Ленточный сердечник для работы в слабых магнитных полях и способ его производства

 

Изобретение относится к металлургии. Ленточный сердечник изготавливают из аморфного магнитного сплава на основе кобальта, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. % : железо 2 - 5; кремний 10 - 19; бор 9 - 15; один из нескольких компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам 2 - 5, причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25 - 30 ат. % . Для получения наиболее высокой начальной магнитной проницаемости оптимальным является отношение содержания кремния к сумме компонентов кремний и бор в интервале 0,55 - 0,60. Наиболее эффективными в качестве переходных металлов являются хром, молиоден и вольфрам, при окислении которых на поверхности ленты формируется оксидная пленка, предохраняющая основной металл от окисления. Способ включает получение ленты из аморфного сплава, смотку ленты в сердечник и его обжиг, причем температура оси отжига на 100 - 150 С ниже температуры кристаллизации, время отжига составляет 1 - 100 мин, скорость нагрева 1 - 100С/мин, а скорость охлаждения 1 - 20С/мин. Отжиг проводят на воздухе. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к металлургии.

Известен сердечник из пермаллоя 79НМ [1] для работы в слабых магнитных полях с начальной магнитной проницаемостью 25000-30000. Более высокую магнитную проницаемость имеет сердечник [2] , выбранный в качестве прототипа, который изготовлен из аморфного сплава, имеющего формулу (Со_1-х1-х2Fе_х1М_х2)_х3В_х4Si_100-х3-х4, где М - по крайней мере один из компонент из группы, содержащей Тi, V, Cr, Мn, Ni, Zr, Nb, Мо, Ru, Нf, Та, W, а индексы имеют следующие значения х1= 0-0,1; х2= 0-0,1; х3= 70-79; х4= 5-9. Указанный сердечник используется в магнитных усилителях и имеет прямоугольную петлю магнитного гистерезиса. Выбор содержания бора в интервале х4= 5-9 является условием получения высокого коэффициента прямоугольности петли. Однако, это же условие не позволяет достигнуть высокой начальной магнитной проницаемости.

Для сердечников трансформаторов тока и ряда других устройств, работающих в слабых магнитных полях, важнейшим показателем является начальная магнитная проницаемость. Ее высокое значение обеспечивает повышенную точность работы прибора, причем так как указанные устройства работают в области слабых магнитных полей, то не требуется высокая магнитная индукция насыщения.

Цель изобретения - повышение начальной магнитной проницаемости сердечников.

Это достигается тем, что ленточный сердечник изготовляют из аморфного магнитного сплава на основе кобальта, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. % : железо 2-5; кремний 10-19; бор 9-15, один или несколько компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам 2-5, причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25-30 ат. % . По сравнению с прототипом в сплаве для ленточного сердечника содержится более высокое содержание бора. Повышение содержания бора улучшает технологичность производства сплава. При этом очень важно, что сумма компонентов кремний и бор превышает 25 ат. % . Благодаря этому сплав имеет низкую температуру Кюри. В свою очередь, низкая температура Кюри позволяет минимизировать локальную стабилизацию доменных границ при охлаждении сердечника в процессе термической обработки, а следовательно, повысить начальную магнитную проницаемость. Повышенное содержание кремния и бора снижает магнитную индукцию насыщения, но это не так важно для сердечников, работающих в области слабых магнитных полей. Исследования показали, что для получения наиболее высокой начальной магнитной проницаемости оптимальным является отношение содержания кремния к сумме компонентов кремний и бор в интервале 0,55-0,60.

Использование переходных металлов позволяет повысить термическую стабильность аморфного сплава. Из этой группы компонентов наиболее эффективными являются хром, молибден и вольфрам, при окислении которых на поверхности ленты формируется оксидная пленка толщиной не менее 5 нм. Пленка из оксида переходного металла препятствует внутреннему окислению основного металла, а следовательно, позволяет получить высокую начальную магнитную проницаемость после отжига сердечников на воздухе.

Известен способ производства ленточного сердечника [3] , выбранный в качестве прототипа, включающий смотку ленты в сердечник и его отжиг. Предлагается способ, отличающийся тем, что в нем используется сплав на основе кобальта, который содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : железо 2-5; кремний 10-19; бор 9-15; один или несколько компонентов из группы, содержащей титан; ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам 2-5, причем сумма компонентов кремний и бор составляют 25-30 ат. % .

При термической обработке сердечники можно нагревать со скоростью в интервале 1-100^оС/мин. В то же время предпочтительнее более медленная скорость охлаждения 1-20^оС/мин. Медленное охлаждение позволяет избежать внутренних напряжений в сердечнике. Температуру отжига выбирают на 100-150^оС ниже температуры кристаллизации сплава. Время отжига зависит от массы сердечников и составляет 1-100 мин.

П р и м е р. В индукционной вакуумной печи выплавляли сплавы на основе кобальта. Разливку проводили на установке "Сириус-150/0.02М". Толщина полученной аморфной ленты составляла 25 ± 3 мкм. Сердечники диаметром 32х20 мм и высотой 10 мм отжигали на воздухе при 450^оС 1 ч. После отжига сердечник из аморфного сплава Со₆₇Fе₃Сr₃Si₁₅В₁₂ имеет магнитную проницаемость в поле 0,08 А/м μ_0,08 = 80000, магнитные потери при амплитуде магнитной индукции 0,2 Тл и частоте 20 кГц Р_0,2/20= 2,5 Вт/кг, магнитную индукцию В₈₀₀= 0,48 Тл, магнитострикцию насыщения менее 0,2 ˙ 10^-6. Температура кристаллизации сплава составляет 560^оС.

В табл. 1 представлены результаты измерения магнитной проницаемости μ_0,08 в сердечниках из сплавов с различной суммой компонентов кремний и бор. Из нее следует, что увеличение содержание аморфизующих компонентов кремния и бора снижает температуру Кюри сплава и одновременно повышает начальную магнитную проницаемость.

В табл. 2 приведены результаты использования в сплаве молибдена и вольфрама в качестве переходного металла. Из нее следует, что использование этих компонентов также дает повышенные значения начальной магнитной проницаемости после отжига на воздухе, причем молибден по сравнению с хромом повышает критическую толщину охрупчивания быстрозакаленной ленты, что делает соответствующий сплав более технологичным.

В табл. 3 приведены данные по оптимизации соотношения кремния и бора для сплавов, у которых сумма компонентов кремний и бор составляет 27 ат. % . Из нее следует, что наиболее высокая магнитная проницаемость получается, если отношение содержания кремния к сумме компонентов кремний и бор попадает в интервал 0,55-0,60.

В табл. 4 приведено сравнение токовой (f) и угловой (δ) погрешностей трансформатора тока. Оба трансформатора имеют одинаковые параметры первичной и вторичной обмоток: w₁= 4, I₁= 300 А, w₂= 240, I₂= 5 А. Нагрузка вторичной цепи Р₂= 5 ВА. Магнитопроводы изготовлены из пермаллоя 79 НМ и аморфного сплава N 8. Размеры сердечника из пермаллоя 130х90х40 мм, из аморфного сплава - 140х120х35 мм. Из табл. 4 следует, что сердечник из аморфного сплава несмотря на меньшее поперечное сечение позволяет снизить токовую и угловую погрешности трансформатора тока. (56) Сидоров И. Н. и др. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. Справочник, Радио и связь, 1989.

Патент США N 4473417, кл. С 22 С 19/07, 1984.

Судзуки К. и др. Аморфные металлы. М. : Металлургия, 1987, с. 16-26.

Формула изобретения

1. Ленточный сердечник для работы в слабых магнитных полях, выполненный из аморфного сплава на основе кобальта, содержащего железо, кремний, бор, один или несколько компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам, отличающийся тем, что сплав содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : Железо 2 - 5 Кремний 10 - 19 Бор 9 - 15 Один или несколько компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам 2 - 5 Кобальт Остальное причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25 - 30 ат. % .

2. Сердечник по п. 1, отличающийся тем, что отношение кремния к сумме компонентов кремний и бор составляет 0,55 - 0,60.

3. Сердечник по п. 1, отличающийся тем, что сплав кобальта содержит железо, кремний, бор и один или несколько компонентов из группы, содержащей хром, молибден, вольфрам, а поверхность ленты имеет пленку из оксида переходного металла толщиной не менее 5 нм.

4. Способ производства ленточного сердечника для работы в слабых магнитных полях, включающий смотку ленты из аморфного сплава на основе кобальта в сердечник и его отжиг, отличающийся тем, что сплав содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : Железо 2 - 5 Кремний 10 - 19
Бор 9 - 15
Один или несколько компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам 2 - 5
Кобальт Остальное
причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25 - 30 ат. % .

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отношение кремния к сумме компонентов кремний и бор составляет 0,55 - 0,60.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что сплав на основе кобальта содержит железо, кремний, бор и один или несколько компонентов из группы, содержащей хром, молибден, вольфрам, а поверхность ленты имеет пленку из оксида переходного металла толщиной не менее 5 нм.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что температура ожига ниже температуры кристаллизации на 100 - 150^oС, а время отжига составляет 1 - 100 мин.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что скорость нагрева составляет 1 - 100^oС/мин, а скорость охлаждения 1 - 20^oС/мин.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что отжиг проводят на воздухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2