ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЙ МАГНИТОТВЕРДЫЙ СПЛАВ
PRECIPITATION HARDENING MAGNETICALLY HARD ALLOY

Изобретение относится к металлургии, а именно к деформируемым дисперсионно-твердеющим сплавам для постоянных магнитов с высокой прочностью на основе системы Fe-Cr-Co, и может быть использовано для увеличения мощности и производительности высокоскоростных гистерезисных двигателей с роторами из постоянных магнитов, применяемых в качестве сепараторов в ядерной технике, биологии, медицине и других областях техники.
m
c
0.2
3
Деформируемые дисперсионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Cr-Co относятся к магнитотвердым материалам, которые, в частности, благодаря своим магнитным и прочностным характеристикам могут быть использованы для изготовления дисковых роторов высокоскоростных гистерезисных двигателей (ВГД). Эффективность работы дискового ротора в первую очередь зависит от его удельной намагниченности (σ, Гс·см/г), которая в значительной степени определяет энергетические характеристики ВГД. Увеличение удельной намагниченности приводит к повышению КПД устройства, повышению механического момента на валу двигателя и снижению энергозатрат. Сплав для дискового ротора должен обладать коэрцитивной силой (H), оптимальная величина которой составляет 90-120 А/см. Поскольку в современных ВГД скорость вращения ротора достигает 150 тыс. оборотов в минуту, материал ротора должен обладать не только комплексом необходимых магнитных параметров, но и уровнем механических свойств, не позволяющих разрушиться диску под действием возникающих центробежных сил. Условный предел текучести σ, характеризующий прочностные характеристики ротора, необходимые для работы ВГД, должен составлять не менее 1300-1500 МПа. Кроме того, чтобы избежать хрупкого разрушения, сплавы для роторов должны обладать определенным запасом пластичности, характеризуемой предельным относительным удлинением δ. Высокоскоростные двигатели находят применение в качестве привода сепараторов в ядерной технике при разделении изотопов, медицине, биологии и других областях техники.
c
Известны высокопрочные сплавы, применяемые в качестве материала для роторов ВГД. Это стали типа Х70С2 и высокопрочные конструкционные сплавы типа Н18К9М5Т: [Е.В.Белозеров, В.В.Сагарадзе, А.Г.Попов, A.M.Пастухов, Н.Л.Печеркина. Формирование магнитной текстуры в высокопрочной мартенситостареющей стали. ФММ, 1995, т.79, №6, с.606-613]. Но максимально достигаемые значения H магнитов, изготовленных из них, не превышают 20-30 А/см, и такие сплавы не могут быть использованы для изготовления роторов ВГД большой мощности [Справочник. Под. ред. Ю.М.Пятина. М.: Энергия, 1980, 488 с.].
c
B
Сплавы на основе тройной системы Fe-Cr-Co по магнитным характеристикам пригодны для изготовления роторов гистерезисных двигателей: [В.Б.Никаноров, А.П.Селезнев Б.А.Яковлев. Повышение технико-экономических показателей серийных гистерезисных двигателей. Известия ВУЗов. Электромеханика, 1987, №3, с.49-54]. В то же время они обладают низкими механическими свойствами. В сплавах Fe-Cr-Co высококоэрцитивное состояние достигается в результате дисперсионного распада (старения) α-твердого раствора, который может быть фиксирован закалкой из высокотемпературной области диаграммы состояний (от 900°С до 1300°С в зависимости от состава и легирующих добавок). Вследствие особенностей дисперсионного распада в сплавах Fe-Cr-Co более высокие значения H наблюдаются по мере увеличения степени распада α-твердого раствора. Однако этот процесс сопровождается повышением хрупкости сплава, что может приводить к разрушению ротора при разгоне его до требуемых скоростей вращения и к серьезным повреждениям всей конструкции. Если в состоянии α-твердого раствора (после закалки) величина предельного относительного удлинения δ составляет 10-15%, то после термообработки она снижается практически до нулевого значения, при этом предел прочности σ не превосходит 630-740 МПа: [Каталог фирмы TOKIN Corporation. Permanent magnets. Vol.1, 2000, 54 р.]. Повышение прочностных характеристик достигается легированием сплавов элементами группы ванадия.
Известно большое количество сплавов на основе Fe-Cr-Co, используемых для производства постоянных магнитов, легированных вольфрамом и другими добавками с различным соотношением основных компонент. В известных сплавах легирование осуществлялось, в основном, с целью улучшения магнитных характеристик постоянных магнитов (например, магнитотвердый сплав на основе Fe-Cr-Co с содержанием 0,1-2,5 W [патент ФРГ №2913071]. Его недостатком является относительно низкая прочность и низкая величина относительного удлинения. Как было показано нашими исследованиями, прочность сплава находится в прямой зависимости от содержания вольфрама и достигает необходимых значений при 9-11% W [Е.В.Белозеров, М.А.Уймин, А.Е.Ермаков, В.В.Сериков, Н.М.Клейнерман, Г.В.Иванова, ФММ, (2008) т.106. в.6. С.489].
c
0.2
Известен дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе системы Fe-Cr-Co, легированный вольфрамом [патент ФРГ №2165052], имеющий следующий состав (в мас.%): 25-40 Cr, 15-35 Co, 0-12 Si, 0-20 Mo, 0-20 W, Fe - остальное. Сплав обладает необходимыми для работы ВГД как магнитными (H=90-100 А/см), так и прочностными (σ=1300-1350 МПа) свойствами. Недостатком этого сплава является низкая пластичность в состаренном состоянии, δ=0,3-0,5%. Хрупкое разрушение ротора происходит при скоростях вращения ротора меньших, чем требуется для работы ВГД, что влечет за собой выход из строя высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе системы Fe-Cr-Co, легированный вольфрамом и галлием [патент РФ №23 03 644], имеющий следующий состав (в мас.%): 21-23 Cr, 14-16 Со, 9-11 W, 0,5-3,0 Ga, железо - остальное. В отличие от традицирнных сплавов Fe-Cr-Co, в которых формируется модулированная структура в результате спинодального распада, в этом известном сплаве возникают нанодисперсные выделения фаз, обогащенных вольфрамом, и формируется нанокомпозит, обладающий повышенной прочностью и пластичностью [E.V.Belozerov, N.N.Shcegoleva, G.V.Ivanova, N.V.Mushnikov Features of the Post-Deformation hardening of Fe-Cr-Co Hard Magnetic Alloys with W and Ga Additives // Solid State Phenomena Vol.152-153 (2009) pp 54-57].
Добавка галлия в сплав, легированный вольфрамом, приводит к увеличению его пластичности при сохранении высоких прочностных свойств, обусловленных введением вольфрама. Запас пластичности сплава позволяет сдвинуть порог хрупкого разрушения в область больших значений прочностных характеристик, что повышает надежность работы ротора и предотвращает разрушение дорогостоящего устройства.
Недостатком сплава является его низкая удельная намагниченность, которая в значительной степени определяет энергетические характеристики ВГД. Действительно, в гистерезисном двигателе вращающий момент возникает в результате отставания направления намагниченности постоянного магнита, намагниченного статором, от направления намагничивающего поля статора. Величина вращающего момента зависит от площади петли гистерезиса ферромагнитного материала, которая определяется коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения и прямоугольностью петли гистерезиса. Поскольку допустимая величина коэрцитивной силы задается полем статора и не может быть изменена в широких пределах, вращающий момент в первую очередь определяется намагниченностью материала. Недостаточно высокие значения удельной намагниченности приводят к снижению КПД устройства, понижению механического момента на валу двигателя и повышению энергозатрат.
Кроме того, данный сплав характеризуют недостаточно высокие значения величины относительного удлинения.
c
B
0.2
В основу изобретения положена задача повышения удельной намагниченности дисперсионно-твердеющего магнитотвердого сплава при повышении предельного относительного удлинения и сохранении значений коэрцитивной силы H и прочностных характеристик - предела прочности σ и условного предела текучести σ.
Поставленная задача решается тем, что дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе Fe-Cr-Co, легированный вольфрамом и галлием, согласно изобретению дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Хром
14-18
Кобальт
12-13
Вольфрам
8-10
Галлий
0,2-0,5
Медь
0,1-0,4
Железо
остальное.
При этом суммарное содержание Cu и Ga в сплаве не должно превышать 0,6%.
Для увеличения намагниченности высокопрочных магнитотвердых сплавов Fe-Cr-Co, легированных W и Ga, необходимо использовать составы, значительно более богатые железом, чем прототип. Само по себе увеличение количества железа при уменьшении концентрации хрома и кобальта в сплаве не позволяет решить поставленную задачу увеличения намагниченности, поскольку согласно диаграмме состояния тройного сплава Fe-Cr-Co такие сплавы после закалки содержат значительное количество немагнитной γ-фазы, снижающей общую намагниченность. Выпадение немагнитной γ-фазы в этом сплаве было устранено нами с помощью специальной обработки.
c
B
0.2
При дальнейшем уменьшении содержания хрома или кобальта в сплаве не удается реализовать требуемые значения H. Узкий интервал концентрации W в предложенном сплаве определяется тем, что согласно проведенным нами исследованиям только при таких концентрациях вольфрама удается получить требуемые высокие значения прочностных характеристик σ и σ.
Достижение более высоких по сравнению с прототипом значений относительного удлинения с 4,6 до 5,6% является результатом влияния двух факторов: дополнительного легирования медью и снижения в сплаве концентрации хрома. Нами показано, что пластифицирующие добавки Ga и Cu в процессе постдеформационного старения преимущественно выделяются по границам зерен, обеспечивая зернограничное проскальзывание в процессе деформации. Увеличение концентрации пластифицирующих добавок (меди и галлия) выше 0,6% затрудняет диффузию хрома в процессе старения, что отрицательно сказывается на магнитных свойствах. Кроме того, увеличение толщины прослоек Ga и Cu на межфазных границах создает условия для охрупчивания сплава. Более высокие значения относительного удлинения по сравнению с прототипом, достигаемые дополнительным введением в сплав меди, приводят к повышению порога хрупкого разрушения и возможности увеличения нагрузки на изделие без его разрушения.
Как следует из диаграммы состояний [Kaneko M., Homma M., Nakamura К. The phase diagram of Fe-Cr-Co alloys for permanent magnets. // IEEE Trans. Magnetics MAG-12. 1977. V.12. №5. P.1325-1327] и из исследований по оптимизации составов постоянных магнитов Fe-Cr-Co [Постоянные магниты. Справочник. Под. ред. Ю.М. Пятина. M.: Энергия, 1980, 488 с.], спинодальный распад в дисперсионно-твердеющих сплавах с образованием модулированных (обладающих периодичностью) структур происходит в области концентраций со строго определенным количественным соотношением основных компонент Fe, Cr и Со. Модулированные структуры удается сформировать в сплавах Fe-Cr-Co при содержании Cr не ниже 21%. Нами было обнаружено, что в этих сплавах со значительно меньшим содержанием Cr (14-18%) и Со (10-13%) происходит дисперсионный распад твердого раствора, но без образования четких модулированных структур. При этом в сплаве формируется неоднородный твердый раствор на основе FeCr (матрица) с выделениями на основе FeCo и фаз на основе вольфрама, размеры которых в несколько раз превышают дисперсность структурных составляющих модулированной структуры. В результате такого фазового распада формируется высокопрочный нанокомпозит. Его высокие прочностные характеристики обеспечивают обнаруженные в его структуре наноразмерные 20-40 нм выделения с тетрагональной решеткой предположительно на основе FeW. Присутствие наноразмерных частиц в структуре сплава служит препятствием для движения дислокации.
m
m
m
3
3
3
3
Основной причиной высококоэрцитивного состояния в сплавах Fe-Co-Cr является различие намагниченности выделяющихся фаз [Rossiter P.L., Houghton M.E. // Magnetic properties and microstructure of an Fe-Cr-Co alloy // Physica status solidi (a). 1978. V.47. №.2. P.597-608]. Поэтому в этом сплаве сохраняются условия для появления магнитной твердости, достаточной для работы ВГД нового поколения. Основным достижением проведенных исследований, как в научном, так и в практическом плане, является тот факт, что удалось повысить одну из основных характеристик сплава - удельную намагниченность - от значений σ=120-125 Гс·см/г (для прототипа) до σ=150-160 Гс·см/г (для заявляемого сплава) путем увеличения концентрации железа (удельная намагниченность 225 Гс·см/г) и значительного снижения содержания парамагнитного Cr и ферромагнитного Со, обладающего меньшей намагниченностью, чем железо (σ=175 Гс·см/г).
Сплавы для проведения экспериментов были выплавлены в индукционной печи в атмосфере аргона из шихты с чистотой не менее 99,95%. После гомогенизации при температуре 1200°С в течение 6 часов слитки проковывались в полосу в горячую при температуре 1000-1150°С. Затем с целью подавления γ-фазы проводили холодную деформацию прокаткой с 60% деформацией. Термообработку образцов проводили в области температур от 690°С до 600°С путем плавного снижения температуры в течение 3 часов и последующим снижением температуры старения от 600°С до 560°С в течение 1,5-3 часов.
Измерение механических свойств проводили на стандартных образцах на испытательной машине УМЭ-10ТМ. Магнитные свойства сплавов измеряли на вибромагнитометре на пластинах, вырезанных из образцов, подвергнутых механическим испытаниям.
m
c
0.2
В таблице 1 приведены составы исследуемых сплавов №1-8 и известного сплава (прототипа) №9 состава (в мас.%): 22 Cr - 15 Со - 9 W - 0,5 Ga - остальное железо. В таблице также приведены результаты измерений магнитных свойств (удельной намагниченности σ, коэрцитивной силы H) и результаты определения прочностных характеристик (условного предела текучести σ предельного относительного удлинения δ) после оптимальных обработок.
Таблица 1
Составы, магнитные и прочностные характеристики исследованных сплавов
№ п/п
Состав (вес.%)*
σ<sub>m</sub>, Гс см<sup>3</sup>/г
H<sub>c</sub>, А/см
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>0.2</sub>, МПа
δ, %
Cr
Co
W
Ga
Cu
1
20
12
9
0,4
0,1
120
131
1600
1350
4,3
2
18
13
9
0,4
0.2
137
146
1800
1350,
5,4
3
18
12
9
0,3
0,3
141
140
1620
1300
5,2
4
16
12
9
0,4
0,2
144
117
2000
1450
5,6
5
15
13
8
0,3
0,3
157
98
1750
1320
5,1
6
15
13
9
0,3
0,3
148
102
1700
1300
4.9
7
14
12
10
0,2
0,4
145
120
1650
1300
4,8
8
12
10
9
0,3
0,3
147
58
1460
1240
4.3
9
22
15
9
0,5
-
125
120
1800
1500
4,6
* Остальное - железо
в
0.2
Из таблицы видно, что сплавы №2, 3, 4, 5, 6, и 7 обладают на 20% большей намагниченностью по сравнению с прототипом и несколько более высокими значениями коэрцитивной силы. Уровень значений временного сопротивления разрыву σ и условного предела текучести σ в заявленных сплавах близок к прототипу. В то же время величина относительного удлинения выше, чем у прототипа. Максимальное значение δ, наблюдаемое для сплава 4, на 20% превосходит соответствующее значение для прототипа.
Таким образом, заявляемый дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав обладает высокой намагниченностью при повышении предельного относительного удлинения и сохранении значений коэрцитивной силы и прочностных характеристик - предела прочности и условного предела текучести.