- Маленький коэффициент теплового расширения объясняется тем, что при нагреве общее тепловое расширение компенсируется магнитострикционным снижением объёмного показателя.
Для улучшения характеристик его подвергают различным видам механической обработки. Чтобы повысить прочность проводят холодную пластическую деформацию, а затем термообработку при низкой температуре. Повышение стойкости к коррозии достигается специальной полировкой. Высокой устойчивости к воздействию агрессивной внешней среды добиваются нанесением специальных защитных покрытий.
Часто на практике применяются две разновидности инвара: суперинвар с пониженным коэффициентом линейного расширения и нержавеющий инвар, в состав которого входит железо (почти 37%), кобальт (не менее 54%), хром (около 9%).
Применение инвара
Данный сплав железа с никелем изготавливается в форме проволоки или тонкой плоской ленты. Иногда по требованию заказчика ему придают другую форму. Это могут быть: небольшие по размеру листы, прутки или лента. Улучшение свойств обеспечивается за счёт создания особых технологических условий: плавки, последующей термической обработки, специфической деформации и обработки поверхности.
Инвар используется для производства некоторых деталей приборов, измерительной и экспериментальной аппаратуры, которые не должны менять свои линейные размеры в зависимости от изменений окружающей температуры. Из этого сплава изготавливают различные датчики, преобразователи энергии, одну из составляющих биметаллических элементов. Благодаря своим характеристикам он использовался для производства эталонов длины и массы.
Инвар применяется также в бытовой технике: телевизорах, радиоприёмниках, аудио и видеомагнитофонах, некоторых моделях высокоточных маятниковых часах.
Небольшие размеры деталей, сложность и высокая стоимость производства требует аккуратного обращения с аппаратурой, имеющей в своём составе прецизионные сплавы, такие как инвар.
Разновидности инвара применяются при производстве переходов металл-стекло, мембранных ёмкостей для перевозки сжиженного газа, в микроэлектронике в качестве подложек чипов, корпусов лазерных установок, волноводов. В последнее время разработана надёжная методика сварки. Это позволило значительно расширить область его применения.