ВЫСОКОИНДУКЦИОННЫЙ АМОРФНЫЙ СПЛАВ С НИЗКИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ, ПОЛУЧЕННЫЙ РАЗЛИВКОЙ В ЛЕНТУ
HIGH INDUCTION AMORPHOUS ALLOY WITH LOW ELECTRO-MAGNETIC LOSSES PRODUCED BY CASTING INTO BAND

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.
a
b
c
d
5
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 FeBSiC 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 B=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.
кр
-6
2
-6
2
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) 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 м/с при 0 ат.% S до 0,3·10 м/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.
m
Потери в сердечниках, изготовленных из предложенных сплавов не превышают 0,22 Вт/кг при значениях индукции В=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
Σ<sub>аморф</sub>
Т<sub>кр</sub>, °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