способ комплексной обработки высокопрочных аморфно-нанокристаллических сплавов

Формула изобретения

Способ комплексной обработки высокопрочных аморфно-нанокристаллических сплавов, включающий выплавку сплава, закалку из жидкого состояния, интенсивную пластическую деформацию кручением под квазигидростатическим давлением при криогенных температурах, отличающийся тем, что выплавляют сплав, содержащий компоненты при 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 условий: сумма бора и кремния равна 4,5-7,0, сумма бора и никеля равна 7,5-13,0, а после интенсивной пластической деформации проводят ультразвуковую обработку сплава в диапазоне рабочих частот 18,0-22,0 кГц.

Описание изобретения к патенту

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.

Закалка из жидкого состояния проводится для изготовления ленты из аморфно-нанокристаллических сплавов. Лента аморфно-нанокристаллического сплава на основе железа. (Fe_49,0Co_20,0Cr _15,0Ni_10,0Si_3,5B_2,5; B+Si=6,0%; B+Ni=12,5%) была получена методом спиннингования, то есть резкой закалкой расплава со скоростью около 10⁶ град/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

Лента аморфно-нанокристаллического сплава (Fe_49,0Co _20,0Cr_15,0Ni_10,0Si_3,5B _2,5)

( B+Si=6,0%; B+Ni=12,5%) была получена методом спиннингования, то есть резкой закалкой расплава со скоростью около 10⁶ 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.

Полученные результаты (таблица) свидетельствуют о том, что обработка аморфно-нанокристаллического сплава Fe_49,0Co_20,0Cr_15,0Ni _10,0Si_3,5B_2,5 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 Fe49,0Co20,0 Cr15,0Ni10,0Si3,5B2,5 , 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