ES2233753T3 - Alambres magneticos nanocristalinos recubiertos de vidrio y procedimiento para su produccion. - Google Patents

Alambres magneticos nanocristalinos recubiertos de vidrio y procedimiento para su produccion.

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Abstract

Alambres magnéticos nanocristalinos recubiertos de vidrio, caracterizados porque están formados de un núcleo metálico de diámetro comprendido entre 3 y 25 m y un recubrimiento de vidrio de espesor comprendido entre 1 y 15 m, presentando los alambres magnéticos nanocristalinos composiciones basadas en Fe, que contienen Si en un % atómico de 20 o inferior, B en un % atómico de 7 a 35, y uno o varios metales seleccionados del grupo formado por Co, Ta, Nb, V, Cu, W, Zr y Hf, en un % atómico de 25 o inferior, presentando estos alambres una inducción de saturación comprendida entre 0, 7 y 1, 25 T, una magnetostricción casi nula, un campo

Description

Alambres magnéticos nanocristalinos recubiertos de vidrio y procedimiento para su producción.
Campo técnico
La presente invención se refiere a alambres magnéticos nanocristalinos recubiertos de vidrio con aplicaciones en la electrotécnica y electrónica y a un procedimiento para su producción.
Antecedentes
Se conocen materiales amorfos en forma de banda y alambre, que se obtienen por enfriamiento rápido de la masa fundida, y materiales magnéticos nanocristalinos que se obtienen por tratamiento térmico de los materiales amorfos que presentan las composiciones apropiadas (patentes US nº 4.501.316 y nº 4.523.626). Así, los alambres magnéticos amorfos, que presentan diámetros comprendidos entre 60 \mum y 180 \mum, se obtienen entonces mediante el procedimiento de "in-rotating-water spinning" o trefilado en agua rotativa y los alambres magnéticos nanocristalinos, sometiendo los alambres amorfos mencionados anteriormente, que presentan composiciones apropiadas, a tratamientos térmicos controlados. La desventaja de la que adolecen estos alambres es que no pueden obtenerse directamente a partir la masa fundida en estado amorfo si han de presentar diámetros inferiores a 60 \mum. Para obtener alambres magnéticos amorfos que presentan diámetros de por lo menos 30 \mum, se someten los alambres magnéticos amorfos mencionados anteriormente a estirados sucesivos en frío seguidos por un tratamiento de atenuación de tensiones internas. Las desventajas de las que adolecen estos alambres son que por medio de etapas repetitivas de estirado y recocido se obtienen alambres magnéticos amorfos que presentan diámetros no inferiores a 30 \mum y que los tratamientos mecánicos influyen negativamente sobre sus propiedades magnéticas y mecánicas.
Se conocen también alambres metálicos en estado cristalino recubiertos de vidrio así como algunas aleaciones amorfas recubiertas de vidrio que se han obtenido mediante el procedimiento de trefilado de masa fundida recubierta de vidrio (T. Goto, T. Toyama, "The preparation of ductile high strength Fe-base filaments using the methods of glass-coated melt spinning", Journal of Materials Science 20 (1985), páginas 1883-1888). La desventaja de la que adolecen estos alambres es que no presentan ni propiedades magnéticas ni un comportamiento magnético apropiados para las aplicaciones de electrónica y electrotécnica destinadas a obtener accionadores y sensores magnéticos, presentando estos alambres únicamente propiedades que los hacen útiles como catalizadores metálicos, materiales compuestos y conductores eléctricos.
Se conocen también alambres magnéticos amorfos recubiertos de vidrio que presentan la composición de las aleaciones metálicas para núcleos, Fe_{65}B_{15}Si_{15}C_{5}, Fe_{60}B_{15}Si_{15}Cr_{10} y Fe_{40}Ni_{40}P_{14}B_{6} (Horia Chiriac et al., "Magnetic behavior of the amorphous wires covered by glass", Journal of Applied Physics, vol 75, nº 10, 15.05.1994, páginas. 6949-6951), presentando el núcleo metálico diámetros comprendidos entre 5 y 30 \mum, estando los campos coercitivos comprendidos entre 239 y 465 A/m y la magnetización entre 0,16 y 0,32 T. Se menciona también un procedimiento para obtenerlos que se basa en el procedimiento de Taylor, indicándose como etapas del mismo: el sellado del tubo de vidrio, el calentamiento del obturador y el estirado de una fibra por el extremo calentado. Los productos que se dan a conocer en este documento presentan propiedades magnéticas muy limitadas.
Se conocen también alambres de composiciones de (Fe_{80}Co_{20})_{75}B_{15}Si_{10} y Fe_{65}B_{15}Si_{15}C_{5} recubiertos de vidrio amorfo (A.P. Zhukov et al., "The magnetization process in thin and ultra-thin Fe-rich amorphous wires"), cuyos núcleos metálicos presentan respectivamente diámetros de 10 y 15 \mum, siendo el espesor del recubrimiento de vidrio de 2,5 \mum y el campo coercitivo de 65 y 140 A/m, respectivamente.
Exposición de la invención
El problema técnico que se resuelve con la presente invención consiste en la obtención de alambres magnéticos nanocristalinos que están recubiertos de vidrio, presentando éstos características de dimensión y composición controladas y propiedades magnéticas apropiadas para distintas categorías de aplicación, utilizándose para ello un procedimiento de tratamiento térmico con parámetros muy concretos.
En el caso de aplicaciones como minitransformadores y bobinas inductivas, que implican una saturación de la imanación y de la permeabilidad magnética de valores elevados, resultan apropiados los alambres recubiertos de vidrio magnético nanocristalino según la presente invención que presentan núcleos metálicos de diámetro comprendido entre 5 y 25 \mum y recubrimientos de vidrio de espesor comprendido entre 1 y 15 \mum, presentando dichos alambres composiciones que se basan en Fe y que contienen Si en un % atómico de 20 o inferior, B en un % atómico de 7 a 35, y uno o varios metales seleccionados del grupo formado por Cu, Nb, V, Ta, W, Zr y Hf, en un % atómico de 25 o inferior.
Los alambres recubiertos de vidrio magnético nanocristalino según la presente invención se obtienen a partir de alambres magnéticos amorfos recubiertos de vidrio utilizando un tratamiento térmico especial. El procedimiento para fabricar alambres magnéticos amorfos recubiertos de vidrio según la presente invención permite obtener alambres con las características dimensionales y de composición mencionadas anteriormente por medio del enfriamiento rápido de la masa fundida, consistiendo el procedimiento en fundir la aleación metálica, que se introduce en un tubo de vidrio, hasta que se ablande el vidrio, en estirar el tubo de vidrio junto con la aleación fundida a fin de formar un filamento metálico recubierto de vidrio que se arrolla sobre un tambor arrollador asegurando una velocidad de enfriamiento suficientemente elevada para obtener un alambre metálico en estado amorfo, cumpliéndose las condiciones siguientes:
-
la temperatura del metal fundido está comprendida entre 900ºC y 1.500ºC;
-
el diámetro del tubo de vidrio está comprendido entre 3 y 15 mm y el espesor del vidrio está comprendido entre 0,1 y 2 mm;
-
el tubo de vidrio, que contiene la aleación fundida, se desplaza hacia abajo con una velocidad de avance constante comprendida entre 5x10^{-6} y 170x10^{-6} m/s;
-
el nivel de vacío o de la atmósfera de gas inerte, existente en el tubo de vidrio por encima de la aleación fundida, está comprendido entre 50 y 200 N/m^{2};
-
la velocidad de estirado del alambre está comprendida entre 0,5 y 10 m/s;
-
la capacidad de fluir del líquido refrigerante, por el que pasa el alambre, está comprendida entre 10^{-5} y 2x10^{-5} m^{3}/s.
Para asegurar la continuidad del procedimiento y para obtener alambres continuos recubiertos de vidrio que sean de buena calidad y presenten las dimensiones requeridas, es necesario que los materiales utilizados y los parámetros del proceso cumplan las condiciones siguientes:
-
la aleación de elevada pureza se prepara en un horno de arco o en un horno de inducción utilizando componentes puros (pureza de por lo menos del 99%) en forma de masa cohesiva o de polvos agregados por presión que se calientan seguidamente en el vacío o en atmósfera inerte (según cual sea la reactividad de los componentes utilizados);
-
durante el procedimiento de trefilado de la masa fundida recubierta de vidrio se introduce en el tubo de vidrio un gas inerte a fin de impedir la oxidación de la aleación;
-
el vidrio utilizado tiene que ser compatible con el metal o la aleación a la temperatura a la que se realiza el estirado a fin de evitar procesos de difusión vidrio-metal;
-
el coeficiente de dilatación térmica del vidrio debe ser igual o algo menor que el del metal o de la aleación utilizados a fin de evitar la fragmentación de la aleación por tensiones internas durante el proceso de solidificación.
Las ventajas que ofrecen los alambres según la presente invención son las siguientes:
-
pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades y comportamiento magnéticos;
-
pueden utilizarse en dispositivos basados en la correlación de propiedades magnéticas del núcleo metálico con propiedades ópticas del recubrimiento de vidrio, facilitándose esta aplicación por el contacto intimo que existe entre el núcleo metálico y el recubrimiento de vidrio;
-
pueden utilizarse en dispositivos que involucran propiedades magnéticas apropiadas del núcleo metálico junto con la resistencia a la corrosión y el aislamiento eléctrico que ofrece el recubrimiento de vidrio.
La ventaja del procedimiento de fabricación según la presente invención reside en que permite obtener alambres magnéticos nanocristalinos recubiertos de vidrio económicos que presentan un núcleo metálico de diámetro muy pequeño.
Mejor modo de poner en práctica la invención
Para facilitar la plena comprensión de la presente invención, se presentan a continuación 5 ejemplos.
Ejemplo 1
Se fabricó un alambre recubierto de vidrio amorfo utilizando una aleación de Fe_{73.5}Cu_{1}Nb_{3}B_{9.5}Si_{13} que se preparó utilizando, en atmósfera de argón, componentes puros en forma de polvos agregados por presión y que se calentó en el vacío. El tubo de vidrio presenta un diámetro externo de 10 mm, siendo su longitud de 50 cm y el espesor de la pared de vidrio de 0,6 mm. En el tubo de vidrio se introducen y funden 10 g de la aleación mencionada anteriormente, siendo la temperatura de fusión de 1200\pm50ºC. Los parámetros del procedimiento se mantienen constantes, siendo sus valores de: 6,5x10^{-6} m/s para la velocidad de avance del tubo de vidrio, 0,8 m/s para la velocidad periférica del tambor de enrollar, y 18x10^{-6} m^{3}/s para la capacidad de fluir del líquido refrigerante. El alambre magnético amorfo recubierto de vidrio de composición Fe_{73.5}Cu_{1}Nb_{3}B_{9.5}Si_{13}, que se obtiene presentando una magnetostricción positiva, un núcleo metálico de 22 \mum de diámetro y un recubrimiento de vidrio de 4 \mum de espesor, presenta las siguientes características magnéticas:
-
salto de Barkhausen de gran magnitud (M_{I}/M_{S}=0,80);
-
inducción de saturación (B_{S}=1,11 T);
-
magnetostricción de saturación positiva (\lambda_{S}=+4x10^{-6});
-
campo de conmutación (H*=140 A/m).
Estos alambres se utilizan para sensores magnéticos que miden cantidades mecánicas o bien como precursores de los alambres nanocristalinos recubiertos de vidrio.
El alambre magnético amorfo de composición Fe_{73.5}Cu_{1}Nb_{3}B_{9.5}Si_{13}, preparado según el procedimiento descrito anteriormente, se somete a un tratamiento térmico especial. El carácter especial de este tratamiento térmico hace referencia a la correlación rigurosa que existe entre la temperatura y la duración del tratamiento térmico. El alambre magnético amorfo recubierto de vidrio, que presenta la composición mencionada anteriormente, se introduce en un horno eléctrico y se trata térmicamente, durante 1 hora, a 550ºC y en atmósfera de argón. Se obtiene de este modo un alambre magnético recubierto de vidrio con estructura nanocristalina, presentando el alambre las siguientes características magnéticas:
-
el salto de Barkhausen no es de gran magnitud (M_{I}/M_{S}=0,2);
-
inducción de saturación (B_{S}=1,25 T);
-
imanación de saturación casi nula (\lambda_{S}=-0,1x10^{-6}).
Estos alambres se utilizan en bobinas inductivas, minitransformadores y blindajes magnéticos.
Las mediciones magnéticas se realizaron utilizando un procedimiento fluxométrico y el estado amorfo se verificó mediante la difracción de rayos X.

Claims (2)

1. Alambres magnéticos nanocristalinos recubiertos de vidrio, caracterizados porque están formados de un núcleo metálico de diámetro comprendido entre 3 y 25 \mum y un recubrimiento de vidrio de espesor comprendido entre 1 y 15 \mum, presentando los alambres magnéticos nanocristalinos composiciones basadas en Fe, que contienen Si en un % atómico de 20 o inferior, B en un % atómico de 7 a 35, y uno o varios metales seleccionados del grupo formado por Co, Ta, Nb, V, Cu, W, Zr y Hf, en un % atómico de 25 o inferior, presentando estos alambres una inducción de saturación comprendida entre 0,7 y 1,25 T, una magnetostricción casi nula, un campo coercitivo comprendido entre 20 y 2.500 A/m y una permeabilidad magnética relativa comprendida entre 100 y 12000.
2. Procedimiento para producir alambres magnéticos nanocristalinos recubiertos de vidrio según la reivindicación 1, caracterizado porque los alambres magnéticos amorfos recubiertos de vidrio se tratan térmicamente en un horno eléctrico sometiéndolos, en el vacío o en atmósfera inerte, a temperaturas inferiores a la temperatura de cristalización de la aleación amorfa, que está comprendida entre 480ºC y 550ºC, durante un tiempo comprendido entre 10 y 10^{5} segundos.
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