Высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту

Изобретение относится к металлургии, в частности к аморфным магнитно-мягким сплавам с высокой индукцией насыщения, предназначенным для изготовления сердечников силовых распределительных трансформаторов и других устройств, работающих при низких частотах. Заявлен высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту, содержащий, ат.%: бор 6,0-9,0, кремний 7,5-10,0, углерод 0,5-1,5, фосфор 1,0-2,5, азот 0,1-0,5, сера 0,1-0,5, водород 0,01-0,02, кислород 0,01-0,015, железо - остальное, при этом температура кристаллизации сплава составляет не менее 570°С. Технический результат - увеличение критической толщины получаемой ленты при сохранении уровня магнитных свойств, а также уменьшение температур перегрева расплава для его гомогенизации и разливки в ленту. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к аморфным магнитно-мягким сплавам с высокой индукцией насыщения, предназначенным для изготовления сердечников силовых распределительных трансформаторов и других устройств, работающих при низких частотах.

Известны сплав и лента, выполненная из него, по патенту США №4219355, кл. С22С 19/00, 1988 г. Сплав содержит железо, бор, кремний и углерод в соответствии с формулой Fe_aB_bSi_cC_d в следующих пределах (ат.%): а=80,0…82,6; b=12,5…14,5; с=2,5…5,0; d=1,5…2,5 при a+b+c+d=100%. Сплав имеет достаточно высокую индукцию насыщения B₅=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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, раскрытый в RU 2121520 C1, C22C 45/02, 10.11.1998 г., содержащий бор, кремний, фосфор, никель и железо 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 температура кристаллизации сплава не менее 515°С.

К недостатку относится неповторяемость как технологических, так и магнитных свойств сплава и узких пределов регулирования термовременных параметров при термообработке ленты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту, содержащий бор, кремний, фосфор и железо, дополнительно содержит углерод, азот, серу, водород и кислород при следующем соотношении компонентов, ат.%: бор 6,0-9,0; кремний 7,5-10,0; фосфор 1,0-2,5; углерод 0,5-1,5; азот 0,1-0,5; сера 0,1-0,5; водород 0,01 - 0,02; кислород 0,01-0,015; железо - остальное (сплав 1), при этом температура кристаллизации сплава составляет не менее 570°С, а также сплав 1 дополнительно содержит 0,01-0,05 ат.% урана и 0,01-0,1 ат.% индия (сплав 2) или 0,07-0,09 ат.% натрия и 0,04-0,06 ат.% лития (сплав 3).

Дополнительное введение азота, серы, водорода и кислорода обеспечивает получение магнитных свойств выше, чем у сплава-прототипа.

Толщина получаемой ленты больше 40 мкм, температура перегрева расплава для его гомогенизации 1350°С и разливки 1300°С.

Введение указанных компонентов увеличивает жидкотекучесть расплавов (уменьшается вязкость), что приводит к улучшению технологичности производства ленты за счет уменьшения случаев зарастания застывшим расплавом щели сопла.

Совместное введение кислорода, водорода, фосфора и бора снижает критическую скорость закалки и улучшает аморфизируемость сплава, увеличивает критическую толщину ленты.

Увеличение содержания суммы указанных элементов свыше 11,535 ат.% приводит к нарушению сплошности ленты и ее охрупчиванию.

Уменьшение содержания элементов-аморфизаторов ниже заявленных значений (бор менее 6 ат.%; кремний менее 7,5 ат.%; углерод менее 0,5 ат.%; фосфор менее 1,0 ат.%; азот менее 0,1 ат.%, серы менее 0,1 ат.%, водород менее 0,01 ат.%, кислород менее 0,01 ат.%), а также их суммарных величин (Σ(S+N+Р+Si+В) менее 15,2 ат.% и ∑(В+Р+Н+О) менее 7,02 ат.%) снижает температуру кристаллизации и уменьшает максимально возможную толщину пластичной ленты.

Содержание фосфора и серы определяется его влиянием на улучшение технологичности. Только при содержании фосфора не менее 1,0 ат.% и серы не менее 0,1 ат.% их влияние становится эффективным. Увеличение количества фосфора более 2,5 ат.% и серы более 0,5 ат.% уменьшает индукцию насыщения и приводит к ухудшению качества ленты.

При содержании кремния более 10,0 ат.% также падает магнитная индукция.

Введение урана и индия снижает температуру и уменьшает время проведения термомагнитной обработки. Увеличение содержания урана более 0,002 ат.% и индия более 0,02 ат.% повышает хрупкость аморфной ленты. Уменьшение содержания урана менее 0,001 ат.% и индия менее 0,01 ат.% не оказывает существенного влияния на эффективность термомагнитной обработки.

Введение натрия и лития одновременно увеличивает коэффициент теплопроводности от расплава к закалочному барабану и смачиваемость материала его расплавом, что приводит к уменьшению шероховатости контактной и свободной поверхностей ленты и повышению ее пластичности.

Увеличение содержания натрия более 0,09 ат.% и лития более 0,06 ат.% приводит к появлению в расплаве связанных окислов этих элементов и ухудшению качества аморфной ленты. Уменьшение содержания натрия менее 0,07 ат.% и лития менее 0,04 ат.% не оказывает существенного влияния на качество аморфной ленты.

Указанные в сплавах в предлагаемом изобретении содержания химических элементов и их соотношения обеспечивают оптимальные сочетания технологических и магнитных свойств. При этом температура кристаллизации заявленных сплавов ≥570°С, что характеризует высокую термовременную стабильность аморфного состояния.

Пример.

Экспериментальные образцы сплавов получали в виде ленты шириной 20 мм, толщиной 28-30 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 (Т_кр) определяли методом дифференциального термического анализа при скорости нагрева 30°С/мин. Изменение толщины ленты осуществлялось путем изменения 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 серы от 0 ат.% до 0,5 ат.% вязкость при 1350°С уменьшается от 1,2·10^-6 м²/с при 0 ат.% S до 0,3·10^-6 м²/с при содержании S=0,5 ат.%.

Из полученных образцов ленты изготовляли тороидальные сердечники весом 18-22 г со средним диаметром 25-28 мм. Термообработку сердечников проводили при температуре 410-420°С в течение 30 мин. Образцы из лент отжигались в обычной атмосфере. Для сравнения были изготовлены сердечники из промышленных сплавов 2605-S2 (США) и 2НРС (Россия).

Динамические характеристики (потери на перемагничивание, Вт/кг) определяли в режиме «В - синус» при индукции 1-1,55 Тл на частоте 50 Гц (таблица 3).

Индукция предложенных сплавов в рабочих полях до 10 Э выше 1,5 Тл.

Технологичность предложенных сплавов, а именно критическая толщина ленты, температура кристаллизации сплавов, температура гомогенизации, жидкотекучесть расплавов, превосходит технологичность промышленных сплавов.

Потери в сердечниках, изготовленных из предложенных сплавов не превышают 0,22 Вт/кг при значениях индукции В_m=1,55 Тл.

Технический результат предлагаемого 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.

Таблица 1
Влияние химсостава на критическую толщину ленты
№ п/п	Химический состав	Σаморф	Ткр, °С	Критическая толщина, мкм
В	Si	С	Р	N	S	Н	О	U	In	Na	Li	S+N+P+C+Si+B	О+H+P+B
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Сплав 1	7,50	8,75	1,00	1,75	0,30	0,30	0,015	0,013	-	-	-	-	19,60	9,278	560	44
Сплав 2	7,50	8,75	1,00	1,75	0,30	0,30	0,015	0,013	0,002	0,015	-	-	19,60	9,278	565	48
Сплав 3	7,50	8,75	1,00	1,75	0,30	0,30	0,015	0,013	-	-	0,08	0,05	19,60	9,278	570	50
2НСР	13,00	9,00	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	540	30
2605-82	13,00	9,00	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	540	25
Сплав-прототип:	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
1	11,2	7,6	-	1,7	-	-	-	-	-	-	-	-	20,5	12,9	530	35
2	11,2	7,6	-	1,7	-	-	-	-	-	-	-	-	20,5	12,9	560	40
3	11,2	7,6	-	1,7	-	-	-	-	-	-	-	-	20,5	12,9	540	40
4	11,2	7,6	-	1,7	-	-	-	-	-	-	-	-	20,5	12,9	550	40
5	11,2	7,2	-	2,0	-	-	-	-	-	-	-	-	20,4	13,2	535	40
6	10,9	7,9	-	1,6	-	-	-	-	-	-	-	-	20,4	12,5	545	40
7	10,6	7,5	-	2,1	-	-	-	-	-	-	-	-	20,2	12,7	540	40
8	9,0	7,6	-	3,7	-	-	-	-	-	-	-	-	20,3	12,7	515	35
9	9,6	9,6	-	3,7	-	-	-	-	-	-	-	-	22,9	13,3	555	40
10	8,8	8,0	-	3,2	-	-	-	-	-	-	-	-	20,0	12,0	515	35
11	8,4	9,3	-	3,0	-	-	-	-	-	-	-	-	20,7	11,4	515	35

Таблица 2
Сравнение технологичности аморфных сплавов
Марка сплава	Критическая толщина, мкм	Температура перегрева расплава, °С
Российский аналог	Зарубежный аналог	Для гомогенизации	Для разливки
2НСР	Vitrovac 7505, ФРГ	30	1550	1430
7411	2605-S2, США	25	1570	1450
Сплав-прототип: Заявляемый:		35…40	1400	1300
сплав 1		40	1380	1340
сплав 2		45	1360	1320
сплав 3		50	1350	1300

Таблица 3
Магнитные свойства при частоте 50 Гц
Сплав	Ваттные потери, Вт/кг
1,0 Тл	1,2 Тл	1,3 Тл	1,4 Тл	1,5 Тл	1,55 Тл
Заявляемый:
сплав 1	0,12	0,14	0,17	0,19	0,21	0,22
сплав 2	0,10	0,13	0,16	0,18	0,20	0,21
сплав 3	0,09	0,12	0,15	0,17	0,19	0,20
2НСР	0,16	0,21	0,27	0,33	-	-
Сплав - прототип
8	0,13	0,17	0,20	0,23	-	-
9	0,13	0,18	0,19	0,21	-	-
10	0,10	0,16	0,165	0,19	0,21	-
11	0,09	0,13	0,16	0,18	0,21	0,22

1. Высокоиндукционный аморфный сплав с низкими электромагнитными потерями, полученный разливкой в ленту, содержащий бор, кремний, фосфор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод, азот, серу, водород и кислород при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Бор	6,0-9,0
Кремний	7,5-10,0
Углерод	0,5-1,5
Фосфор	1,0-2,5
Азот	0,1-0,5
Сера	0,1-0,5
Водород	0,01-0,02
Кислород	0,01-0,015
Железо	Остальное,

при этом температура кристаллизации сплава составляет не менее 570°С.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,01-0,05 ат.% урана и 0,01-0,1 ат.% индия.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,07-0,09 ат.% натрия и 0,04-0,06 ат.% лития.