Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта
Владельцы патента RU 2273680:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)
Изобретение относится к металлургии прецизионных сплавов на основе кобальта, которые могут применяться для изготовления высокопрочных аморфных материалов в виде лент с высоким значением магнитной проницаемости. Предложен аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта, содержащий железо, никель, бор, кремний, хром, церий, иттрий и цирконий при следующем содержании компонентов, ат.%: железо 1,8-4, никель 6,2-8, бор 8-10, кремний 10-12, церий 0,6-1,2, иттрий 0,2-0,8, хром 2-3,5, цирконий 0,5-1,5, кобальт остальное. Техническим результатом настоящего изобретения является разработка нового состава аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта, обладающего высокими прочностными свойствами при сохранении высоких магнитных свойств. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к металлургии прецизионных сплавов на основе кобальта, которые могут применяться для изготовления высокопрочных аморфных материалов в виде лент с высоким значением магнитной проницаемости, обеспечивающим возможность создания эффективных плетеных экранирующих материалов для систем электромагнитной защиты.
Известно, что аморфная структура приводит к повышению магнитных свойств, в том числе магнитной проницаемости. Высокие магнитные свойства обеспечивают широкое практическое применение аморфных лент. Однако при создании плетеных электромагнитных экранов необходимо сочетание высоких магнитных свойств и высокой прочности на разрыв. Известны сплавы на основе кобальта для получения аморфных лент и литья аморфных микропроводов, защищенные авторским свидетельством СССР №1542078, российскими патентами №2187573, №2162899, №2098505, №2123537, а также патентом JP 58123851.
Общим недостатком этих сплавов является то, что они не обладают требуемой прочностью на разрыв (σв=80-120 кг/мм2). Практика изготовления плетеных экранов показывает, что для нормального хода процесса плетения эта величина должна быть увеличена вдвое.
Наиболее близким по технической сущности и химическому составу является выбранный в качестве прототипа аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта, в котором содержится: Со 58-66; Fe 3-4,2; Ni 2-9; Mn 0,8-2,2; Cr 1,3-1,5; В 12-12,8 и Si 13-14 ат.% [1].
Данный сплав обладает высокой магнитной проницаемостью (47000>μ>120000), недостатком этого сплава является низкая прочность на разрыв (80-100 кг/мм2).
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка нового состава аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта, обладающего более высокими прочностными свойствами при сохранении высоких магнитных свойств.
Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемый сплав дополнительно введен церий, иттрий и цирконий при следующем содержании компонентов (ат.%):
| Железо | 1,8-4 |
| Никель | 6,2-8 |
| Бор | 8-10 |
| Кремний | 10-12 |
| Церий | 0,6-1,2 |
| Иттрий | 0,2-0,8 |
| Хром | 2-3,5 |
| Цирконий | 0,5-1,5 |
| Кобальт | Остальное |
при этом:
суммарное содержание кобальта, железа и никеля должно составлять 68,5-76,5 ат.%, суммарное содержание бора и кремния должно составлять 18-20 ат.%, отношение содержания кремния к содержанию бору должно быть в пределах: 1≤Si/B≤1,5, суммарное содержание церия и иттрия должно составлять 0,8-1,5 ат.%.
Экспериментально установлено, что в тройном сплаве Co-Fe-Ni при определенном соотношении компонентов (58,8≤Со≤68,7; 1,8≤Fe≤4; 6,2≤Ni≤8) магнитная проницаемость будет максимальной.
Этому соотношению на тройной диаграмме состояния данного сплава (см. чертеж) соответствует область, выделенная пунктиром. Это область существования широко известных магнитомягких сплавов типа пермаллой [2]. При больших или меньших значениях указанной суммы компонентов Со, Fe и Ni магнитная проницаемость заметно снижается. При этом предполагается, что сплав находится в аморфном состоянии, поскольку при аморфизации магнитного сплава происходит резкое увеличение магнитных свойств. Для этого в тройной сплав, соответствующий по составу вышеуказанной области, вводятся дополнительно наиболее сильные для этой системы аморфизаторы кремний и бор [3].
В и Si являются, как известно, наиболее эффективными аморфизаторами. Причем экспериментально установлено, что эффект аморфизации усиливается при комплексном введении этих компонентов в количестве 18-20% при их соотношении от 1 до 1,5, что соответствует сингулярной области SiB [4].
При большем, чем 20,0 ат.%, суммарном содержании этих компонентов наблюдается резкое охрупчивание сплава и снижение прочностных характеристик, что не позволяет получать ленты длиной более 5 м из-за отсутствия эффективной рафинирующей добавки, обеспечивающей высокую чистоту сплава по неметаллическим включениям (прежде всего оксидам и нитридам), что особенно важно, учитывая микронные сечения получаемых полуфабрикатов.
Наиболее эффективными рафинирующими элементами являются церий (имеющий наибольшее сродство к кислороду и азоту) и иттрий (имеющий наибольшее сродство к водороду), которые одновременно способствует процессу аморфизации сплава. Причем наиболее эффективно рафинирование происходит при комплексном введении церия и иттрия, т.е. в виде лигатур (аналогично использованию традиционных редкоземельных мишметаллов для рафинирования прецизионных сплавов). В предлагаемый сплав дополнительно вводится 0,6-1,2 ат.% церия, 0,2-0,8 ат.% иттрия. При введении церия и иттрия в сумме менее 0,8 ат.% требуемого эффекта по увеличению длины (50 м и более) не наблюдается. При содержании церия и иттрия более 1,5 ат.% он выделяется в виде самостоятельной фазы и приводит к охрупчиванию сплава и снижению его прочностных характеристик. Добавление 2-3,5 ат.% хрома и 0,5-1,5 ат.% циркония обеспечивает увеличение термостабильности сплава. При введении меньшего количества легирующих компонентов эффекта увеличения термостабильности не наблюдается. При содержании хрома выше 3,5% и циркония выше 1,5% наблюдается охрупчивание сплава.
Исследуемые сплавы выплавлялись в индукционной высокочастотной печи в атмосфере аргона методом прямого сплавления компонентов и формировались методом вакуумного всасывания в кварцевые трубки с внутренним диаметром 2-3 мм с последующей закалкой в воду. Для приготовления сплавов использовались чистые шихтовые материалы: кобальт, железо, никель, хром, цирконий, бор, кремний, иттрий и церий для шихтовки сплава выбирался чистоты класса «0». После получения однородного расплава через отверстие в дне тигля расплав выливается на вращающееся медное колесо. Таким образом получается аморфная лента методом спиннингования [5].
Состав и основные характеристики предлагаемого сплава представлены в таблице 1.
Результаты испытаний показали, что предлагаемый сплав обладает более высокими прочностными свойствами при сохранении высокого уровня магнитных свойств.
Технико-экономическая эффективность от использования данного изобретения определяется увеличением выхода годных аморфных лент за счет устранения неметаллических включений по длине ленты. Например: без введения рафинирующих добавок в указанный состав и дополнительного легирования хромом и цирконием выход годных по первой группе сложности составляет 40%. Введение указанных добавок увеличивает выход годных до 90%.
Источники информации
1. Патент России №2123537, кл. С 22 С 45/04, 20.12.1998.
2. Р.Бозорт. Ферромагнетизм. Москва, «Иностранная литература», 1956.
3. Быстрозакаленные металлы. Под ред. Б.Кантора, Москва, «Металлургия», 1983.
4. Метастабильные и неравновесные сплавы. Под ред. Ю.В.Ефимова. Москва, «Металлургия», 1988.
5. Аморфные металлические сплавы. Под ред. Б.Люборского, Москва, «Металлургия», 1987.
| Таблица 1. Состав и свойства предлагаемого и известного сплавов. | |||||||||||||||||
| Сплав | №плавки | Содержание элементов в ат.% | Соотношение элементов | Свойства | |||||||||||||
| Fe | Ni | В | Si | Mn | Y | Се | Cr | Zr | Со | Co+Fe+Ni | Si+B | Si/B | Ce+Y | μ | σв, кг/мм2 | ||
| Предлагаемый | 1 | 1,8 | 6,2 | 8,0 | 12,0 | - | 0,2 | 1,2 | 2,0 | 0,5 | 68,6 | 76,5 | 20,0 | 1,5 | 1,4 | 80000 | 268 |
| 2 | 2,4 | 7,0 | 9,0 | 11,0 | - | 0,6 | 0,9 | 2,8 | 1,0 | 61,1 | 68,8 | 20,0 | 1,22 | 1,5 | 100000 | 280 | |
| 3 | 4,0 | 8,0 | 10,0 | 10,0 | - | 0,8 | 0,6 | 3,5 | 1,5 | 59,4 | 73,1 | 20,0 | 1,0 | 1,4 | 87500 | 240 | |
| 4* | 1,9 | 6,3 | 8,1 | 12,1 | - | 0,2 | 1,0 | 1,9 | 1,1 | 67,5 | 75,6 | 20,2 | 1,5 | 1,2 | 85000 | 75 | |
| 5** | 4,0 | 8,0 | 7,9 | 9,9 | - | 0,1 | 0,5 | 3,6 | 1,6 | 64,4 | 76,4 | 17,8 | 1,17 | 0,6 | 80000 | 170 | |
| Известный | 3,5 | 5,7 | 12,5 | 13,5 | 1,7 | - | - | 1,5 | - | 63 | - | - | - | - | 110000 | 88 | |
| Примечание: В таблице приведены усредненные значения испытаний трех образцов на точку. * - При таком соотношении компонентов происходит резкое охрупчивание сплава (σв≤80 кг/мм2). ** - При таком соотношении компонентов процесс литья лент становится неустойчивым. |
1. Аморфный магнитомягкнй сплав на основе кобальта, содержащий кобальт, железо, никель, бор, кремний и хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, иттрий и цирконий при следующем содержании компонентов, ат.%:
| Железо | 1,8-4 |
| Никель | 6,2-8 |
| Бор | 8-10 |
| Кремний | 10-12 |
| Церий | 0,6-1,2 |
| Иттрий | 0,2-0,8 |
| Хром | 2-3,5 |
| Цирконий | 0,5-1,5 |
| Кобальт | Остальное |
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что суммарное содержание кобальта, железа и никеля должно составлять 68,5-76,5 ат.%
3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что суммарное содержание бора и кремния должно составлять 18-20 ат.%.
4. Сплав по п.3, отличающийся тем, что отношение содержания кремния к содержанию бора должно быть в пределах
1≤Si/B≤1,5.
5. Сплав по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что суммарное содержание церия и иттрия должно составлять 0,8-1,5 ат.%.
