высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями и изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, содержащий бор, кремний и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фосфор и никель при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Бор - 7,5 - 11,5

Кремний - 7,0 - 10,5

Фосфор - 1,0 - 4,0

Никель - макс.1,5

Железо - Остальное

при этом суммарное содержание фосфора, кремния и бора составляет 19,5 - 22,0 ат.%, суммарное содержание бора и фосфора составляет 11,0 - 13,5 ат.%, а температура кристаллизации сплава не менее 515^oC.

2. Аморфный сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,4 - 0,6 ат.% никеля и 1,5 - 2,5 ат.% фосфора.

3. Аморфный сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 2,6 - 4,0 ат.% фосфора, 7,5 - 9,0 ат.% бора, 8,0 - 10,5 ат.% кремния и никеля не более 0,02 ат.%.

4. Изделие, выполненное из высокоиндукционного аморфного сплава с низкими электромагнитными потерями, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по любому из пп.1 - 3 и имеет потери на перемагничивание при частоте 50 Гц не более 0,20 Вт/кг при индукции не менее 1,45 Тл.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к аморфным магнитно-мягким сплавам с высокой индукцией насыщения и выполненным из них изделиям, например, ленте, предназначенной для изготовления сердечников силовых распределительных трансформаторов и других устройств, работающих при низких частотах.

Известны сплав (Fe_1-aNi_a)_100-x-ySi_xB_y и изготовленная из него лента по заявке Японии N 1-35065, кл. C 22 C 38/08, H 01 F 1/14. Содержание элементов в сплаве находится в следующих пределах: 0,2 a 0,7; 1 x 20,5; 5 y 9,5. Сплав имеет низкие потери и достаточно технологичен. Однако значения индукции очень низкие: 6...13 кГс. Кроме того, значительное содержание никеля существенно удорожает эту группу сплавов.

Известны сплав и лента, выполненная из него, по патенту США N 4219355, кл. C 22 C 19/00, 1988 г. Сплав содержит железо, бор, кремний и углерод в соответствии с формулой Fе_aB_bSi_cC_d в следующих пределах (ат.%): a = 80,0... 82,6; c=2,5...5,0; b = 12,5... 14,5; d= 1,5... 2,5 при a+b+c+d = 100%. Сплав имеет достаточно высокую индукцию насыщения B_s = 16 кГс. Однако он недостаточно технологичен (требуются большой перегрев расплава для гомогенизации, малая критическая толщина), имеет плохую повторяемость свойств от плавки к плавке, склонен к образованию газовых пузырей.

Известен сплав по Европатенту N 0177669 A2, кл. C 22 C 30/00, H 01 F 1/16, 1984 г. , содержащий железо, кремний и бор в соответствии с формулой Fe_aSi_bB_c, где a, b и c - атомные проценты соответствующих компонентов, меняющихся в пределах 79,4...79,8; 6...8; 12...14 соответственно при a+b+c = 100%. Сплав имеет высокий уровень индукции насыщения и низкие электромагнитные потери. Для сплавов системы Fe-Si-B в более раннем патенте Великобритании GB N 2023173 A, кл.C 22 C 38/02, 1978 г. указано, что добавки алюминия, фосфора, углерода (до 0,5% каждого) не влияют на свойства сплавов, что является еще одним преимуществом этого сплава.

Однако сплавы по патенту N 0177669 имеют следующие недостатки: для них характерны высокие температуры перегрева расплава для гомогенизации и достижения необходимой вязкости, критическая толщина ленты не превышает 25 мкм и, кроме того, значительное содержание бора удорожает сплав.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является аморфный магнитомягкий высокоиндукционный сплав и изделия, выполненные из него, по патенту США N 5593513, МКИ H 01 F 1/153, НКИ 148-304, опубл. 14.01.97, содержащий железо, бор, кремний, углерод в соответствии с формулой Fe_aB_bSi_cC_d, где a, b, c и d - атомные проценты указанных компонентов, равные: a = 79,0 - 80,5; b = 8,5 - 10,25; c = 5,25 - 8,5 и d = 3,25 - 4,5; содержание примесей составляет 0,5 ат.%, температура кристаллизации не менее 500^oC, при этом если c > 7,5, то d менее 4, и если a > 80, то b менее 8,75 (прототип). Толщина получаемой ленты не превышает 25-30 мкм. Температура перегрева расплава для гомогенизации превышает 1500^oC и для разливки - 1400^oC. Сердечники, изготовленные из сплава, имеют высокий уровень индукции насыщения и низкие электромагнитные потери, порядка 0,2 - 0,3 Вт/кг при индукции 1,4 Тл.

Содержание в сплаве большого количества углерода, имеющего большую диффузионную подвижность и образующего химически прочные тугоплавкие карбиды, способствует появлению сегрегационных неоднородностей на всех этапах передела. Последнее приводит к неповторяемости как технологических, так и магнитных свойств сплава, требует значительных перегревов расплавов и узких пределов регулирования термовременных параметров при термообработке ленты.

Технический результат изобретения заключается в экономии энергетических затрат за счет уменьшения температур перегрева расплава для его гомогенизации и разливки в ленту, увеличения критической толщины ленты при сохранении уровня магнитных свойств, без увеличения стоимости шихтовых материалов.

Сущность изобретения заключается в том, что высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями преимущественно для получения ленты, содержащий бор, кремний и железо, согласно изобретению дополнительно содержит фосфор и никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: бор 7,5 - 11,5, кремний 7,0 - 10,5, фосфор 1,0 - 4,0, никель макс.1,5, железо - остальное, при этом P + Si + B = 19,5 - 22,0 ат.%, B + P = 11,0 - 13,5 ат. %, а температура кристаллизации сплава составляет не менее 515^oC.

В частных случаях аморфный сплав содержит 0,4 - 0,6 ат.% Ni и 1,5 - 2,5 ат.% P или 2,6 - 4,0 ат.% P, 7,5 - 9,0 ат.% B, 8,0 - 10,5 ат.% Si и не более 0,02 ат. % Ni. Изделия (например, лента и сердечники) выполняют из сплавов вышеуказанных составов, при этом потери на перемагничивание при частоте 50 Гц составляют не более 0,20 Вт/кг при индукции не менее 1,45 Тл.

Дополнительное введение фосфора и никеля обеспечивает получение магнитных свойств не ниже, а в некоторых случаях и выше, чем у сплава-прототипа.

Максимально возможная толщина получаемой ленты больше 35-40 мкм, температура перегрева расплава для его гомогенизации 1400^oC и разливки 1300^oC.

Введение указанных компонентов увеличивает жидкотекучесть расплавов (уменьшается вязкость), что приводит к улучшению технологичности производства ленты за счет уменьшения случаев "перемерзания" расплава в щели сопла.

При содержании фосфора 2,6 - 4,0 ат.% содержание никеля минимальное, при меньшей содержании фосфора никель вводится в пределах 0,4 - 1,5 ат.%.

Уменьшение содержания элементов-аморфизаторов ниже заявленных значений (бор менее 7,5 ат.%, кремний менее 7 ат.%, фосфор менее 1 ат.%), а также их суммарных величин (P+Si+B менее 19,5 ат.% и B+P менее 11 ат.%) снижает температуру кристаллизации и уменьшает максимально возможную толщину пластичной ленты.

Минимальное содержание фосфора определяется его влиянием на улучшение технологичности. Только при содержании фосфора не менее 1,0 ат.% его влияние становится эффективным. Увеличение количества фосфора более 4 ат.% уменьшает индукцию насыщения и приводит к ухудшению качества ленты (слоистость, охрупчивание).

Увеличение содержания бора и фосфора, а также их суммы больше, чем заявленные приводит к уменьшению температуры кристаллизации и индукции насыщения.

При содержании кремния более 10,5 ат.% также падает магнитная индукция.

Увеличение содержания никеля более 1,5 ат.%, не изменяя технологичность, понижает индукцию сплава и увеличивает стоимость шихты.

Указанные в предлагаемом сплаве содержания химических элементов и их соотношения обеспечивают оптимальное сочетание технологических и магниевых свойств. При этом температура кристаллизации заявленного сплава 515^oC, что характеризует высокую термовременную стабильность аморфного состояния.

Примеры

Экспериментальные образцы сплавов получали в виде ленты шириной 10 мм, толщиной 20-25 мкм методом закалки на медном барабане диаметром 360 мм, вращающемся со скоростью 30 м/с. Химический состав полученных образцов приведен в таблице 1. Температуру начала кристаллизации аморфных сплавов (T_кр) определяли методом дифференциального термического анализа при скорости нагрева 30^o/мин. Изменение толщины ленты, для определения ее критического размера, осуществлялось путем изменения ширины щели сопла. Температуру гомогенизации, разливки расплавов (таблица 2) и их жидкотекучесть устанавливали экспериментально при отработке технологии получения лент и по зависимости вязкости от температуры. Вязкость определяли методом крутильных колебаний (метод Швидковского). При увеличении содержания фосфора от 0 до 3,7 ат.% вязкость при 1400^oC уменьшается от 1,5 10^-6 м²/сек при 0% P до 0,5 10^-6м²/сек при содержании P = 3,7 ат.%.

Из полученных образцов ленты изготовляли тороидальные сердечники весом 16-20 г со средним диаметром 23-25 мм. Термообработку сердечников проводили при температурах 410-420^oC в течение 30 мин. Образцы из лент N 10 и N 11 отжигались в атмосфере азота. Образец N 10 дополнительно отжигали в продольном магнитном поле. Все остальные образцы отжигали в обычной атмосфере. Для сравнения были изготовлены сердечники из промышленных сплавов 2605 - S2 (США) и 2HCP (Россия).

Магнитные свойства сердечников на постоянном токе определяли по частным и предельным гистерезисным циклам (квазистатический режим намагничивания) в полях 0,1-30 эрстед (таблица 3). Динамические характеристики (потери на перемагничивание, Вт/кг) определяли в режиме "B-синус" при индукции 1-1,55 Тл на частоте 50 Гц (таблица 4).

Предложенный сплав имеет меньшую стоимость по шихте по сравнению с промышленными сплавами 2605-S2 и 2HCP и не уступает прототипу. Индукция предложенных сплавов в рабочих полях до 10 Э выше 1,5 Тл, а в некоторых случаях достигает 1,6 Тл.

Технологичность предложенных сплавов, а именно критическая толщина ленты, температура кристаллизации сплавов, температура гомогенизации, жидкотекучесть расплавов, превосходит технологичность промышленных сплавов и прототипа.

Потери в сердечниках, изготовленных из предложенного сплава, не превышают 0,25 Вт/кг при значениях индукции B_m= 1,55 Тл. В примерах прототипа максимальное значение рабочей индукции не превышает 1,4 Тл.