Магнитный сплав на основе кобальта и способ производства ленты из него

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе кобальта с высокой магнитной проницаемостью и низкими магнитными потерями. Предлагается магнитный сплав на основе кобальта, который содержит компоненты при следующем соотношении: ат. % : железо 2 - 5; кремний 5 - 20; бор 5 - 20; один или несколько компонентов из группы, содержащей никель, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, рутений, титан, цирконий 0,01 - 10, причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25 - 30 ат. % , структура сплава предствавляет аморфную матрицу с включенными в нее дискретными кристаллами, объемная доля которых составляет 0,01 - 0,5% . Способ производства указанного выше сплава отличается тем, что после отжига сердечник помещают в магнитное поле, направленное перпендикулярно торцовой поверхности сердечника. Благодаря периориентации намагниченности в кристаллической фазе за счет указанной магнитной обработки снижается продольная магнитная анизотропия, что, в свою очередь, приводит к повышению магнитной проницаемости в даннои направлении. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 1 ил. , 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе кобальта с высокой магнитной проницаемостью и низкими магнитными потерями.

Известен аморфный сплав на основе кобальта, содержащий железо, кремний и бор, с высокой магнитной проницаемостью [1] . Для повышения термической стабильности в сплав добавляют один или несколько переходных металлов [2] . В качестве прототипа выбран магнитный сплав на основе кобальта [3] (Со_1-хFе_х)_100-а-b-cМ_аSi_bВ_с, где М - один или несколько компонентов из группы, содержащей Ni, Мn, Сr, Мо, W, V, Nb, Та, Ru, Тi, Zr, а индексы имеют следующие значения х= 0-0,2; а= 0-20; b= 5-20; с= 5-20; b+с= 5-30 ат. % , причем более 80% структуры сплава является аморфной.

Для сердечников трансформаторов тока и ряда других устройств, работающих в области слабых магнитных полей, важнейшим показателем является магнитная проницаемость. Высокое значение магнитной проницаемости обеспечивает повышенную точность работы прибора. Кроме того, при рабочей частоте порядка 10 кГц сердечник должен иметь низкие магнитные потери.

Цель изобретения - повышение магнитной проницаемости и снижение магнитных потерь.

Предлагается магнитный сплав на основе кобальта, который содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : железо 2-5; кремний 5-20; бор 5-20 и один или несколько компонентов из группы, содержащей никель, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, рутений, титан, цирконий, 0,01-10 ат. % , причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25-30 ат. % , структура сплава представляет аморфную матрицу с включенными в нее дискретными кристаллитами, объемная доля которых составляет 0,01-0,5% .

Известно [4] , что в процессе отжига аморфного сплава на основе кобальта кристаллизация начинается с образования на поверхности ленты дискретных кристаллитов дендритного типа, размер которых составляет порядка 0,1 мкм. Первые кристаллиты имеют кубическую решетку твердого раствора исходного химического состава, а на следующей стадии формируются кристаллиты α-Со. Выделившаяся кристаллическая фаза имеет коэpцитивную силу более 1000 А/м. При динамическом перемагничивании кристаллиты на поверхности аморфной ленты дробят доменную структуру. В свою очередь, уменьшение ширины доменов сопровождается снижением вихретоковых потерь. Этот эффект особенно значителен в области высоких частот, где велика доля вихретоковых потерь.

На начальной стадии кристаллизации размер кристаллитов находится в интервале 0,05-0,5 мкм. Кристаллиты должны распределяться достаточно равномерно на поверхности ленты с расстоянием между ними 1-10 мкм. Объем кристаллической фазы должен быть оптимальным, чтобы, с одной стороны, кристаллиты влияли на доменную структуру, а, с другой стороны, не создавали значительных сжимающих напряжений в аморфной матрице. Такие условия соответствуют объемной доле кристаллитов 0,01-0,5% .

Известен способ производства магнитного сплава [5] , выбранный в качестве прототипа, включающий расплавление сплава, разливку расплава на вращающийся барабан-холодильник, смотку полученной ленты в сердечник и отжиг этого сердечника. Предлагаемый способ производства магнитного сплава на основе кобальта с высокой магнитной проницаемостью и низкими магнитными потерями отличается тем, что в нем лента содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : железо 2-5; кремний 5-20; бор 5-20 и один или несколько компонентов из группы, содержащей никель, марганец. хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, рутений, титан, цирконий 0,01-10 ат. % , причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25-30 ат. % , а структура ленты представляет аморфную матрицу с дискретными кристаллитами, объемная доля которых составляет 0,01-0,5% , и после отжига сердечник помещают в магнитное поле, направленное перпендикулярно торцовой поверхности сердечника.

В процессе охлаждения магнитного сердечника в нем формируется наведенная магнитная анизотропия. В аморфном сплаве на основе кобальта с магнитострикцией, близкой к нулю, наведенная магнитная анизотропия невелика и направлена вдоль замкнутой магнитной силовой линии сердечника. Однако, существование даже слабой магнитной анизотропии приводит к снижению магнитной проницаемости в слабых магнитных полях.

Магнитная кристаллическая фаза с высокой коэрцитивной силой влияет на ориентацию намагниченности в соседних областях аморфной матрицы. Чтобы снизить продольную наведенную магнитную анизотропию, необходимо ориентировать намагниченность во всех кристаллитах перпендикулярно замкнутой магнитной силовой линии сердечника, т. е. перпендикулярно торцовой поверхности сердечника. Для этого сердечник помещают на время 0,1-1000 с в магнитное поле указанного направления, причем величина этого поля должна превышать коэрцитивную силу кристаллической фазы. Такая переориентация намагниченности в кристаллитах снижает продольную магнитную анизотропию, а это, в cвою очередь, повышает продольную магнитную проницаемость.

Степень возрастания магнитной проницаемости зависит от величины магнитного поля, в котором измерена проницаемость. На чертеже представлены кривые намагничивания ленточного кольцевого магнитопровода из сплава Со₆₇Fе₃Сr₃Si₁₅В₁₂ после отжига (а) и после помещения его магнитное поле 80000 А/м, направленное перпендикулярно торцовой поверхности сердечника.

Измерения проводили на постоянном токе в продольном направлении. После обработки сердечника в магнитном поле кривая намагничивания (б) сместилась в область более слабых магнитных полей по сравнению с исходной кривой (а).

В предлагаемом способе температуру отжига сердечника выбирают в интервале на 50-150^оС ниже температуры кристаллизации, а время отжига 1-100 мин так, чтобы достигнуть начальной стадии кристаллизации, при которой параметры кристаллической фазы находятся в указанных выше пределах, а именно объемная доля кристаллической фазы 0,01-0,5% , размер кристаллитов 0,05-0,5 мкм и расстояние между ними 1-10 мкм. Косвенно о начальной стадии формирования кристаллитов можно судить по смещению петли магнитного гистерезиса [6] .

Продольную магнитную анизотропию можно также снизить, если сердечник предварительно нагреть до температуры Кюри или ниже, а затем охлаждать его в магнитном поле, перпендикулярном торцовой поверхности сердечника. В этом случае, кроме переориентации намагниченности в кристаллической фазе, возникает анизотропия, наводимая в аморфной матрице за счет термообработки в магнитном поле. Выбором температуры нагрева можно контролировать величину поперечной магнитной анизотропии.

На чертеже показаны кривые намагничивания сердечника из сплава Со₆₇Fе₃Сr₃Si₁₅В₁₂ после отжига (а) и после его помещения в магнитное поле 80000 А/м, направленное перпендикулярно торцовой поверхности сердечника (б).

П р и м е р. В индукционной вакуумной печи выплавляли сплавы на основе кобальта с номинальным составом Со₆₇Fе₃Сr₃Si₁₅В₁₂. 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. Объем кристаллической фазы оценивали по результатам рентгеновского анализа и по ямкам травления на поверхности ленты. В табл. 1 представлены результаты измерения магнитных потерь Р_0,2/20 при амплитуде индукции 0,2 Тл и частоте 20 кГц. Из нее следует, что появление кристаллической фазы приводит к снижению магнитных потерь по сравнению с аморфным состоянием. Однако чрезмерно развитая кристаллизация (образец 5) вызывает резкое увеличение магнитных потерь.

В табл. 2 представлены результаты измерения магнитной проницаемости в поле 0,08 А/м в исходном состоянии после отжига (Н= 0) и после выдержки сердечника в течение 5 с в поперечном магнитном поле (Н= 80000 А/м). Из табл. 2 следует, что магнитная проницаемость после обработки сердечника в поперечном магнитном поле возрастает. Причем наиболее значительно возрастает магнитная проницаемость, измеренная на постоянном токе. В последнем случае магнитное поле 0,08 А/м фактически соответствует области максимальной магнитной проницаемости. С увеличением частоты эффект воздействия сильного поперечного магнитного поля снижается, однако и в этом случае магнитная проницаемость остается на достаточно высоком уровне.

В табл. 3 представлены результаты измерения магнитной проницаемости в поле 0,08 А/м при частоте 1 кГц в исходном состоянии (Н= 0) и после охлаждения сердечника в магнитном поле 80000 А/м с предварительным нагревом до 150^оС. Из табл. 3 следует, что даже в аморфной ленте охлаждение в поперечном магнитном поле приводит к росту магнитной проницаемости, причем этот эффект должен усиливаться в сплавах с повышенной температурой Кюри, в которых термомагнитная обработка более эффективна. Из табл. 3 также следует, что кристаллическая фаза обеспечивает более значительное увеличение магнитной проницаемости. (56) Патент Великобритании N 2167087, кл. С 22 С 19/07, 1986.

Патент США N 4188211, кл. С 22 С 19/00, 1980.

Заявка Японии N А61-261451, кл. С 22 С 19/07, 1986.

Глазер А. А. и др. Физика металлов и металловедение. 1979, т. 48, N 6, с. 1163.

Судзуки К. и др. Аморфные металлы. М. : Металлургия, 1987.

Потапов А. П. и др. Физика металлов и металловедение. 1985, т. 59, N 2, с. 332.

Формула изобретения

1. Магнитный сплав на основе кобальта, содержащий железо, кремний, бор и один или несколько компонентов из группы, содержащей никель, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, рутений, титан, цирконий, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : Железо 2 - 5 Кремний 5 - 20 Бор 5 - 20 Один или несколько компонентов из группы, содержащей никель, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, рутений, титан, цирконий 0,01 - 10 Кобальт Остальное причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25 - 30 ат. % , а структура сплава представляет собой аморфную матрицу с дискретными кристаллитами, объемная доля которых составляет 0,01 - 0,5% .

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что размер кристаллитов составляет 0,05 - 0,5 мкм при расстоянии между ними 1 - 10 мкм.

3. Способ производства ленты из магнитного сплава на основе кобальта, включающий расплавление сплава, разливку расплава на вращающийся барабан-холодильник, смотку полученной ленты в сердечник и отжиг этого сердечника, отличающийся тем, что полученная лента содержит компоненты при следующем соотношении, ат. % : Железо 2 - 5 Кремний 5 - 20
Бор 5 - 20
Один или несколько компонентов из группы, содержащей никель, марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, рутений, титан, цирконий 0,01 - 10
Кобальт Остальное
причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25 - 30 ат. % , а структура ленты представляет собой аморфную матрицу с дискретными кристаллитами, объемная доля которых составляет 0,01 - 0,5% , и после отжига сердечник, выдерживают в магнитном поле, направленном перпендикулярно к торцевой поверхности сердечника.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что размер дискретных кристаллитов составляет 0,05 - 0,5 мкм при расстоянии между ними 1 - 10 мкм.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что температура отжига ниже температуры кристаллизации на 50 - 150^oС, а время отжига составляет 1 - 100 мин.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что скорость нагрева составляет 1 - 100^oС/мин, а скорость охлаждения - 1 - 20^oС/мин.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что магнитное поле превышает величину 1000 А/м.

8. Способ по п. 3, отличающийся тем, что время действия магнитного поля составляет 1 - 1000 с.

9. Способ по п. 3, отличающийся тем, что сердечник перед помещением в магнитное поле нагревают ниже температуры Кюри сплава и охлаждают в присутствии магнитного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2