магнитострикционный сплав на основе железа

Формула изобретения

Магнитострикционный сплав на основе железа, содержащий алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, фосфор, серу, по крайней мере один элемент из группы германий и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,04 - 0,1

Алюминий - 7 - 14

Фосфор - 0,02 - 0,2

Сера - 0,05 - 0,5

по крайней мере один элемент из группы

Германий - 0,1 - 0,5

Кремний - 0,1 - 0,5

Железо - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к магнитно-мягким магнитострикционным сплавам на основе системы железо-алюминий, предназначенным для сердечников магнитострикционных преобразователей, используемых в ультразвуковой и электровибрационной технике.

Известен сплав на основе железа следующего химического состава, (патент США 3971687, кл. 148-111, 1976):

Алюминий - 0,3 - 2,4

Углерод - 0,1

Марганец - 0,15 - 0,35

Медь - Не более 0,25

Сера - Не более 0,5

Фосфор - Не более 0,2

Кремний - Не более 2,0

Железо - Остальное

Этот сплав имеет малую магнитострикцию насыщения.

Наиболее близким по техническому решению является сплав на основе железа, имеющий состав.

Алюминий - 2 - 10

Железо - Остальное [1]

Недостатком этого сплава является низкая магнитострикция насыщения (_s 4010^-6).

Целью изобретения является повышение магнитострикции в ленте при одновременном пластичности.

Данная цель достигается путем легирования сплава на основе железа, содержащего алюминий, дополнительно фосфором, германием и/или кремнием, серой и углеродом при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий - 7 - 14

Фосфор - 0,02 - 0,2

Сера - 0,05 - 0,5

Углерод - 0,04 - 0,1

По крайней мере, один элемент из группы германий и кремний - 0,1 - 0,5

Железо - Остальное

Повышение содержания алюминия в сплаве до 14% позволяет стабильно получать высокие значения магнитострикции насыщения за счет более высоких констант магноитострикции. Кроме того, такой сплав имеет повышенное удельное электросопротивление (1,2 - 1,3 мкОмм), что делает его использование эффективным при высоких частотах перемагничивания.

Увеличение содержания алюминия более 14% приводит к снижению магнитострикции насыщения как в силу снижения констант магнитострикции, так и в силу уменьшения способности сплава к вторичной рекристаллизации, вызванного увеличением содержания неметаллических включений Al₂O₃.

Уменьшение содержания алюминия менее 7% снижает способность сплава к вторичной рекристаллизации, ввиду уменьшения количества фазы ингибитора константы магнитострикции резко снижаются, и магнитострикция насыщения уменьшается. Кроме того, снижение алюминия менее 7% приводит к значительному снижению электросопротивления, что делает невозможным использование такого сплава при высоких частотах перемагничивания.

Введение фосфора или наличия других элементов позволяет контролировать размер зерна в готовой ленте, повысить уровень и воспроизводимость магнитострикционных и магнитных свойств за счет создания однородной структуры, снизить требования к атмосфере высокотемпературного отжига.

Так, если содержание фосфора менее 0,02 мас.% не оказывает заметного влияния на степень текстурированности сплава при отжиге в вакууме с остаточным давлением ниже 10^-4 мм рт. ст. или водороде с точкой росы менее минус 60^oC, то содержание фосфора 0,02 - 2% позволяет проводить термообработку в вакууме 10^-3 - 10^-4 мм рт. ст. или водороде с точкой росы минус 50 минус 60^oC.

Содержание фосфора выше 0.2 мас.% препятствует процессу роста зерен с ориентировкой (110) [001], в результате величина магнитострикции насыщения снижается.

Введение германия и/или кремния благоприятно влияет на процесс образования текстуры (110) [001] и в конечном итоге на величину магнитострикции. Это связано с большой диффузионной подвижностью этих элементов, проявляющейся при нагреве и отжиге. Границы зерен обогащаются этими элементами, канавки термического травления "залечиваются" при термообработке парами германия и/или кремния и зерна с ориентировкой (110) [001] получают преимущество в росте.

Повышение содержания германия и/или кремния более 0,5% не желательно, так как оно вызывает увеличение количества неметаллических включений, образующихся в виде окислов германия и/или кремния и препятствующих росту зерен с ориентировкой (110) [001]

Уменьшение содержания германия и/или кремния ниже 0,1% не оказывает заметного влияния на возникновение текстуры (110) [001]. Такое количество германия и/или кремния не образует достаточной концентрации паров этих элементов и не способствует увеличению магнитострикции.

Введение в сплав серы в количестве 0,05 - 0,5 мас.% позволяет повысить способность сплава к вторичной рекристаллизации за счет формирования ингибиторной фазы на основе сульфидов алюминия, что и позволяет получить совершенную текстуру (110) [001], обеспечивающую при намагничивании наличие 180^o доменов. Кроме того, наличие серы в расплавленном металле повышает его жидкотекучесть (снижает вязкость), что позволяет получать при скоростной закалке расплава на металлической поверхности ленту толщиной 0,15 - 0,30 мм за счет снижения температуры выпуска расплава.

Содержание в сплаве серы более 0,5% не желательно, так как потребует для ее удаления длительной термической обработки при 1150 - 1200^oC, что приведет к большой разнозернистости, к подавлению текстуры (110) [001] и к снижению магнитострикции насыщения.

Наличие серы менее 0,05% заметно не влияет на процесс текстурообразования и не вызывает увеличения магнитострикции, так как такое количество серы не образует достаточное количество фазы ингибитора.

Для создания благоприятной для повышения магнитострикции магнитной текстуры, содержащей значительное количество 90^o доменов, в сплаве должно находится 0,04 - 0,1% по массе углерода. Желательно, чтобы он был в виде игольчатых карбидов алюминия, направленных вдоль осей <001>. Такие карбиды формируются при специальном режиме термической обработки и образуют 90^o домены за счет перестройки 180^o доменов, соответствующих кристаллографической текстуре (11-) [001].

Содержание углерода менее 0,04% не оказывает заметного влияния на повышение магнитострикции насыщения, так как количество образующих карбидов недостаточно для перестройки 180^o доменов в 90^o.

При содержании углеродов более 0,1% значительно ухудшаются магнитные свойства, сильно возрастают напряжения, вызванные выделениями карбидов алюминия, и в итоге магнитострикция уменьшается.

Примеры исполнения.

Сплавы заявленного состава выплавлялись в 50 килограммовых вакуумно-индукционных печах с использованием магнезитовых тиглей. В качестве шихты были взяты железо 0088ЖР, алюминий чистоты 99,99%, германий и/или кремний зонного переплава чистоты 99,9999, феррофосфор с 15% фосфора, химически чистый графит, сера ЧДА.

Выплавленный металл разливали в печи вакуумом на слитки, которые использовались в качестве заготовок для дальнейшего передела на ленту. В зависимости от содержания алюминия использовались два различных способа технологического передела.

При алюминии 7 - 8 мас.% для получения магнитострикционной ленты толщиной 0,25 - 0,40 мм применяли традиционный технологический передел, включающий ковку выплавленных слитков на сутунку, горячую прокатку, травление, нормализационный отжиг, холодную прокатку и высокотемпературный отжиг при 1150 - 1200^oC в вакууме или водороде.

При содержании в сплаве 9 - 14% алюминия он обладает повышенной хрупкостью и для ее устранения при получении ленты толщиной 0,14 - 0,28 мм использовался способ скоростной закалки расплава на металлической поверхности с последующей холодной прокаткой и высокотемпературным отжигом ленты при 1100 - 1150^oC.

В обоих случаях и для сплавов с 7 - 8% алюминия и для сплавов с 9 - 14% алюминия получали текстурованную ленту с большим объемом 90^o доменов и высокой магнитострикцией насыщения.

В табл. 1 приведен химический состав сплавов, используемых для получения магнитострикционной ленты.

Значение магнитострикции в ленте толщиной 0,2 мм сплавов, имеющих состав в соответствии с табл. 1, приведены в табл. 2. В ней же приведены значения относительного удлинения, определенные в соответствии с ГОСТ 11701-70.

Этот результат достигается благодаря высокому совершенству текстуры (110) [001], которая занимала 90 - 95% рекристаллизованной ленты.

Магнитострикция насыщения измерялась фотометрическим методом на образцах 0,230280 мм Ястребов И. Г. , Бабичев Л.П. и др. Методы измерения магнитострикции магнитномягких сплавов, "Измерительная техника", 1987, N 8, с. 54 - 56).

Как видно из полученных данных, магнитострикционный сплав предлагаемого состава имеет высокие и стабильные значения магнитострикции насыщения при сохранении достаточной для изготовления изделий пластичности.

В результате реакции предложенного сплава была получена технологичная магнитострикционная лента толщиной 0,14 - 0,40 мм, которая хорошо штамповалась, резалась, свертывалась в рулон и т.д. Из ленты толщиной 0,17 мм было изготовлено несколько магнитострикционных преобразователей. Проведенные испытания показали, что они могут успешно конкурировать с аналогичными преобразователями из никеля и пермендюра (сплав 49К2Ф) как по стоимости, так и по ваттным потерям и амплитуде резонансных колебаний.