АМОРФНЫЙ МАГНИТОМЯГКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА
AMORPHOUS SOFT MAGNETIC ALLOY ON BASIS OF COBALT

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в производстве различных электромагнитных компонентов и устройств, в частности, высокочастотных импульсных трансформаторов, в системах телекоммуникаций с цифровыми линиями связи, трансформаторах тока электронных счетчиков электроэнергии, противопожарных датчиках и т.д.
Известен «Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта», содержащий кобальт, железо, марганец и аморфизатиры в виде кремния и бора, при этом он содержит компоненты в следующих соотношениях, ат.%:
Кобальт
71-73,5
Железо
2,7-4,7
Марганец
не более 2,3
Хром
не более 1,7
Кремний
12,8-13,3
Бор
8,6…9,2
При следующих соотношениях между ними, ат.%:
Fe+Mn = 4,5-5,2;
(Fe+Mn)/(Co+Fe+Mn)=0,059-0,066;
Cr+Si+B-22-24.
Патент РФ №2162899, МКИ С22С 45/04, 19/07, дата публ. 2001.02.10
Известен «Аморфный магнитомягкий сплав на основе кобальта», содержащий кобальт, железо, никель, бор, кремний и хром, при этом 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
Патент РФ №2273680, МКИ С22С 45/04, 19/07; H01F 1/153, дата публ. 2006.04.10
1-x
x
100-a-b-c
a
b
c
Известен «Магнитный сплав на основе кобальта» (CoFe)MSiB, где М - один или несколько компонентов из группы, содержащей Ni, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Та, Ru, Ti, Zr, а индексы имеют следующие значения: х=0-0,2; а=0-20; b=5-20; с=5-20; b+c=5-30 ат.%, причем более 80% структуры сплава является аморфной.
Патент US №4188211, МКИ С22С 19/00, 1980 г.
Наиболее близким аналогом по составу компонентов к заявляемому изобретению является «Ленточный сердечник для работы в слабых магнитных полях», выполненный из аморфного сплава на основе кобальта, содержащего железо, кремний, бор, один или несколько компонентов из группы, содержащей титан, ванадий, хром, марганец, никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений, гафний, тантал, вольфрам, при этом сплав содержит компоненты при следующем соотношении компонентов, ат.%:
Железо
2-5
Кремний
10-19
Бор
9-15
Один или несколько компонентов из группы,
содержащей титан, ванадий, хром, марганец,
никель, цирконий, ниобий, молибден, рутений,
2-5
гафний, тантал, вольфрам
Кобальт
остальное
причем сумма компонентов кремний и бор составляет 25-30 ат.%:
Патент РФ №2009248, МКИ С22С 19/07, дата публ 1994.03.15.
К техническому результату относится улучшение магнитных свойств аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта путем оптимального подбора компонентов сплава в определенных пределах и регулирования соотношения между ними, при этом полученный сплав обладает одновременно высокой магнитной проницаемостью и магнитной индукцией при сохранении околонулевой магнитострикции.
Технический результат достигается тем, что в аморфном магнитомягком сплаве на основе кобальта, железа, марганца, никеля, хрома, кремния и бора в пределах 9,0-15,0, ат.%, содержание компонентов поддерживают в следующих количествах, ат.%:
Со
58-75
Fe
1,3-2,0
Mn
0,8-2,0
Ni
5,0-9,0
Cr
0-1,7
Si
4,0-10,0
Суммарное содержание железа и марганца составляет 2,1-4,0 ат.%.
Суммарное содержание хрома, кремния и бора составляет 13-26,7.
Соотношение между группами компонентов: Fe+Mn/Со+Ni+Fe+Mn находится в диапазоне 0,030-0,045. В аморфном магнитомягком сплаве на основе кобальта с его содержанием 58-75 ат.% отношение содержания бора к содержанию кремния поддерживают в диапазоне 1,5-2,25.
Примеры создания аморфного магнитомягкого сплава на основе кобальта, обладающего следующими магнитными свойствами: индукцией насыщения Bs в диапазоне 0,52-1,1 Тл, магнитной проницаемостью µ' в диапазоне 1100-120000 и околонулевой магнитострикцией, и результаты измерений сведены в таблицы 1, 2, и 3. Таблица 1 содержит примеры химических композиций сплава.
Таблица 2 - магнитные свойства композиций.
Таблица 3 - влияние соотношения: Fe+Mn/Со+Ni+Fe+Mn на магнитострикцию.
Комплекс этих свойств в заданных узких пределах играет определяющую роль в работе трансформаторов телекоммуникационных систем, электронных счетчиков, датчиков и других электромагнитных устройств различного назначения.
Указанные свойства можно достигнуть в предлагаемом сплаве следующего химического состава в атомных %:
Со
58-75
Fe
1,3-2,0
Mn
0,8-2,0
Ni
5,0-9,0
Cr
0-1.7
Si
4,0-10,0
В
9,0-15,0
При этом химические компоненты сплава сгруппированы друг с другом в следующих количественных отношениях в атомных %:
Fe+Mn
2,1-4,0
Cr+Si+B
13-26,7
Fe+Mn/Со+Ni+Fe+Mn
0,030-0,045
s
Кроме того, с целью повышения индукции B в окобальтовом сплаве с концентрацией кобальта 58-75% отношение содержания бора к содержанию кремния должно быть в пределах 1,5-2,25.
s
Путем изменения содержания компонентов сплава в указанных пределах при соблюдении предлагаемых соотношений между ними достигается необходимый комплекс свойств. Так, при увеличении концентрации Fe в первой группе от 1,3 до 2,0% (при соответствующем уменьшении концентрации Mn в пределах одной и той же суммы) растет индукция B и уменьшается проницаемость µ', и, наоборот, при увеличении концентрации Mn и соответствующем уменьшении Fe падает индукция и растет проницаемость.
s
s
Влияние элементов группы (Cr+Si+В) на указанные свойства сплавов однотипно, поэтому основную роль играет их суммарное содержание в группе. При увеличении суммы этих элементов (при соответствующем уменьшении суммы Со+Fe+Mn+Ni) уменьшается B и увеличивается µ'. При уменьшении этой суммы элементов растет индукция и уменьшается проницаемость. При увеличении суммы (Cr+Si+В) более 28% величина B уменьшается ниже требуемых значений (0,52 Тл), а при уменьшении этой суммы менее 13% значение проницаемости µ' становится ниже требуемой минимальной величины (1100). Кроме того, при этом уменьшается способность сплава к аморфизации.
s
s
s
Предлагаемое отношение суммы элементов (Fe+Mn) к сумме (Со+Fe+Mn+Ni) обеспечивает получение в сплаве околонулевого значения магнитострикции насыщения λ. При увеличении этого отношения выше 0,050 значение λ увеличивается и имеет положительный знак, а при уменьшении менее 0,030 величина λ также увеличивается и переходит в область отрицательных значений.
Легирование никелем проводится в вариантах сплава с пониженной и средней индукцией (с содержанием кобальта менее 70%) с целью уменьшения магнитострикции, коэрцитивной силы и электромагнитных потерь.
Что касается отношения B/Si для сплава с содержанием Со>70%, то его увеличение более 2,5 уменьшает склонность сплава к аморфизации и ухудшает технологические свойства, а уменьшение менее 1,5 не приводит к заметному дополнительному росту индукции.
s
s
c
кр.
Таким образом, изменяя содержание химических элементов в заданных пределах и группах, а также выдерживая предлагаемые соотношения между ними, можно регулировать магнитные свойства сплава в широком диапазоне и получать необходимый уровень параметров в электромагнитных изделиях различного назначения. При этом можно регулировать не только отмеченные магнитные свойства (B, µ', λ), но и другие важные характеристики, в частности, коэрцитивную силу Не, температуры Кюри Т и кристаллизации Т.
s
c
c
кр.
s
Из предлагаемого сплава методом спиннингования с использованием бронзового закалочного диска были изготовлены аморфные ленты толщиной 20 мкм и шириной 4,5 мм. Из этих лент изготовлены контрольные образцы, на которых после термообработки в магнитном поле измеряли индукцию B, относительную магнитную проницаемость µ' при частоте 10 кГц, коэрцитивную силу Н, температуры Кюри Т и кристаллизации Т, магнитострикцию насыщения λ.
o
po
ko
Предлагаемый состав сплава может найти широкое применение в производстве различных электромагнитных компонентов и устройств, в частности, высокочастотных импульсных трансформаторов типов S, U и U в системах телекоммуникаций с цифровыми линиями связи ISDN, трансформаторах тока электронных счетчиков электроэнергии, противокражных датчиках.
Таблица 1
Примеры химических композиций сплава по изобретению.
№ п/п
Химический состав сплава (ат.%)
Co
Fe+Mn
Cr+Si+В
Fe+Mn/Co+Ni+Fe+Mn
B/Si
1.2.3.4.5.6.7.8.
Co<sub>58,8</sub> Ni<sub>8,5</sub> Fe<sub>4,2</sub> Mn<sub>0,8</sub> Cr<sub>1,4</sub> Si<sub>12,8</sub> B<sub>13,5</sub>Co<sub>59,4</sub> Ni<sub>8,5</sub> Fe<sub>4</sub> Mn<sub>1,1</sub> Cr<sub>1,4 </sub>Si<sub>12,6</sub> B<sub>13</sub>Co<sub>65,3</sub> Ni<sub>2,8</sub> Fe<sub>3,2</sub> Mn<sub>2</sub> Cr<sub>1,5</sub> Si<sub>12,1</sub> B<sub>13,1</sub>Co<sub>70,7</sub> Fe<sub>2,9</sub> Mn<sub>2,2</sub> Cr<sub>0,8</sub> Si<sub>7,2</sub> B<sub>16,2</sub>Co<sub>71,7</sub> Fe<sub>2,9</sub> Mn<sub>2,2</sub> Cr<sub>0,8</sub> Si<sub>8,4</sub> B<sub>14</sub>Co<sub>71,7</sub> Fe<sub>2,9</sub> Mn<sub>2,2</sub> Cr<sub>0,8</sub> Si<sub>6</sub> B<sub>16,4</sub>Co<sub>74</sub> Fe<sub>3,3</sub> Mn<sub>2</sub>Cr<sub>0,7</sub> Si<sub>7,5</sub> В<sub>12,5</sub>Co<sub>74</sub> Fe<sub>3,3</sub> Mn<sub>2</sub> Cr<sub>0,7</sub> Si<sub>5</sub> B<sub>15</sub>
58,859,465,370,771,771,77474
4,54,14,14,03,94,04,04,0
26,727,026,726,225,223,220,720,7
0,0390,040,0410,0450,0360,0420,0370,041
---2,251,672,231,672,15
Таблица 2
Магнитные свойства композиций из табл.1.
№ п/п
В<sub>s</sub>, Тл
µ'
Н<sub>с</sub>, А/м
T<sub>c</sub>, °C
T<sub>кр.</sub>, °С
1.2.3.4.5.6.7.8.
0,540,600,670,850,900,920,961,00
110000670004800030001900200013301350
0,160,240,240,962,002,003,203,20
190230265380430430>Т<sub>кр.</sub>>Т<sub>кр.</sub>
530520510485470470440440
Таблица 3
Влияние соотношения Fe+Mn / Со+Ni+Fe+Mn на магнитострикцию λ<sub>s</sub>
№ п/п
Химический состав сплава, ат.%
Fe+Mn/Co+Ni+Fe+Mn
λ<sub>s</sub>
1.2.3.4.5.6.
Co<sub>72 </sub>Fe<sub>2,8</sub> Mn<sub>1,6</sub> Cr<sub>0,8</sub>Si<sub>13,5</sub>B<sub>9,3</sub>Co<sub>74,5</sub> Fe<sub>2</sub> Mn<sub>3</sub> Cr<sub>0,5</sub> Si<sub>5</sub> B<sub>15</sub>Co<sub>74</sub> Fe<sub>3,3</sub> Mn<sub>2</sub> Cr<sub>0,7</sub> Si<sub>5</sub> В<sub>15</sub>Co<sub>59,4</sub> Ni<sub>8,5</sub> Fe<sub>4</sub> Mn<sub>1,1</sub> Cr<sub>1,4</sub> Si<sub>12,6</sub> B<sub>13</sub>Co<sub>65,3</sub> Ni<sub>2,8</sub> Fe<sub>3,2</sub> Mn<sub>2</sub> Cr<sub>1,5</sub> Si<sub>12,1</sub> B<sub>13,1</sub>Co<sub>74,2</sub> Fe<sub>3,4</sub> Mn<sub>2,4</sub> Si<sub>5</sub> B<sub>15</sub>
0,0580,0630,0670,0700,0710,073
-2·10<sup>-6</sup>-0,1·10<sup>-6</sup>+0,02·10<sup>-6</sup>-0,1·10<sup>-6</sup>+0,2·10<sup>-6</sup>+1,5·10<sup>-6</sup>