Магнитострикционный сплав на основе железа

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к созданию магнитострикционного сплава на основе железа. Предложенный магнитострикционный сплав на основе железа, содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,04 - 0,1; фосфор 0,02 - 0,2; сера 0,05 - 0,5; алюминий 7 - 14; по крайней мере один элемент из группы германий 0,1 - 0,5; кремний 0,1 - 0,5; железо - остальное. Технический эффект от использования предложенного сплава состоит в стабильном получении высоких значений магнитострикции насыщения ( λ_s ≥ 65 - 90 · 10^-6) путем создания текстурованной ленты толщиной 0,15 - 0,40 мм с 90^o доменной структурой, образуемой за счет направленных напряжений, возникающих при выделении карбидов алюминия. Необходимая технологическая пластичность ( δ 3 - 5%) у магнитострикционных лент с 9 - 14 мас.% алюминия обеспечивается путем скоростной закалки расплава на металлической поверхности при скорости охлаждения 10⁴ - 10^5oС/с. Из полученной ленты изготовлены магнитострикционные преобразователи для ультразвуковой техники с резонансной частотой 21 и 26 кГц, способные успешно конкурировать с аналогичными преобразователями из пермендюра (сплав 49К2Ф). 2 табл.

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 (λ_s ≈ 40·10^-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 мкОм·м), 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 0,2·30·280 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.

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

РИСУНКИ

Рисунок 1