Аморфный магнитный сплав на основе системы железо-кремний

Изобретение относится к металлургии, а именно к аморфному сплаву на основе системы железо-кремний-магний, который может быть использован в качестве материала для магнитопроводов трансформаторов, индукторов, дросселей и электродвигателей. Аморфный магнитный сплав содержит, в ат.%: железо – 88–92, магний – 4, кремний – 4-8. Аморфный сплав характеризуется повышенной магнитной индукцией и высокой термостабильностью. Сплав легко обрабатывается в широком интервале температур, сохраняя свою аморфную структуру. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургии железа, более конкретно, к разработкам составов аморфных магнитных сплавов на основе системы железо-кремний. Заявленный сплав может быть использован в качестве материала для магнитопроводов трансформаторов, индукторов, дросселей и электродвигателей.

Металлические аморфные материалы на основе железа обладают уникальным сочетанием магнитных свойств – высокой магнитной проницаемости, низкой коэрцитивной силы и относительно высокой индукцией насыщения [G. Herzer. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. 1997. V. 10. P. 415–462]. Магнитопроводы, выполненные из металлических аморфных материалов, с успехом используются, как в обычных (50 Гц), так и в высокочастотных (400–10000 Гц) трансформаторах [Ю.Н. Стародубцев, В.Я. Белозеров. Аморфные металлические материалы // Силовая электроника. 2009. № 2. С. 86–89]

Как правило, аморфные магнитные материалы, относящиеся к так называемым металлическим стёклам, создаются на основе системы M–X, где M – это металл (металлы) в количестве ~ 80 ат.%, X – элементы-аморфизаторы, преимущественно неметаллические в количестве ~ 20 ат.%, обычно мало растворимые в кристаллической решетке металлического элемента (M) [C. Suryanarayana, A. Inoue. Iron-based bulk metallic glasses // International Materials Reviews. 2013. V. 58. P. 131–166]. В случае получения аморфного магнитного материала методом скоростной закалки из расплава, металлический компонент может представлять собой либо только железо, либо смесь различных металлов. В большинстве случаев, металлическая составляющая сплава представляет собой так называемую «триаду железа» (Fe, Co, Ni) [C. Suryanarayana, A. Inoue. Bulk metallic glasses. Boca Raton: CRC Press LLC. 2011. 525 p.]. Иногда также добавляют другие металлические элементы, такие как Cr, Mn, Al, Ga, Mo, Zr, Nb и Ta, причем их концентрации варьируют от нескольких до почти 15–20 ат. % [A. Inoue, A. Makino, T. Mizushima. Ferromagnetic bulk glassy alloy // J. Magn. and magn. mat. 2000. V. 215–216. P. 246–252]. Редкоземельные элементы, такие как Y, Er, Gd и Tm, также иногда добавляют для получения благоприятных эффектов повышения формуемости стекла [Y. Q. Cheng, E. Ma. Atomic-level structure and structure-property relationship in metallic glasses // Progress in Materials Science. 2011. V. 56. P. 379–473]. Элементами аморфизаторами обычно являются B, C, P и Si с их общим содержанием около 20 ат.% [D. B. Miracle, D. V. Louzguine-Luzgin, L. V. Louzguina-Luzgina, A. Inoue. An assessment of binary metallic glasses: correlations between structure, glass forming ability and stability // International Materials Reviews. 2010. V. 55. P. 219–256].

Известен аморфный магнитомягкий сплав на основе Fe–Co–Ni [В.В. Маркин, Ж.Н. Мухаматдинов, Р.М. Гиндулин, Ф.М. Аверин, О.В. Смолякова, О.В. Хамитов, Патент РФ №2269173. 27.01.2006], полученный в виде ленты в процессе литья плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалки. Состав сплава определяется формулой (Fe-Co-Ni)_аА_bL_cBa_e, где: А – аморфизирующие элементы: В, Si, Р, а L – легирующие элементы: V, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb, Мо, W, Bi, Cu, при следующем соотношении компонентов, ат.%: 12≤b≤22; 0≤с≤7; 0,1≤е≤0,8; а – остальное. Сплав быть использован в магнитопроводах, преобразующих электроэнергию устройств.

Известен аморфный магнитомягкий сплав [У. Акири, Я. Ямада, Х. Хироюки, С. Йосида, А. Макино, Патент РФ №2483135. 27.05.2013], который имеет состав Fe_(100-X-Y-Z)B_XP_YCu_Z с аморфной фазой в качестве основной фазы, где 79≤(100-X-Y-Z)≤86 ат.%, 4≤Х≤13 ат. %, 1≤Y≤10 ат. % и 0,5≤Z≤1,5 ат.%. Сплав изготавливается в виде тонкой ленты и может быть использован в магнитопроводах трансформаторов, индукторов.

Известен сплав аморфный промышленный сплав на основе железа, производимый в виде тонкой ленты, содержащий медь, бор, ниобий и молибден [В.И. Кейлин, В.Я. Белозеров, Ю.Н. Стародубцев, Патент РФ № 2009257. 20.11.1991], состоящий из следующих ингредиентов: ат.% Cu – 0,5-2; Si – 12-18; B – 7-12; Nb – 2-4; Mo – 0,2-2; Fe – остальное.

Вышеперечисленные аморфные сплавы имеют следующие недостатки: 1) трудности с получением достаточно точных химических составов при выплавке, связанные с большим количеством элементов и их различными свойствами в расплавах; 2) экстремальные условия получения из расплава единственного возможного изделия в аморфном состоянии – тонкой ленты толщиной ~ 15–30 мкм; 3) низкую термическую стабильность: аморфное состояние сначала кристаллизуется, а затем рекристаллизуется при температурах ~ 400–650°C, безвозвратно утрачивая высокие магнитные свойства; 4) низкие значения магнитной индукции по сравнению с электротехническими сталями, заменителями которых они являются. Последнее связанно с высокой концентрацией (около 20 ат.%) «немагнитных» атомов, в основном аморфизаторов, в химическом составе сплавов.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран аморфный сплав системы Fe-Si-B [Ф.Е. Пащенко, В.С. Чернов, О.Г. Иванов, Патент РФ №2044352. 20.09.1995], который дополнительно содержит Zn и/или Al при следующем соотношении компонентов, ат.%: B – 11-16; Si – 4–8; Zn и/или – Al 0,5–5; Fe – остальное. Сплав может быть произведен в виде тонкой ленты, и использован в качестве магнитомягкого материала для производства изделий с линейной петлей гистерезиса, то есть в дросселях и трансформаторах. За исключением сравнительно простого химического состава сплав имеет все вышеперечисленные недостатки.

Магний (Mg) является металлическим элементом, практически не растворяющимся ни в одном 3d-переходном металле во всем температурном интервале их существования, в частности ни в α- или γ-фазах железа. С кремнием магний образует химический комплекс Mg₂Si устойчивый в широком интервале температур. Исследования показали, что в системе Fe-Si, содержащей несколько атомных процентов Mg, в температурном интервале α↔γ-превращения возможно формирование комплексов Mg₂Si с их встраиванием в кристаллическую решетку твердого раствора Fe-Si с последующей его аморфизацией. Было также показано, что для аморфизации твердого раствора, состоящего из 100 атомов, достаточно двух комплексов Mg₂Si. Дальнейшие исследования показали, что сформированное в момент α↔γ-превращения (910–950°C) аморфное состояние сохраняется как при нагреве до 1100°C, так и при охлаждении до комнатных температур.

Разработанный сплав системы Fe-Mg-Si, где соотношение элементов имеет формулу Fe_96-xSi_xMg₄ с аморфной фазой в качестве основной, где x в ат.% варьируется в пределах: 4≤x≤8, позволяет исключить проблему пониженных магнитных характеристик, вследствие минимального содержания неметаллических атомов в составе. Вторая задача, которую решает предлагаемый сплав – это термическая стабильность аморфного состояния, позволяющая обрабатывать материал в широком интервале температур, создавая изделия различных форм и размеров, в том числе «массивные» образцы.

Данный сплав может быть получен любым известным способом получения металлических стекол, в частности скоростной закалкой из жидкого состояния. Сплав может использоваться в качестве материала для магнитопроводов трансформаторов, индукторов, дросселей и электродвигателей.

Пример 1. Изготавливали три сплава (№ 1, 2, 3; фигура), соответствующих формуле Fe_96-xSi_xMg₄, в которых концентрация кремния составляла 4, 6 и 8 ат.%. Сплавы изготовлялись методом скоростной закалки из жидкого состояния в виде аморфных лент толщиной 20–22 мкм. Кроме этого, для сравнения, тем же методом были изготовлены сплавы Fe_86-xSi_xB₁₃Zn₁ и Fe_86-хSi_xB₁₃Al₁ (№ 4 и № 5; фигура), в которых концентрация кремния составляла 6 ат.%, то есть x=6.

Измерения магнитных свойств изготовленных сплавов проводилось по стандартным методикам. Термостабильность сплавов оценивалась терморентгеновским методом в диапазоне температур от комнатной до 1100°C. На фигуре представлены характеристики и магнитные свойства нескольких сплавов: х – концентрация атомов кремния, N – концентрация «немагнитных» атомов, В₈₀₀ (B₁₀) – магнитная индукция в поле напряженностью 800 А/м или 10 Эрстед; ΔT – интервал термической стабильности сплава. Из табл. 1 видно, что по сравнению с прототипом материал имеет более высокую магнитную индукцию, измеряемую в поле напряженностью 800 А/м (10 Эрстед), и сохраняет аморфную структуру до существенно более высоких температур.

Аморфный магнитный сплав на основе системы железо-кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний при следующем соотношении компонентов, в ат.%:

Железо – 88–92;

Магний – 4;

Кремний – 4–8.