СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
METHOD OF COMPLEX PROCESSING AMORPHOUS NANOCRYSTALLINE ALLOYS

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее, к способам обработки лент из аморфно-нанокристаллических сплавов путем комплексных воздействий и может быть использовано, например, при изготовлении деталей из аморфных магнитно-мягких сплавов в электронике и приборостроении.
Известен способ изготовления аморфного магнитно-мягкого материала, включающего расплав материала и резкое охлаждение спиннингованием из расплава. Состав сплава: 66-74% железа, 1-9%Н, 1-9%Nb и 16-24%В. Сплав обладает высокой термической стабильностью, начальная температура кристаллизации его до 926 К, переохлаждение жидкой фазы до 94 К, а величина коэрцитивной силы составляет 1,8 А/м. (Патент Китая №CN101286401 (А) С22С 1/03; H01F 1/153, 15.10.2008).
Основными недостатками указанного способа являются низкая твердость и высокая коэрцитивная сила сплавов.
Прототипом заявленного изобретения по технической сущности является способ обработки изделий из магнитно-мягких аморфных сплавов интенсивной пластической деформацией, включающий закалку из жидкого состояния, интенсивную пластическую деформацию кручением под квазигидростатическим давлением при криогенной температуре. Деформация проводится в камере Бриджмена при температуре 77К, величина давления составляет 4 ГПа, количество оборотов N=4-8, обработке подвергаются сплавы, содержащие компоненты в следующем соотношении, мас.%: бор 2,0; кремний 1,7; никель 48,6; кобальт 17,0; железо и неизбежные примеси - остальное. Сплав имеет высокие значения индукции технического насыщения и низкие значения коэрцитивной силы. (Патент РФ №RU2391414, описание, C21D 6/04, C22F 1/00, H01F 1/153, 10.06.2010 г.).
Основными недостатками указанного способа являются низкая твердость и низкая намагниченность насыщения сплавов.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении эксплуатационной надежности и срока службы деталей и изделий из аморфно-нанокристаллических сплавов в электронике и приборостроении.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение аморфно-нанокристаллических сплавов с высокой твердостью и высокой намагниченностью насыщения при сохранении низких значений коэрцитивной силы.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки изделий из магнитно-мягких аморфных сплавов интенсивной пластической деформацией кручением под квазигидростатическим давлением при криогенных температурах, согласно изобретению обрабатывают сплавы, содержащие компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Бор
2,1-3,5
Кремний
2,0-4,5
Никель
5,0-10,0
Кобальт
15,0-30,0
Хром
12,0-20,0
Железо и неизбежные
примеси
Остальное
при выполнении условия: сумма бора и кремния равна 4,5-7,0; сумма бора и никеля равна 7,5-13,0;
после интенсивной пластической деформации проводят ультразвуковую обработку сплавов в диапазоне рабочих частот f=18,0-22,0 кГц.
Отличительными признаками предлагаемого способа от прототипа являются:
- изготовление аморфно-накристаллических сплавов заданного химического состава; содержание компонентов, мас:%: бора 2,1-3,5; кремния 2,0-4,5; никеля 5,0-10,0;
- дополнительное легирование хромом 12,0-20,0%;
- сумма бора и кремния равна 4,5-7,0; сумма бора и никеля равна 7,5-13,0%;
- проведение после пластической деформации ультразвуковой обработки сплавов в диапазоне рабочих частот f=18,0-22,0 кГц.
Эти отличительные признаки в совокупности с оптимальным химическим составом сплавов позволяют получить аморфно-нанокристаллические материалы с высокой твердостью и высокой намагниченностью насыщения при сохранении низких значений коэрцитивной силы.
Химический состав сплавов выбран после детальных экспериментов по интенсивной пластической деформации при криогенных температурах и ультразвуковой обработке аморфных сплавов на основе железа с различным содержанием легирующих элементов.
При легировании аморфно-нанокристаллических сплавов на основе железа использованы бор и кремний в качестве аморфообразующих элементов, а также кобальт, никель и хром для получения высоких прочностных, магнитных и коррозионных свойств материалов.
В состав сплавов входят аморфообразующие элементы бор и кремний. Аморфизаторы понижают температуру плавления и обеспечивают достаточно быстрое охлаждение расплава ниже его температуры стеклования так, чтобы в результате образовалась аморфная фаза. Содержание бора в количестве 2,1-3,5% и кремния в количестве 2,0-4,5% обеспечивает высокую твердость, прочность и термическую стабильность аморфных сплавов за счет образования высокопрочных аморфных фаз. При более низком содержании бора и кремния формирования высокопрочных и термически стабильных областей с аморфными фазами не происходит, при более высоком -наблюдается снижение пластичности сплавов.
Легирующие элементы кобальт и никель вводятся в сплав для получения высоких прочностных и магнитных свойств. Содержание кобальта в количестве 15,0-30,0% и никеля в количестве 5,0-10,0% обеспечивает высокую твердость, высокую намагниченность насыщения и низкую коэрцитивную силу, то есть способствует созданию высокопрочных магнитно-мягких материалов. При более низком содержании кобальта и никеля достижение высокой твердости и прочности не происходит, при более высоком - происходит повышение коэрцитивной силы и ухудшение эксплуатационных характеристик магнитно-мягких сплавов.
Дополнительное легирование хромом проводится для повышения коррозионной стойкости сплавов. Содержание хрома в количестве 12,0-20,0% способствует получению аморфно-нанокристаллических материалов с высокой стойкостью к коррозионному растрескиванию. При содержании хрома менее 12,0% коррозионная стойкость аморфных сплавов не сохраняется, при содержании хрома более 20,0% наблюдается снижение пластических свойств и повышение хрупкости материала за счет образования карбидов хрома при минимальном количестве углерода.
Содержание суммы бора и кремния составляет 4,5-7,0%, что обеспечивает достижение высокой прочности и термической стабильности сплавов. При содержании бора и кремния за пределами указанных интервалов данный эффект не наблюдается. Легирование сплавов бором и кремнием в сумме менее 4,5% не приводит к получению высокой твердости и термической стабильности сплавов. При содержании бора и кремния в сумме более 7,0% происходит охрупчивание сплавов и снижение эксплуатационной надежности электромагнитных устройств.
Содержание суммы бора и никеля составляет 7,5-13,0%, что обеспечивает достижение высоких механических и магнитных свойств сплавов. При содержании бора и никеля за пределами указанных интервалов данный эффект не наблюдается. Легирование сплавов бором и никелем в сумме менее 7,5% не приводит к получению высокой твердости и низкой коэрцитивной силы. При содержании бора и никеля в сумме более 13,0% происходит охрупчивание сплавов и снижение ресурса деталей сенсоров и реле и других электромагнитных устройств.
Химический состав сплавов, представленный в заявке, обеспечивает наиболее интенсивное формирование в аморфной матрице нанокристаллической структуры в процессе деформации при криогенных температурах и ультразвуковой обработке аморфно-нанокристаллических сплавов.
Как следствие, именно такой состав приводит к наиболее заметному упрочнению сплавов, имеющих после интенсивной пластической деформации аморфную и аморфно-нанокристаллическую структуру. Наличие аморфной фазы обеспечивает достаточную пластичность сплава, хотя размер фрагментов этой фазы находится в нанометрическом диапазоне. Предлагаемый химический состав, как показали проведенные исследования, обеспечивает также достижение высоких показателей твердости, намагниченности насыщения и коэрцитивной силы.
49,0
20,0
15,0
10,0
3,5
2,5
6
Закалка из жидкого состояния проводится для изготовления ленты из аморфно-нанокристаллических сплавов. Лента аморфно-нанокристаллического сплава на основе железа. (FeCoCrNiSiB; ∑ B+Si=6,0%; ∑ B+Ni=12,5%) была получена методом спиннингования, то есть резкой закалкой расплава со скоростью около 10град/сек на вращающийся охлаждаемый медный барабан. Указанный метод позволяет получать аморфные ленты толщиной 10-50 мкм и шириной 3-10 мм.
Проведение после интенсивной пластической деформации ультразвуковой обработки (УЗО) в диапазоне рабочих частот f=18,0-22,0 кГц способствует повышению физико-механических свойств аморфных сплавов. В процессе ультразвуковой обработки в сплавах возникают ультразвуковые напряжения. Действие ультразвука приводит к образованию в объеме материала дополнительного количества кристаллической фазы (10-12%). Дополнительная кристаллизация, связанная с ультразвуковой деформацией, наблюдается в основном в микрообластях с повышенным уровнем напряжений (дефекты упаковки, пересечение двойников). При этом «ультразвуковая» кристаллическая фаза в этих участках отличается более высокой степенью дисперсности, чем «криогенная» кристаллическая составляющая, что обеспечивает повышение твердости и магнитных свойств сплавов. При этом наблюдается увеличение намагниченности насыщения аморфно-нанокристаллических сплавов, что способствует их использованию в качестве магнитных материалов в электронике и приборостроении. Применение УЗО с частотой менее 18,0 кГц не приводит к повышению свойств сплавов. После обработки ультразвуком с частотой более 22,0 кГц происходит снижение пластичности и наблюдается охрупчивание стали.
Проведение комплексной обработки аморфно-нанокристаллических сплавов на основе железа, включающей интенсивную пластическую деформацию кручением под квазигидростатическим давлением при криогенных температурах и ультразвуковую обработку, обеспечивает повышение твердости и намагниченности насыщения при сохранении низкой коэрцитивной силы, то есть важных характеристик для магнитно-мягких материалов.
Эффективность применения данного изобретения показано на следующих вариантах способа обработки:
Пример конкретного осуществления способа
49,0
20,0
15,0
10,0
3,5
2,5
Лента аморфно-нанокристаллического сплава (FeCoCrNiSiB)
6
(∑ B+Si=6,0%; ∑ B+Ni=12,5%) была получена методом спиннингования, то есть резкой закалкой расплава со скоростью около 10 град/сек на вращающийся охлаждаемый медный барабан. Толщина ленты составила 30 мкм, ширина 5 мм. Температура кристаллизации сплава равна Т=800 К. Из ленты были нарезаны образцы, размер которых составил 5×5 мм. Образцы ленты были сложены в стопки по 4-6 штук и подвергнуты интенсивной пластической деформации кручением под давлением при температуре 77 К. Деформация проводилась в камере Бриджмена. Величина давления составила 4 ГПа, количество оборотов N=8, что соответствует истинной логарифмической степени деформации ∈=6. После криогенной пластической деформации образцы ленты подвергали ультразвуковой обработке на установке УЗПО-21. Образцы закрепляли в камере для ультразвуковой обработки и подвергали ударно-циклическому воздействию с помощью рабочих тел - шариков из особовысокопрочной стали. Диапазон рабочих частот ультразвуковых колебаний составил f=18,0-22,0 кГц. Измерения магнитных характеристик проводилось на вибрационном анизометре ВИБРАН. Максимальная напряженность магнитного поля составила 9 кЭ. Измерение твердости HV осуществляли на твердомере Виккерс методом индентирования. Результаты определения механических и магнитных свойств образцов из аморфно-нанокристаллических сплавов на основе железа, обработанных по предлагаемому способу, приведены в таблице, п.1 и 2 (вариант 1 - частота ультразвуковых колебаний f=18,0; вариант 2 - f=22,0 кГц).
Проведено сравнение механических и магнитных свойств аморфно-нанокристаллического сплава после обработки по предлагаемому способу и сплава, обработанного по прототипу и имеющего соответствующий химический состав, который включает изготовление аморфной ленты спиннингованием и криогенную деформацию при температуре 77 К в камере Бриджмена при величине давления 4 ГПа и количестве оборотов N=8. Результаты испытаний образцов из аморфного сплава, обработанного по прототипу, приведены в таблице, п.3.
49,0
20,0
15,0
10,0
3,5
2,5
Полученные результаты (таблица) свидетельствуют о том, что обработка аморфно-нанокристаллического сплава FeCoCrNiSiB по предлагаемому способу в сравнении с прототипом позволяет существенно повысить твердость (с 1,1 до 11,0-12,0 ГПа) и намагниченность насыщения на 35-40% при сохранении низких значений коэрцитивной силы. Обработка по предлагаемому способу увеличивает эксплуатационную надежность и срок службы деталей из аморфно-нанокристаллических сплавов для изготовления изделий в электронике и приборостроении.
Механические и магнитные свойства аморфно-нанокристаллических сплавов Fe<sub>49,0</sub>Co<sub>20,0</sub>Cr<sub>15,0</sub>Ni<sub>10,0</sub>Si<sub>3,5</sub>B<sub>2,5</sub>, изготовленных и обработанных по предлагаемому способу и по прототипу.
№
Способ обработки сплавов
Рабочая частота f, кГц (при ультразвуковой обработке)
Механические и магнитные свойства сплавов
Твердость HV, ГПа
Намагниченность насыщения, Тл
Коэрцитивная сила, А/м
1
По предлагаемому способу
18,0
11,0
1,6
1,0
2
22,0
12,0
1,5
1,1
3
По прототипу
-
1,1
1,2
1,1