Магнитный сплав и магнитопровод из этого сплава

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, предназначенным для изготовления магнитопроводов трансформаторов и других магнитных элементов радиотехники и электротехники. Предложен магнитный сплав с улучшенными механическими свойствами, в который дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: никель 0,1 - 2,0; медь 0,5 - 2,0; молибден 0,5 - 5,0; ниобий 0,1 - 4,5; кремний 5 - 18; бор 4 - 12; железо остальное. Сумма компонентов молибден и ниобий составляет 2 - 5 ат.%. Для получения высокой магнитной проницаемости сплав должен обладать структурой, в которой не менее 50% кристаллитов имеют размер менее 100 нм. Также предложен магнитопровод, изготовленный из данного магнитного сплава. 2 с. и 4 з.п.ф., 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, предназначенным для изготовления магнитопроводов трансформаторов тока, силовых трансформаторов, высокочастотных трансформаторов и других магнитных элементов радиотехники и электроники.

Известен магнитный сплав [1], содержащий железо, медь, молибден, ниобий, кремний, бор, имеющий следующее соотношение компонентов, ат.%; медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,001-4,5, кремний 12-18, бор 7-12, железо - остальное, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2-5 ат%. Из сплава указанного состава с помощью сверхбыстрого охлаждения расплава на барабане-холодильнике получают металлическую ленту с аморфной структурой. В результате отжига в ленте формируется структура, в которой не менее 50% составляют кристаллиты размером менее 100 нм. Именно такая нанокристаллическая структура обеспечивает высокую магнитную проницаемость в магнитопроводе, изготовленном из данного сплава. Лента, полученная разливкой сплава-прототипа, обладает повышенной хрупкостью при толщине ленты около 25 мкм, так что из ленты такой толщины практически невозможно намотать магнитопроводы.

Целью данного изобретения является магнитный сплав с улучшенными механическими свойствами. Указанная цель достигается тем, что в магнитный сплав, содержащий железо, медь, молибден, ниобий, кремний и бор, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2-5%, дополнительно вводят никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: никель 0,1-2,0, медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,1-4,5, кремний 5-18, бор 4-12, железо - остальное.

Добавка никеля позволяет снизить температуру плавления сплава, улучшить гомогенность расплава и его смачиваемость поверхности барабана-холодильника. Вследствие этого стабилизируется процесс получения металлической ленты, увеличивается выход годной продукции - пластичной аморфной ленты. Добавка никеля увеличивает толщину, при которой охрупчивается аморфная лента, примерно на 5 мкм. Следовательно, по сравнению с прототипом улучшаются механические свойства аморфной ленты.

Обнаружено, что при добавке более 1 ат.%, толщина ленты, при которой начинается охрупчивание, уже не возрастает. С другой стороны, содержание никеля менее 0,2 ат.% почти не влияет на механические свойства ленты. Поэтому предпочтительное содержание никеля в сплаве составляет 0,2-1,0 ат%. В этом интервале никель слабо влияет на магнитные свойства и температуру кристаллизации сплава.

По сравнению с прототипом несколько расширена область содержания кремния и бора. Для того чтобы получить сплавы с низкой чувствительностью магнитных свойств к сжимающим напряжениям, магнитный сплав должен содержать кремний в интервале 14-17 ат. % и бор в интервале 6-8 ат.%. Для получения магнитного сплава с высокой индукцией насыщения предпочтительно, чтобы содержание кремния составляло 7-11 ат.%, а бора 9-11 ат.%. Высокую магнитную проницаемость обеспечивает структура сплава, имеющая не менее 50% кристаллов размером менее 100 нм.

В качестве прототипа выбран магнитопровод [2], изготовленный из ленты магнитного сплава на основе железа. Состав сплава выражается формулой (Fe_1-aMa)_100-x-y-z-bR_bCu_xSi_yB_z, где M - Co и/или Ni, R - по крайней мере один компонент из группы Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo. Численные значения индексов находятся в интервалах a = 0-0,5, b = 0,1-30, x = 0,1-3, y = 0-30, z = 0-30, (y+z) = 5-30. Одним из вариантов магнитопровода является ленточный кольцевой магнитопровод, который получают нививкой ленты на оправку круглого сечения (см. фиг. 1). При изготовлении ленточных магнитопроводов важно, чтобы лента была пластичной, поскольку хрупкая лента ломается при навивке. Для повышения пластических свойств ленты предлагается ленточный магнитопровод изготавливать из магнитного сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. %: никель 0,1-2,0, медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,1-4,5, кремний 5-18, бор 4-12, железо - остальное, причем сумма компонентов молибден и ниобий составляет 2-5 ат.%. Для получения высокой магнитной проницаемости предпочтительно, чтобы структура сплава не менее чем на 50% состояла из кристаллов размером менее 100 нм.

На фиг. 1 изображен общий вид ленточного кольцевого магнитопровода.

Примеры. В индукционной вакуумной печи выплавляли сплавы с разным содержанием никеля, кремния и бора. После расплавления сплава в тигле, расплав разливали на барабан-холодильник, в результате получали ленту толщиной около 25 мкм. Из начального участка ленты, имеющего значительную разнотолщинность, отбирали пробы разной толщины, которые затем изгибали на оправах различного диаметра до излома ленты. По кривым зависимости диаметра оправки, при которой происходил излом ленты, от толщины ленты определяли критическую толщину охрупчивания. Затем из ленты с различным химическим составом навивали ленточные кольцевые магнитопроводы размером 15/25-10 и отжигали их до получения в сплаве нанокристаллической структуры. После отжига на магнитопроводах измеряли магнитные свойства.

В табл. 1 представлены результаты определения толщины охрупчивания аморфной ленты сплава Fe_73,5-aNi_aCu₁Mo_1,5Si_13,5B₉ в зависимости от содержания никеля. Из нее следует, что добавка никеля позволяет увеличить толщину ленты, при которой начинается охрупчивание.

В табл. 2 приведены результаты измерений начальной относительной магнитной проницаемости μ_н и магнитной индукции при напряженности магнитного поля 800 А/м (B₈₀₀) в магнитопроводах из сплава Fe_95,2-x-yNi_0,8Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_xB_y. Видно, что для получения магнитопроводов с высокой магнитной индукцией насыщения необходимо снижать в сплаве содержание кремния и бора. Окончательный химический состав сплава выбирают в зависимости от поставленной задачи: высокая магнитная индукция насыщения или высокая начальная магнитная проницаемость.

В табл. 3 приведены результаты испытания магнитопроводов из сплава Fe_95,2-x-yNi_0,8Cu₁Mo_1,5Nb_1,5Si_xB_y после отжига и после пропитки магнитопроводов клеем на основе силиката натрия и его сушки. После сушки клей создает в магнитопроводе сжимающие напряжения, которые снижают начальную магнитную проницаемость. Из табл. 3 следует, что с увеличением отношения содержания кремния к бору снижается чувствительность магнитной проницаемости к сжимающим напряжениям. Снижение чувствительности магнитных свойств магнитопровода к сжимающим напряжениям при сохранении высокого уровня этих свойств достигается при содержании кремния в интервале 14-17 ат.% и бора в интервале 6-8 ат.%.

Формула изобретения

1. Магнитный сплав, содержащий в качестве компонентов железо, медь, молибден, ниобий, кремний и бор, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2 - 5 ат.%, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: Никель - 0,1 - 2,0 Медь - 0,5 - 2,0 Молибден - 0,5 - 5,0 Ниобий - 0,1 - 4,5 Кремний - 5,0 - 18,0 Бор - 4,0 - 12,0 Железо - Остальное 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что его структура не менее, чем на 50% состоит из кристаллов размером менее 10 нм.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 14 - 17 ат.% кремния и 6 - 8 ат.% бора.

4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 7 - 11 ат.% кремния и 9 - 11 ат.% бора.

5. Ленточный магнитопровод, содержащий ленту, выполненную из магнитного сплава, содержащего в качестве компонентов никель, медь, молибден, ниобий, кремний, бор, железо, отличающийся тем, что лента выполнена из магнитного сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат.%:
Никель - 0,1 - 2,0
Медь - 0,5 - 2,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Ниобий - 0,1 - 4,5
Кремний - 5,0 - 18,0
Бор - 4,0 - 12,0
Железо - Остальное
причем сумма компонентов молибдена и ниобий в сплаве составляет 2 - 5 ат.%.

6. Магнитопровод по п.5, отличающийся тем, что лента выполнена из сплава со структурой, не менее чем на 50% состоящей из кристаллов размером менее 100 нм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2