Способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов
Владельцы патента RU 2430975:
Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к термомагнитной обработке магнитомягких материалов. Способ включает высокотемпературный отжиг с выдержкой и охлаждением до комнатной температуры, термомагнитную обработку в постоянном магнитном поле напряженностью 4-8 кА/м и облучение материала ускоренными ионами инертных газов при энергии пучка 40-50 кэВ дозами 1016-1018 ион/см2. Изобретение обеспечивает повышение магнитострикции магнитомягких материалов при сохранении приемлемого уровня магнитной мягкости. 2 табл., 2 ил.
Изобретение относится к металлургии, а именно к термомагнитной обработке магнитомягких материалов.
Известны различные способы термомагнитной обработки магнитомягких материалов.
1. Способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов [А.с. СССР №485155], включающий высокотемпературный отжиг в неокисляющей среде, выдержку и охлаждение до комнатной температуры, термомагнитную обработку в знакопеременном поле при температуре, не превышающей точку Кюри.
Способ позволяет в электротехнической стали добиться уменьшения коэрцитивной силы и электромагнитных потерь и увеличения магнитной проницаемости.
2. Способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов [А.с. СССР №566886], включающий высокотемпературный отжиг с выдержкой и охлаждением, термомагнитную обработку в течение 1-3 мин при 400-500°C в знакопеременном магнитном поле с последующей закалкой.
Способ позволил сократить продолжительность термической обработки трансформаторной стали без ухудшения ее магнитных свойств.
3. Способ изготовления анизотропной электротехнической стали [Патент СССР №1744128], включающий после высокотемпературного отжига локальную обработку поверхности стальной ленты лазером поперек направления прокатки, которую проводят в магнитном поле, ориентированном вдоль направления прокатки; затем на ленту наносится электроизоляционное покрытие.
Комбинированное воздействие позволило снизить магнитные потери, сохранить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить магнитострикцию.
Таким образом, рассмотренные способы термомагнитной обработки дают повышение магнитной мягкости электротехнических материалов и не обеспечивают высокой магнитострикции.
Наиболее близким по технической сущности является способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов [Патент РФ №2321644], включающий высокотемпературный отжиг, выдержку и охлаждение до комнатной температуры (ВТО) и термомагнитную обработку в знакопеременном магнитном поле (ТМО~), при этом перед термомагнитной обработкой проводят облучение материала ускоренными ионами инертных газов (ионно-лучевую обработку - ИЛО).
В этом способе применение ИЛО в качестве предварительной операции позволило последующей ТМО~ уменьшить коэрцитивную силу на 50%, снизить магнитные потери на 12-20%. То есть этот способ, как и способ по патенту СССР №1744128, обеспечивает повышение магнитной мягкости обрабатываемого материала и не позволяет повысить магнитострикцию.
В основу изобретения положена задача расширения функциональных возможностей данного способа за счет повышения магнитострикции обрабатываемых магнитомягких материалов при сохранении приемлемого уровня магнитной мягкости.
Величина магнитострикции очень важна для магнитомягких материалов, используемых в электромеханических и электроакустических преобразователях, в которых энергия магнитного поля преобразуется в энергию механических и ультразвуковых колебаний. Для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей используется никель и его сплавы, а также железокобальтовые сплавы типа пермендюр 49К2Ф. Сплавы эти дорогие, а природные запасы входящих в них Ni, Co и V ограничены. Поэтому задача получения экономичных материалов с высокой магнитострикцией остается актуальной.
Повышение магнитострикции возможно путем придания материалу напряженного состояния, которое увеличивает объемную долю 90-градусных замыкающих магнитных доменов, обладающих поперечной ориентацией намагниченности [Taguchi S., Wada Т., Yamamoto Т. et al. New Grain-Oriented Silicon Steel Orientcore HI-B. Nippon steel technical report, overseas No 4, November 1973]. Поворот намагниченности в них к направлению магнитного поля и обеспечивает магнитострикционную деформацию кристаллической решетки, сопровождающуюся механическими и звуковыми колебаниями. Однако рост магнитострикции материала происходит за счет потери его магнитной мягкости (увеличиваются коэрцитивная сила и электромагнитные потери при перемагничивании). И очень важно обеспечить оптимальное сочетание этих свойств.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе термомагнитной обработки магнитомягких материалов, включающем высокотемпературный отжиг, ионно-лучевую обработку и термомагнитную обработку в магнитном поле, согласно изобретению термомагнитную обработку проводят в постоянном магнитном поле (ТМО-) напряженностью 4-8 кА/м, а затем осуществляют ионно-лучевую обработку при энергии пучка 40-50 кэВ дозами 1016-1018 ион/см2.
Суть изобретения заключается в следующем. В магнитомягких сплавах в результате ТМО- совершенствуется одноосная магнитная текстура: уменьшается ширина и увеличивается объем основных полосовых 180-градусных доменов, за счет выстраивания векторов намагниченности вдоль направления поля (доменная структура типа А). Затем этот более однородно намагниченный материал подвергают ИЛО-бомбардировке потоком ускоренных ионов Ar+. В результате радиационно-динамического воздействия потока ионов повышается дефектность материала, что приводит к созданию в поверхностном слое сжимающих напряжений и, соответственно, растягивающих напряжений в остальном объеме. Из-за сжимающих напряжений изменяется магнитная доменная структура - возникает система 90-градусных доменов (структура типа Б, фиг.1). Чем выше энергия потока ионов и доза облучения, тем больше глубина слоя структуры Б. Благодаря однородному по всей поверхности облучению, 90-градусные домены в поверхностном слое материала возникают равномерно и упорядоченно по всей площади образца. Намагниченность их расположена поперек основных полосовых доменов. Это обеспечивает максимальный эффект магнитострикционных деформаций образца при его перемагничивании во время эксплуатации. Растягивающие напряжения во внутренних слоях материала обеспечивают сужение 180-градусных полосовых доменов и однородность движения их границ при перемагничивании, что в определенной мере сохраняет магнитную мягкость материала в условиях эксплуатации.
На фиг.1 приведено схематичное изображение доменной структуры образца после облучения: НП - направление магнитного поля при ТМО; +, • - направление намагниченности основных полосовых доменов.
На фиг.2 представлена магнитная доменная структура ленты сплава Fe - 6,5 мас.% Al после облучения дозой 5×1018 ион/см2: а - на поверхности; б, в - на глубине 0,04 и 0,09 мм.
Способ осуществлялся следующим образом.
Образцы широко используемых магнитомягких сплавов Fe - 6,5 мас.% Al (размером 0,3×5×80 мм) и Fe - 3 мас.% Si (размером 0,08×5×80 мм) подвергались высокотемпературному отжигу (ВТО) при 1000°C в течение 30 мин с медленным охлаждением (~10-20°C/мин). Эта обработка обеспечила гомогенизацию сплавов, размер сквозных зерен 3-6 мм и 0,2 мм (соответственно) и острую кристаллографическую текстуру (110) [001]. Далее образцы подвергали комплексному воздействию двух обработок: ТМО- в постоянном магнитном поле напряженностью (амплитудой) 4 кА/м и последующей ИЛО быстрым потоком ионов аргона Ar+ с энергией 50 кэВ дозами от 1016 до 1018 ион/см2. Постоянное поле напряженностью 4 кА/м было достаточным для перестройки доменной структуры (уменьшения объема замыкающих доменов и ширины основных полосовых 180-градусных доменов, с увеличением объемной доли последних), повышающей одноосную магнитную анизотропию материалов. Стравливание поверхностного слоя образцов показало, что их облучение потоком ионов при указанных дозах вызывало перестройку магнитной доменной структуры в слое глубиной 0,04-0,10 мм (фиг.2). Повышение дозы облучения выше 1018 ион/см2 приводит к образованию на поверхности лабиринтной доменной структуры (фиг.2а), что нежелательно, так как перемагничивание ее затруднено.
После каждой обработки измеряли линейную магнитострикцию насыщения образцов λ методом оптического рычага (при базе 5 м), для определения µмах снимали кривые намагничивания с помощью прибора на основе фотогальванометрического компенсационного микровеберметра Ф-190, удельные магнитные потери Р определяли у сплава Fe - 6,5 мас.% Al при амплитуде индукции 0,7 Тл и частотах перемагничивания 200 и 1000 Гц, у сплава Fe - 3 мас.% Si при индукциях 1,0 и 1,5 Тл и частоте 400 Гц на установке МК-4Э для ферромагнитных образцов малой массы.
Результаты измерений магнитных свойств двух магнитомягких сплавов на основе железа представлены в таблицах 1 и 2. Видно, что в сплаве Fe - 6,5 мас.% Al использование предлагаемого способа (ВТО+ТМО-+ИЛО) позволяет увеличить линейную магнитострикцию насыщения до 5 раз, а в сплаве Fe - 3 мас.% Si - до 10 раз по сравнению с другими обработками. Чем выше доза облучения, тем выше значение магнитострикции, но при этом растут потери при перемагничивании. Изменяя параметры ИЛО, можно получить оптимальное сочетание магнитных свойств. Например, доза облучения 1017 ион/см2 при энергии пучка 50 кэВ обеспечивает существенное увеличение магнитострикции и приемлемый уровень потерь энергии при перемагничивании, то есть высокую магнитострикцию при сохранении магнитной мягкости исследованных сплавов.
| Таблица 1 | |||||||
| Магнитные свойства сплава Fe - 6,5 мас.% Al после различных обработок | |||||||
| № пп | Способ | Обработка | λ·106 | µмах·103, Гн/м | Hc А/м |
P, Вт/кг | |
| 0,7/200 | 0,7/1000 | ||||||
| 1 | ВТО | 10-12 | 10 | 90 | 1,8 | 13,4 | |
| 2 | ВТО+ТМО~ | 9-13 | 15 | 78 | 1,7 | 12,6 | |
| 3 | Патент РФ №2321644 | ВТО+ИЛО (1016)+ТМО~ | 8-13 | 20 | 72 | 1,5 | 12,1 |
| 4 | Заявляемый | ВТО+ТМО-+ИЛО (1016) | 28 | 12 | 110 | 2,2 | 18,6 |
| 5 | ВТО+ТМО-+ИЛО (1017) | 48 | 10 | 124 | 2,5 | 21,3 | |
| 6 | ВТО+ТМО-+ИЛО (1018) | 56 | 8 | 160 | 3,9 | 36,8 |
| Таблица 2 | |||||||
| Магнитные свойства сплава Fe - 3 мас.% Si после различных обработок | |||||||
| № пп | Способ | Обработка | λ·106 | µмах·103, Гн/м | Hc А/м | P, Вт/кг | |
| 1,0/400 | 1,5/400 | ||||||
| 1 | ВТО | 2,5 | 70 | 8,6 | 7,6 | 16,2 | |
| 2 | Патент РФ №2321644 | ВТО+ИЛО (1016)+ТМО~ | 1,5 | 80 | 5,8 | 5,5 | 12,8 |
| 3 | Заявляемый | ВТО+ТМО-+ИЛО (1017) | 16 | 30 | 22 | 11,3 | 31 |
Таким образом, заявляемый способ термомагнитной обработки позволил повысить магнитострикцию магнитомягких материалов. Наибольшие значения магнитострикции получены в сплаве Fe - 6,5 мас.% Al. Они достаточно близки к значениям магнитострикции железокобальтового сплава пермендюр, и по потерям при перемагничивании исследованный сплав имеет преимущества [Справочник «Прецизионные сплавы» под ред. Б.В.Молотилова, М.: Металлургия, 1983, 439 с.]. Следовательно, экономичный сплав Fe - 6,5 мас.% Al, обработанный по предлагаемому способу, может быть использован для магнитострикционных преобразователей, заменив сплавы, содержащие более дорогие и редкие металлы.
Способ обработки магнитомягких сплавов, включающий высокотемпературный отжиг, выдержку и охлаждение до комнатной температуры, облучение материала ускоренными ионами инертных газов и термомагнитную обработку в магнитном поле, отличающийся тем, что термомагнитную обработку проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 4-8 кА/м, а облучение материала ускоренными ионами инертных газов осуществляют после термомагнитной обработки при энергии пучка 40-50 кэВ дозами 1016-1018 ион/см2.
