PL236193B1

PL236193B1 - Masywny nanokrystaliczny stop żelaza

Info

Publication number: PL236193B1
Application number: PL432728A
Authority: PL
Inventors: Marcin Nabiałek; Katarzyna Błoch; Bartłomiej Jeż
Original assignee: Politechnika Czestochowska
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2020-12-14
Also published as: EP3859034A1; PL432728A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest nanokrystaliczny masywny stop żelaza, który charakteryzuje się tym, że ma skład atomowy Fe65CO11-xB20SixZr2Hf2, przy czym wartość x jest równa 0,25 albo 0,5 albo 0,75 albo 1, a dopuszczalna ilość zanieczyszczeń nie przekracza 0,090%.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest masywny nanokrystaliczny stop żelaza klasyfikowany jako magnetycznie miękki, mogący mieć zastosowanie w elektronice, elektrotechnice i energetyce a w szczególności jako: transformatory dużej mocy dla impulsowych układów zasilania, wysokiej dokładności przekładniki prądowe dla liczników energii czy transformatory impulsowe dla komunikacji.

We współczesnej technice materiały magnetyczne miękkie znalazły szerokie zastosowanie a ich gama została rozszerzona dzięki opracowaniu m. in. stopów nanokrystalicznych. W przetwarzaniu energii elektrycznej bardzo istotną rolę spełniają elementy indukcyjne, których zasadniczą częścią są rdzenie z materiałów miękkich magnetycznie. Obok materiałów konwencjonalnych stosowane są materiały nowoczesne: stopy amorficzne i stopy nanokrystaliczne. Struktura stopów nanokrystalicznych jest dwufazowa: równoosiowe kryształy o przeciętnym rozmiarze nie przekraczającym 20 nm są równomiernie rozmieszczone w amorficznej osnowie. Zawartość fazy krystalicznej wynosi ok. 60-70% obj. Miękkie magnetycznie zachowanie się tych materiałów jest związane z ultradrobnoziarnistą strukturą i przypadkową orientacją krystalograficzną ziaren w przestrzeni. Istnieje graniczna wielkość ziarna, powyżej której pole koercji radykalnie rośnie i wynosi ona ok. 40-60 nm, zależnie od składu stopu. Jest to wyraźna granica, poniżej której możemy mówić o materiale nanokrystalicznym, określona radykalną zmianą właściwości materiału, a nie - jak to często się przyjmuje - arbitralna wartość, np. 100 nm, nie związaną z jakościową zmianą struktury lub właściwości. Technologia miękkich magnetycznie stopów żelaza i kobaltu jest dwustopniowa: pierwszym etapem jest odlanie amorficznego stopu w postaci taśmy, a w drugim etapie następuje częściowa krystalizacja stopu na skutek odpowiedniej obróbki cieplnej. Obecnie znane są trzy podstawowe typy stopów nanokrystalicznych: FINEMET (Fe-Nb-Cu-Si-B), NANOPERM (Fe-Zr-Cu-B) i HITPERM (Fe-Co-Zr-Cu-B). Dwie pierwsze grupy stopów można stosować w temperaturze nie przekraczającej 230°C, zaś stopy trzeciej grupy zachowują dobre właściwości magnetyczne w temperaturze do 550°C. Duża szybkość chłodzenia ze stanu ciekłego - konieczna do uzyskania struktury amorficznej - wymusza formę stopów: w zdecydowanej większości są to taśmy o grubości nie przekraczającej 40 gm. O właściwościach użytkowych stopów nanokrystalicznych decyduje ich skład chemiczny i struktura, zależna i od składu chemicznego i od obróbki cieplnej.

Znane są z praktyki przemysłowej różne związki i stopy cechujące się właściwościami takimi jak magnetyzacja nasycenia, temperatura Curie i wartość pola korelacji. Przykładowo w wyniku opracowania stabilnego i niezawodnego procesu produkcji nanokrystalicznych materiałów ze znikomym efektem magnetostrykcji otrzymano jeden z najdoskonalszych nanokrystalicznych materiałów kompozytowych Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7 będących przedstawicielem klasy miękkich materiałów magnetycznych znanego pod nazwą handlową Vitroperm. Materiał ten ma dwufazową strukturę składającą się ultramałych ziaren żelazokrzemowych o średnicy 10-20 nm, osadzanych w końcowej etapie produkcji fazy amorficznej. Dzięki temu anizotropia magnetokrystaliczna (tak określana jest w literaturze uzyskiwana struktura materiału) uśredniając się zanika, podobnie jak nasycenie magnetostrykcji. W konsekwencji materiały te mogą osiągnąć najwyższą przepuszczalność przy najniższej koercji. Materiał ten wytwarzany jest w dużych ilościach przez firmę Vacumschmelze.

Z polskiego opisu patentowego nr 154378 znany jest amorficzny stop metali, magnetycznie miękki, przeznaczony w szczególności na rdzenie magnetyczne pracujące w zmiennych polach magnetycznych o podwyższonej częstotliwości i polach impulsowych będący na osnowie Fe i zawierający wagowo 18-21% Co, 4-8% B i Si łącznie oraz 0,05-1,0% Ta, a resztę składu stanowi Fe.

Innym znanym z polskiego opisu patentowego nr 131127 jest metalowy stop żelaza, boru i krzemu zawierający wagowo: (77:80%) żelaza, (12%: 16%) krzemu, (5:10%) boru oraz ślady zanieczyszczeń wytwarzany w postaci bardzo cienkich taśm.

Celem wynalazku jest otrzymanie masywnego nanokrystalicznego szybkochłodzonego stopu żelaza, którego właściwości będą charakteryzowały się niską wartością pola koercji, wysoką indukcją nasycenia i dobrą stabilnością temperaturową. Sam stop jest możliwy do otrzymania w jednoetapowym procesie.

Istotą wynalazku jest nanokrystaliczny stop żelaza charakteryzujący się tym, że ma skład Fe65Con-xB20SixZr2Hf2, gdzie x wynosi 0,25 albo 0,5 albo 0,75 albo 1, resztę stanowią nieuniknione zanieczyszczenia. Nieuniknione zanieczyszczenia wynoszą maksymalnie 0,09%.

Masywny szybkochłodzony stop nanokrystaliczny według wynalazku, którego głównym składnikiem jest żelazo charakteryzuje się tym, że Si (Si: 0.25 albo 0,5 albo 0,75 albo 1%) wprowadzono jako

PL236 193 Β1 stabilizator struktury. Zwiększenie zawartości Si wpływa na blokowanie wzrostów fazy Fe oraz borków poprzez ograniczenie dyfuzji atomów na dalsze odległości.

Masywny stop nanokrystaliczny wytworzony został w jednym etapie produkcji, co oznacza, że nie poddano go dodatkowej obróbce umożliwiającej jego nanokrystalizację w procesie odlewania został schłodzony z prędkością około 10² K/s, co przy takiej prędkości powoduje znaczne odprężenie struktury i nadanie stopowi oczekiwanych właściwości. Materiał ze stopu Fe65Con-xB2oSixZr2Hf2 według wynalazku zawiera odpowiednio (atomowo): Fe - 65%; B - 20%; Zr - 2%; Si - od 0,25% - do 1%; Co - od 10% do 10,75%, Hf-2% przy spełnieniu zależności Con-xSix (gdziex= 0,25 albo 0,5 albo 0,75 albo 1) przy dopuszczalnym zanieczyszczeniu nie więcej niż 0,09%.

Zaletą proponowanego stopu według wynalazku jest także to, że w stosunku do wytwarzanych materiałów amorficznych postaci cienkich taśm ze stopu można wytworzyć je w jednym etapie produkcji o grubości 0.5 mm przy zachowaniu niskiej wartości pola koercji, wysoką indukcją nasycenia i dobrą stabilnością temperaturową.

Przykład I

Nanokrystaliczny masywny szybkochłodzony stop zawiera atomowo Fe -65%; B-20%; Zr - 2%; Si - 0,25%; Co - 10,75%, Hf - 2% oraz nieuniknione zanieczyszczenia. W przykładzie wykonania wynoszą 0,05%.

Z przygotowanych wcześniej znanymi metodami polikrystalicznych wlewków wykonuje się porcje wsadowe do finalnego wytopu. Próbki nanokrystaliczne o kształtach płytek (0,5 mm grubość) wytwarza się za pomocą układu, w którym wykorzystywana jest metoda wtłaczania ciekłego stopu do miedzianej chłodzonej wodą formy. Cały proces odlewania odbywa się w komorze próżniowej. Ciekły stop został wtryśnięty w miedzianą formę z kwarcowego tygla. W formie wydrążony był kształt odzwierciedlający późniejszy wyrób.

Właściwości fizyczne próbek w postaci płytek z tego stopu dla stopów z przykładów wykonania są następujące: przy czym stop Fe65ConB2oZr2Hf2 stanowi stop wzornik:

	Stop	H_c [A/m]	M_S[T]	Dspf [meV/nm²]	Tc[K]
Wzornik	FcfoCoiiBjijZrjHf)	310	1.43	46	690
Przykład I	FeósCoio.jsBzoSio.jsZrjHfj	143	1.40	45	672
Przykład II	FcfnCoui iR 'nSi;i -iZrjHfz	56	1,40	43	668
Przykład III	FećsCoio.jsBzDSiojsZrzHfz	62	1.38	43	663
Przykład IV	FeesCo । oBai Si i Zr .Fłf .i	61	1.37	43	655

Sł=0,25[%]

Si=0,5[%]

40 50 6 0 70 80 90 100

3Λ

40 50 60 70 80 90 W0

Si content [%] theta [deg]

Przykład II

Nanokrystaliczny masywny szybkochłodzony stop zawiera atomowo Fe -65%; B-20%; Zr - 2%;

Si - 0,5%; Co - 10,5%, Hf-2% przy zanieczyszczeniu 0,01%.

PL 236 193 B1

P r z y k ł a d III

Nanokrystaliczny masywny szybkochłodzony stop zawiera atomowo Fe - 65%; B - 20%; Zr - 2%; Si - 0,75%; Co - 10,25%, Hf - 2% przy zanieczyszczeniu 0,09%.

P r z y k ł a d IV

Nanokrystaliczny masywny szybkochłodzony stop zawiera atomowo Fe - 65%; B - 20%; Zr - 2%; Si - 1%; Co - 10%, Hf - 2% przy zanieczyszczeniu 0,07%.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

1. Nanokrystaliczny masywny stop żelaza, znamienny tym, że ma skład atomowy Fe65Con- xB20SixZr2Hf2, przy czym wartość x jest równa 0,25 albo 0,5 albo 0,75 albo 1, a dopuszczalna ilość zanieczyszczeń nie przekracza 0,09%.