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

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано, например, в виде ленты, предназначенной для изготовления сердечников силовых распределительных трансформаторов, работающих при низких частотах. Предложен высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, содержащий бор, кремний и железо, который 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 максимально до 1,5 и 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^oС. 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. Выполнение изделий из заявленного сплава, например сердечников, потери на перемагничивание при частоте 50 Гц не более 0,20 Вт/кг при индукции не менее 1,45 Тл. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 4 табл.

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 ΣP + Si + B = 19,5 - 22,0 ат.%, ΣB + 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 (ΣP+Si+B менее 19,5 ат.% и ΣB+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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2