способ изготовления магнитострикционного магнитно-мягкого сплава системы железо-алюминий

Формула изобретения

1. Способ изготовления магнитострикционного магнитно-мягкого сплава системы железо алюминий, включающий выправку, холодную прокатку с обжатием 5 20% и высокотемпературный отжиг, отличающийся тем, что выплавляют сплав, содержащий 12 14 мас. алюминия, после выплавки осуществляют разливку жидкого металла на ленту со скоростью охлаждения (10⁴ - 10⁵)^oС/с, а высокотемпературный отжиг ленты проводят в вакууме при 1100 1200^oС в течение 1 2 ч с последующим охлаждением до 800 - 850^oС со скоростью не менее 50^oС/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение до 800 850^oС проводят со скоростью 50 100^oС/мин.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разливку жидкого металла на ленту осуществляют по двухвалковой схеме.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к созданию магнитострикционных сплавов и может быть использовано при производстве сердечников преобразователей для ультразвуковой и электровибрационной техники.

Известен способ получения магнитного сплава, содержащего 2 - 6% алюминия, остальное железо, включающий выплавку, ковку, горячую прокатку с промежуточным и окончательным высокотемпературным отжигом [1].

Недостатком данного способа является низка магнитострикция (510^-6).

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ изготовления магнитного сплава, содержащего 3 - 6% алюминия, включающий выплавку, ковку, горячую прокатку, холодную прокатку с промежуточным и окончательным высокотемпературным отжигами и конечную холодную прокатку с суммарным обжатием 5 - 20% [2].

Недостатком этого способа является низкая магнитострикция (22-36)10^-6.

Предложенное техническое решение направлено на получение сплавов железо-алюминий, где алюминия 12 - 14% по массе, с высокой магнитострикцией и достаточной технологической пластичностью.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе изготовления магнитно-мягкого магнитострикционного сплава, преимущественно системы железо-алюминий, включающем выплавку, холодную прокатку и высокотемпературный отжиг, согласно изобретению получают сплав с содержанием 12 - 14% алюминия, при этом после выплавки сплава осуществляют разливку жидкого металла на ленту со скоростью 10⁴ - 10^{5 o}C/с по двухвалковой схеме, а высокотемпературный отжиг полученной ленты производят при 1100 - 1200^oC в течение 1 - 2 ч в вакууме с последующим охлаждением до температуры 800 - 850^oC со скоростью 50 - 100^oC/мин. Холодную прокатку с обжатием 5 - 20% рекомендуется проводить перед высокотемпературным отжигом.

Сущность предложенного технического решения заключается в создании в результате скоростной закалки расплава в двух валках микрокристаллической структуры с размером зерна 10 - 20 мкм в виде ленты толщиной 0,20 - 0,25 мм. Такая лента хорошо прокатывалась в холодную, легко резалась, сматывалась в рулон и штамповалась. Природная хрупкость сплава Fe - 12 - 14% A1 была преодолена за счет мелкозернистой кристаллической структуры и частичного подавления упорядочения при скоростной закалке расплава. Холодная прокатка микрокристаллической ленты с обжатием 5 - 20% и высокотемпературный отжиг с резким охлаждением на начальном этапе обеспечили создание текстурованного по типу (110)<oke> магнитно-мягкого материала в виде ленты с определенным объемом 90^o доменов, созданных за счет выделений карбидов алюминия, что предопределило получение высокой магнитострикции насыщения ( _s 7010^-6) в сравнительно малых магнитных полях (50 - 100 Э).

Выбор двухвалковой схемы разливки со скоростью охлаждения расплава 10⁴ - 10^5oC/с обусловлен необходимостью обеспечения скорости закалки при толщине получаемой ленты 0,20 - 0,25 мм. Минимальная величина среднего размера зерна получаемой ленты 10 мкм соответствует наибольшей пластичности 5% при максимальной скорости охлаждения 10^5oC/с, ограниченной техническими возможностями установки для микрокристаллического литься (скоростью вращения валков, эффективностью их охлаждения, температурой выпуска расплава, давлением валков, объемом охлаждаемого расплава и другими параметрами установки).

Выбор температуры отжига 1100 - 1200^oC позволяет получить максимальные значения магнитострикции насыщения в минимальных магнитных полях. Интервал температур термической обработки определяется наиболее эффективными при этих температурах процессами рафинировки и тесно связанным с ним процессом формирования текстуры. Сульфиды алюминия и карбиды алюминия растворяются наиболее благоприятным образом, обеспечивая получение совершенной текстуры (110)<Oke>. Более высокие температуры вызывают сильный рост зерен всех ориентировок и не позволяют получить текстуру (110)<Oke>, а тем самым уменьшают объем 90^o доменов, образующихся благодаря выделению карбидов, и определяющих величину магнитострикции.

Температуры ниже 1100^oC дают более низкие значения магнитострикции насыщения в силу заторможенности или остановки процессов рафинировки и текстурообразования. Выбор длительности термообработки определяется оптимальными значениями магнитострикции насыщения и связан с условиями получения оптимальной текстуры в ленте.

Интервал температур термообработки связан с весом садки.

Скорость охлаждения в вакууме 50 -100^oC/мин, обеспечивает формирование карбидов алюминия по осям <100>, как из твердого раствора, так и из газовой фазы над поверхностью ленты [3]. Определенную роль играют напряжения, возникающие при таких скоростях охлаждения. Причем направления <100> являются наиболее благоприятными для их концентрации. После выпадания карбидов имеет место напряженное состояние, которое снимается при дальнейшем охлаждении с температуры 800 - 850^oC. При намагничивании около выпавших карбидов возникают направленные напряжения, обеспечивающие перестройку 180^o границ в 90^o и максимальные значения магнитострикции.

Использование температур ниже 800^oC вызывает излишние напряжения, которые могут сохраниться при медленном 100^oC/ч охлаждении и не позволит получить максимальных значений магнитострикции насыщения в магнитных полях 50 - 100 эрстед. Охлаждение до температур выше 850^oC не позволяет получить достаточное количество направленных карбидов в силу их растворения и в дальнейшем обеспечить достаточный объем 90^o доменов, а т.е. не даст высоких значений магнитострикции.

Увеличение времени термической обработки свыше 2 ч вызовет уменьшение углерода ниже оптимального уровня и приведет к снижению количества направленных карбидов, уменьшению объема 90^o доменов, а т.е. к снижению уровня магнитострикции насыщения.

Уменьшение времени выдержки при 1100 - 1200^oC менее 1 ч не даст должного развития процессу рекристаллизации и не будут получены высокие значения магнитострикции.

Проведение охлаждения со скоростями более 100^oC/мин ограничено техническими возможностями используемого оборудования, так как масса садки отжигаемого металла, объем бесфутеровочной печи и среда отжига безусловно ограничивают скорость охлаждения.

Охлаждение со скоростью мене 50^oC/мин не дает значительного эффекта увеличения магнитострикции, так как выделения карбидов алюминия незначительны и не весь объем 180^o границ перестраивается в 90^o.

Холодная прокатка с обжатием более 20% приводит к разрушению текстуры, полученной во время литья, и тем самым не позволяет получить совершенную текстуру (110)<Oke> и мы не достигаем высоких значений магнитострикции насыщения.

Холодная прокатка с обжатием менее 5% при имеющейся разнотолщинности ленты в толщине 0,2 - 0,25 мм технически трудно реализуема и не дает заметного увеличения магнитострикции насыщения.

Выбор сплавов с содержанием алюминия 12 - 14% алюминия по массе не случаен. Такие сплавы имеют наивысшие константы магнитострикции, а т.е. и наибольшие значения магнитострикции насыщения.

Пример осуществления способа.

Сплав Fe - 13% Al выплавляли в вакуумно-индукционной печи с объемом магнезитового тигля 25 кг. Разработанная технология выплавки позволила получить заготовки, содержащие: 0,003% кислорода; 0,2% серы и 0,02% углерода по массе. Операция ковки была исключена благодаря разливки металла в печи под вакуумом в изложницу диаметром 77 мм.

Разливка полученных заготовок на ленту толщиной 0,25 мм проводилась на машине АМКЛ-150, изготовленной ВНИИМетМаш по заданию Института прецизионных сплавов. Расплавление заготовок Fe-A1 сплавов производили в индукционной печи под защитной атмосферой (чистый аргон) для предотвращения окисления металла и изменения его химического состава. После расплавления заготовок при определенной температуре выпуска металл через шибер и сопло попадал в створ двух бронзовых водоохлаждаемых валков, вращающихся навстречу друг другу со скоростью 6,5 м/с, где охлаждался со скоростью 10^{4 o}C/с. Полученную закаленную ленту толщиной 0,25 мм и шириной 150 мм прокатывали с обжатием 10%, отжигали в вакуумной печи с остаточным давлением 510^-4 мм рт.ст., при 1100^oC в течение 1 ч и охлаждали со скоростью 50^oC/мин до 800^oC, а затем охлаждали по 100^oC/ч. до 400^oC, далее охлаждали с выключенной печью под вакуумом до 100^oC.

Результаты испытаний, а также остальные примеры осуществления способа с различными технологическими параметрами приведены в таблице.

Из приведенных в таблице данных следует, что предлагаемый нами способ обеспечивает получение сплавов с магнитострикцией в 1,5 - 3 раза большей, чем у аналога.

В результате реализации предложенного способа получена технологичная лента сплавов Fe - 12 - 14% Al, с магнитострикцией насыщения 7010^-6, из которой изготовлены магнитострикционные преобразователи, способные конкурировать с аналогами из никеля и пермендюра (сплав 49К2Ф).

Измерения магнитострикции производили фотоэлектрическим методом при частоте перемагничивания 50 Гц и размере образца 0,2х30х280 мм [4].

Коэрцитивная сила, измеренная на образцах, изготовленных в соответствии с п.1 - 6 таблицы, в среднем равнялась 15 А/м, магнитная индукция насыщения 1,6 Тл.