Статьи

Статьи » Прецизионные магнитомягкие сплавы

Железо-кобальтовый сплав Fe-27Co с высокой намагниченностью и микролегирующими добавками

Наиболее часто применяемые сплавы: 79НМ, 80НХС, 49К2ФА, 49КФ, 16Х в производстве магнитопроводов. Рассмотрены вопросы связанные с применяемостью этих сплавов, их химическим составом, классификация, а так же высокотемпературный отжиг и измерение основных магнитных параметров.

В статье сообщается о разработке нового варианта железо – кобальтового Fe – 27Co сплава обладающего высокой индукцией технического насыщения. Обнаружено, что легирование ниобием (Nb) или танталом (Ta) придает горячекатаному материалу пластичность посредством измельчения зерна. При этом магнитные и пластические свойства нового сплава с торговым названием VACOFLUX®27 сравнимы со стандартным Fe – 27Co сплавом, легированным хромом (Cr). В сплаве VACOFLUX®27 наблюдается уменьшение удельного электрического сопротивления, и высокая намагниченность насыщения.

Fe – 27Co сплав VACOFLUX®27 является зарубежным аналогом отечественного сплава 27КХ ГОСТ 10160-75. Исходя из анализа публикаций по данной тематике становится ясно, что к сожалению аналогичные работы в отечественной металлургии не проводились. А если учесть тот факт, что сплав 27КХ на сегодняшний день находит широкое применение при производстве различных приборов как специального, так и гражданского назначения, то данный материал является актуальным.


Содержание

  1. Железо – кобальтовые сплавы с наивысшей намагниченностью насыщения.
  2. Эксперимент.
  3. Магнитные и механические свойства железо – кобальтовых сплавов легированных хромом, ниобием и танталом.
  4. Заключение.
  5. Список источников.

Железо – кобальтовые сплавы с наивысшей намагниченностью насыщения (аналоги отечественных сплавов 27КХ, 49КФ, 49К2ФА)

Магнитотягкие кристаллические железо – кобальтовые сплавы известны своей наивысшей намагниченностью насыщения. Несмотря на то, что максимум намагниченности насыщения достигается при содержании кобальта около 35 мас.%, наиболее распространенным представителем является сплав Fe – 50Co (аналог отечественного 49КФ). Сплавы Fe – 35Co и Fe – 50Co после окончательного отжига на магнитные свойства являются хрупкими вследствие упорядоченного состояния, которое появляется с содержанием кобальта примерно от 30 мас.%. Поэтому для обеспечения холодной пластической деформации материала вводят такие добавки как ванадий (V), и применяют дополнительные стадии производства.1 Установлено, что ниобий (Nb) и тантал (Ta) в сплаве Fe – 50Co являются более эффективными для подавления упорядоченного состояния, чем ванадий (V). Так замена 2,0 мас.% ванадия (V) на 0,35 мас.% тантала (Ta) приводит к повышению статических магнитных свойств в холоднокатаной ленте.2

Для получения превосходных магнитных свойств, материал окончательной формы необходимо подвергнуть термообработке выше температуры перехода порядок / беспорядок, при этом после отжига материал снова становится хрупким. Получение лучших механические свойства в материале, а именно повышение прочности и пластичности достигается дополнительным легированием, что приводит к уменьшению намагниченности насыщения и магнитных свойств.

При содержании кобальта 27 мас.% в железо – кобальтовом сплаве отсутствует упорядоченное состояние, а намагниченность сплава все еще достаточно высокая. В имеющихся в продаже сплавах Fe – 27Co (аналог отечественного сплава 27КХ) пластичность и удельное электрическое сопротивление увеличиваются главным образом за счет легирования хромом (Cr), а также марганцем (Mn), кремнием (Si) и никелем (Ni) в общем количестве приблизительно 0,5 – 2,0 мас.%. Однако эти легирующие элементы сильно снижают намагниченность насыщения до уровня сплава Fe-49Co-2V, который отличается более высокой магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой.

Эксперимент

Расплавы на основе Fe – 27Co сплава с различными легирующими элементами массой 5 кг получали вакуумной индукционной плавкой (VIM) в лабораторной печи. Отливки осаждали и подвергали горячей прокатке в несколько стадий до диаметра 12 мм. Образец для измерения магнитных свойств и образец для испытания на растяжение получали горячей прокаткой прутка до ленты. Образцы для измерения магнитных свойств подвергали термообработке в течение 10 часов при 850 °С в атмосфере чистого сухого водорода. Магнитные свойства измеряли в соответствии со стандартом IEC3, а испытание на растяжение проводили в соответствии с 4. Содержание углерода определяли газообъемным методом, а содержание других элементов анализировали с помощью рентгеновской спектроскопии.

Магнитные и механические свойства железо – кобальтовых сплавов легированных хромом, ниобием и танталом

На рисунке 1 показана основная кривая намагничивания и зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля для сплавов Fe – 27Co легированных различными элементами с намагниченностью насыщения выше 2,0 Тл. Сплав Fe-26,8Co-0,59Cr-0,60Ni-0,23Mn-0,29Si-0,009C представляет собой типичный сплав легированный хромом, который можно найти на рынке. По сравнению с двухкомпонентным сплавом намагниченность трехкомпонентного сплава при той же напряженности магнитного поля меньше и уменьшается с увеличением общего количества легирующих элементов. При напряженности поля ниже 200 А/см намагниченность сплава Fe-49Co-2V (аналог отечественного сплава 49К2ФА) выше из-за магнитокристаллической анизотропии, которая исчезает при содержании кобальта (Co) примерно от 49 мас.%.

Зависимость намагниченности Fe – 27Co сплавов от приложенного статического магнитного поля

Рисунок 1. Основная кривая намагничивания типичного сплава Fe-49Co-2V (отечественный аналог 49К2ФА) и зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля для сплавов Fe-27Co (отечественный аналог 27КХ) с различными легирующими элементами.

Зависимость намагниченности при напряженности магнитного поля 400 А/см и удлинения до разрыва от содержания ниобия в двухкомпонентном сплаве показаны на рисунке 2. В полученных сплавах Fe-27Co-Nb углерод присутствует как неизбежная примесь, содержание которого равно или ниже 0,0051 мас.%. Хотя удлинение демонстрирует сильную зависимость и достигает максимума вблизи 0,15 мас.% содержания ниобия, намагниченность насыщения с содержанием ниобия до 0,30 мас.% сильно не изменяется.

 Влияние содержания ниобия на намагниченность и удлинение двухкомпонентного сплава Fe-27Co

Рисунок 2. Влияние содержания ниобия на намагниченность и удлинение двухкомпонентного сплава Fe-27Co.

Влияние ниобия также представлено в таблице I и на рисунке 3. Небольшого количества ниобия 0,15 мас.% достаточно, чтобы изменить механизм разрушения сплава Fe-27Co с хрупкого на пластичное в виде чашки и конуса. Более высокая пластичность обусловлена появлением шарообразной фазы на границах зерен, показанные на поверхности разрушения – рисунок 3 (б). Фазы проанализированы с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и определены как богатые ниобием. Они обладают более высокой твердостью, чем окружающая матрица, которая при механическом воздействии пластически деформируется вокруг них. Предполагается, что фазы остаются стабильными при высоких температурах и сохраняют небольшой размер зерна и пластичность материала, препятствуя движению границы зерна в процессе горячего деформирования. Точный состав богатых ниобием фаз окончательно не уточнен. Согласно исследованиям в работе 5 в сплаве Fe-49Co-1.9V-0.3Nb могут образовываться две обогащенные ниобием фазы. Первая из них представляет собой интерметаллическую фазу Лавеса, а вторая – карбиды ниобия.

Таблица 1. Характер разрушение в состоянии горячей прокатки и намагниченность после отжига в течение 10 часов при 850 °C.

 Характер разрушение в состоянии горячей прокатки и намагниченность после отжига

 Влияние содержания ниобия на намагниченность и удлинение двухкомпонентного сплава Fe-27Co

Рисунок 3. Снимки поверхности разрушения образца после испытания на растяжение при одинаковом увеличении, полученные на сканирующем электронном микроскопе (а) Fe-27Co: хрупкое разрушение происходит по границам зерен. (б) Fe-27Co-0,15Nb: пластичное разрушение виде чашки и конуса происходит вокруг фаз, богатых ниобием.

На рисунке 4 показано, что избыток углерода в сплаве Fe-27Co-0.15Nb приводит к резкому снижению пластичности. Хотя намагниченность уменьшается незначительно с содержанием углерода до 0,12 мас.%, удлинение уменьшается от значения чуть выше 25% до значения менее 5% в диапазоне содержания углерода от 0,005 до 0,046 мас.%. В то же время форма поверхности разрыва меняется от чаше-конусного к расщеплению. Это указывает на то, что при большом содержании углерода в сплаве образуется карбид ниобия способствующий охрупчиванию.

 Влияние содержания ниобия на намагниченность и удлинение двухкомпонентного сплава Fe-27Co

Рисунок 4. Влияние содержания углерода на намагниченность и удлинение трехкомпонентного сплава Fe-27Co-0.15Nb.

Заключение

Сплав Fe-27Co с торговым названием VACOFLUX®27 включает микролегирующие добавки и обладает более высокой намагниченностью насыщения и лучшей пластичностью, чем стандартный сплав с содержанием хрома. Ниобий и тантал могут быть легированы в меньших количествах, чем хром, так что намагниченность насыщения сохраняется как у двухкомпонентного сплава. Чтобы предотвратить выпадение карбидов в нежелательных размерах и количестве углерод должен строго контролироваться. Удельное электрическое сопротивление уменьшается по сравнению со сплавами с содержанием хрома. Таким образом, VACOFLUX®27 предлагает самую высокую намагниченность насыщения среди доступных коммерческих магнитомягких сплавов и особенно подходит для применений с высоких статических магнитных полях.

Список источников

  1. J. H. White and C. V. Wahl, US Patent 1.862.559, “Workable magnetic compositions containing principally iron and cobalt,” Bell Telephone Laboratories, 1932.
  2. R. V. Major and V. Samadian, “Physical metallurgy and properties of a new high saturation Co-Fe alloy,” J. Materials Engineering 11(1), 27–30 (1989).
  3. International Standard, IEC 60404–4, Edition 2.1, Magnetic materials - Part 4: Methods of measurement of d.c. magnetic properties of magnetically soft materials, 2000.
  4. International Standard, DIN EN ISO 6892-1:2009–12, Metallic materials - Tensile testing - Part 1: Method of test at room temperature (ISO 6892-1:2009); German version EN ISO 6892-1:2009.
  5. M. S. Masteller et al., “High temperature aging behavior of high strength 49%Co-1.9%V-0.3%Nb-Fe soft magnetic alloy,” IEEE Transactions on Magnetics 32(5), 1839–1841 (1996).
Перевод публикации A high-saturation Fe-27Co material with microalloying additions AIP Advances 8, 047701 (2018);
© Magnetlab.ru - Лаборатория магнитных материалов и измерений 2019 г. При использовании материалов, ссылка на сайт обязательна
Назад
Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Вы не можете отправить комментарий анонимно, пожалуйста войдите или зарегистрируйтесь.