Патент на изобретение №2303644

(54) ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЙ МАГНИТОТВЕРДЫЙ СПЛАВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к дисперсионно-твердеющим сплавам на основе Fe-Cr-Co, легированным W. Магнитотвердый сплав содержит в мас.%: хром 21-23, кобальт 14-16, вольфрам 8-11, галлий 0,5-3, железо остальное. Сплав имеет оптимальные магнитные и механические свойства, позволяющие использовать его для изготовления роторов высокоскоростных гистерезисных двигателей большой мощности и производительности. Повышен порог хрупкого разрушения при сохранении необходимых значений Н_C и _0.2 за счет увеличения величины предельного относительного удлинения . 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к деформируемым дисперсионно-твердеющим сплавам для постоянных магнитов на основе системы FeCrCo и может быть использовано для изготовления роторов высокоскоростных гистерезисных двигателей большей мощности и производительности, применяемых в качестве сепараторов в ядерной технике, биологии, медицине и других областях техники.

Деформируемые дисперсионно-твердеющие сплавы можно отнести к полутвердым магнитам, которые, в частности, могут быть использованы для изготовления дисковых роторов высокоскоростных гистерезисных двигателей (ВГД) со скоростями вращения порядка 100-150 тыс. оборотов в минуту. В связи с этим, материал должен обладать комплексом не только необходимых магнитных, но и механических свойств, не позволяющих разрушиться диску под действием возникающих центробежных сил. Условный предел текучести _0.2, характеризующий прочностные характеристики ротора, необходимые для работы ВГД, должен составлять не менее 1300-1500 МПа при величине коэрцитивной силы (Н_C) 20-40 А/см. Высокоскоростные двигатели находят применение в качестве привода сепараторов в ядерной технике при разделении изотопов, медицине, биологии и других областях техники.

Применение более современных технологий потребовало создания более тяжелых, больших по мощности ВГД, для чего необходимы большие по величине намагничивающие поля и вдвое большие величины коэрцитивной силы ротора (80-100 А/см). Вследствие особенностей дисперсионного распада в FeCrCo сплавах, более высокие значения Н_C наблюдаются по мере увеличения степени распада -твердого раствора. Однако по мере старения этот процесс сопровождается повышением хрупкости сплава, что может приводить к разрушению ротора при разгоне его до требуемых скоростей вращения. Таким образом, сплавы для роторов должны обладать определенным запасом пластичности, характеризуемой предельным относительным удлинением .

Известны высокопрочные сплавы, применяемые в качестве материала для роторов ВГД. Это стали типа Х70С2 и ВКС (высокопрочные конструкционные сплавы типа Н18К9М5Т: (Е.В.Белозеров, В.В.Сагарадзе, А.Г.Попов, А.М.Пастухов, Н.Л.Печеркина. Формирование магнитной текстуры в высокопрочной мартенситостареющей стали. ФММ, 1995, 79,6, 606-613). Но максимально достигаемые значения Н_C магнитов, изготовленных из них, не превышают 20-30 А/см, и такие сплавы не могут быть использованы для изготовления роторов ВГД большой мощности. Известны также сплавы типа Викаллой (52К9Ф), используемые для изготовления роторов. Однако эти сплавы содержат до 52% дефицитного кобальта, и от 5 до 12% ванадия: (Постоянные магниты. Справочник. Под. ред. Ю.М.Пятина. М.: «Энергия», 1980, 488 с.). Кроме того, эти сплавы не лишены того же недостатка, что и все дисперсионно-твердеющие сплавы – повышение хрупкости при старении. Сплавы на основе тройной системы FeCrCo по магнитным характеристикам могли бы быть пригодны для изготовления роторов ГД: (В.Б.Никаноров, А.П.Селезнев. Б.А.Яковлев. Повышение технико-экономических показателей серийных гистерезисных двигателей, Известия ВУЗ, Электромеханика, 1987, №3, С.49-54), но обладают низкими механическими свойствами. Если в состоянии -твердого раствора (после закалки) величина предельного относительного удлинения, составляет 10-15%, то после термообработки снижается до нулевого значения при этом _В=637-735 МПа: (Каталог фирмы TOKIN Corporation. Permanent magnets. Vol.1, 2000, 54 с.). Повышение прочностных характеристик сплавов этого типа достигается легированием сплавов элементами группы ванадия.

Известно большое количество сплавов, используемых для производства постоянных магнитов, легированных вольфрамом и другими добавками с различным соотношением основных компонент. В известных сплавах легирование осуществлялось с целью повлиять, в основном, на магнитные характеристики магнитов: например, магнитотвердый сплав, содержащий (в мас.%) 15-35Cr; 5-30Со; 0,1-5Мо; 0,10-5W; 0,10-5Zr; 0,1-5Ta; остальное Fe [патент Японии №58-7702], или магнитотвердый сплав с составом (в мас.%) 15-23Cr; 10-18Со; 0.5-4Аl; 0,1-2,5W; остальное Fe [патент ФРГ №2913071].

Недостатком известных сплавов является относительно низкая прочность, что связывается с недостаточным содержанием вольфрама, которое не позволяет получить необходимые значения механических характеристик, поскольку величина прочности находится в прямой зависимости от содержания вольфрама, и как было показано нашими исследованиями, достигает необходимых значений при 9-11% W.

Наиболее близким к заявляемому составу, технической сущности и достигаемому результату является дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе системы FeCrCo легированный вольфрамом [патент ФРГ №2165052], имеющий следующий состав (в мас.%):

Как показали исследования авторов, сплав обладает достаточным уровнем прочностных и магнитных характеристик (_0.2=1400-1450 МПа, Н_C=90-100 А/см), таблица 2, сплав №8, тем не менее он не пригоден для использования в качестве материала для дисковых роторов ВГД, так как обладает низкой пластичностью (величина предельного относительного удлинения в состаренном состоянии =0,3-0,5%), в результате чего хрупкое разрушение ротора происходит при скоростях вращения ротора меньших, чем требуется для работы ВГД. Это влечет за собой выход из строя высоко технологичного и дорогостоящего оборудования.

В основу изобретения положена задача повышения порога хрупкого разрушения сплава при сохранении необходимых значений Н_C и _0.2, путем легирования сплава пластифицирующим элементом.

Поставленная задача решается тем, что дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав на основе FeCrCo, легированный вольфрамом, согласно изобретению дополнительно содержит галлий, при следующем соотношении компонентов (в мас.%):

В процессе дисперсионного распада -твердого раствора в сплавах FeCrCo формируется модулированная структура, состоящая из ₁ и ₂ фаз. По мере старения ₁-фаза обогащается Со, при этом намагниченность фазы увеличивается, а ₂-фаза обогащается Cr и становится слабомагнитной (H.Kaneco, M.Homma, K.Nakamura. New ductile permanent magnet of Fe-Cr-Co system. AIP, Conf. Proc., 1972, №5, p.1088-1092).

Степень распада твердого раствора позволяет регулировать как магнитные, так и механические свойства. Дисперсность структурных составляющих, анизотропия их формы и различие намагниченностей являются причиной магнитной твердости сплава, и могут регулироваться составом и термообработкой (M.Okada, C.Thomas, M.Homma, N.Kaneco. Microstructura and magnetics properties of FeCrCo alloys. – IEEE Trans. on Magnet., 1978, v.14, №4, p.145-156). Обогащение выделяющихся фаз Со и в особенности Cr, в результате чего достигаются более высокие значения Н_C, оказывает сильное влияние на механические свойства. Процесс распада сопровождается не только постоянным увеличением прочности, но и, в аналогичной динамике, уменьшением пластичности, т.е. повышением хрупкости сплава.

Введение добавок в сплавы FeCrCo играет существенную роль в формировании структуры при дисперсионном распаде. Изменяются скорость диффузионных процессов, состав и количество образующихся фаз, параметры модулированной структуры – форма (амплитуда и ширина) концентрационной волны, от которых зависят магнитная анизотропия и механические свойства сплавов.

Авторами были исследованы магнитные и механические свойства группы сплавов содержащих V, Мо и W. Наилучшие результаты были получены на сплавах, содержащих вольфрам. Как правило, легирующие добавки при распаде диффундируют преимущественно в матрицу ₂-фазу, обогащенную Cr. Легирование W приводит к увеличению степени распада, концентрационной неоднородности выделений слабомагнитной фазы и увеличению различий в параметрах решеток выделяющихся фаз (В.В.Сериков, Е.Е.Юрчиков, Н.М.Клейнерман, Г.В.Иванова, Е.В.Белозеров, В.Г.Майков. Исследование структуры легированных сплавов FeCrCo методами ядерного магнитного и ядерного гамма резонанса. ФММ, 1983, 56, 4, 816-818). Кроме того, вследствие неполной его растворимости в Fe происходит образование твердой и хрупкой -фазы, близкой по составу к -фазе, содержащей 60-70% Cr (В.В.Сериков, Н.М.Клейнерман, Е.Е.Юрчиков, Е.В.Белозеров, В.Г.Майков. Исследование особенностей модулированной структуры легированных сплавов методами ЯМР ЯГР в сплавах для постоянных магнитов системы FeCrCo, ФММ, 1984, 56, 2, 282-287). Такие образования служат местами закрепления дислокации, что сопровождается увеличением как Н_C, так и повышением прочностных характеристик. Однако, вследствие этих же причин, резко возрастает хрупкость сплава. Предельное относительное удлинение снижается до нескольких десятых процента при необходимых 1.5%.

Для увеличения величины предельного относительного удлинения в сплавы вводится Ga. Добавка Ga в сплавы FeCrCo, содержащие большие количества W (причина высокой хрупкости), позволяет получить значения Н_C=85-130 А/см и более, необходимые для работы ВГД, при величине относительного удлинения от 1.5 до 4.7%, в несколько раз превышающей значения достигаемые в известном сплаве (прототипе), и обеспечивает тем самым работу ротора ВГД без хрупкого разрушения при рабочих скоростях вращения, сохраняя дорогостоящее оборудование от серьезных повреждений.

Сведения о влиянии Ga на уровень механических свойств легированных им сплавов в известной литературе отсутствуют. Как показано исследованиями, одной из наиболее вероятных причин повышения в сплавах FeCrCoW с добавкой Ga является замедление скорости процессов распада, что должно привести к формированию более дисперсной структуры, большей однородности концентрации компонентов в выделяющихся фазах (боле пологий фронт концентрационной волны). Большая однородность структуры способствует уменьшению вероятности зарождения микротрещин в локальных местах, обогащенных Cr и W. В то же время сохраняется хорошая магнитная изоляция выделений и различие магнитных моментов в фазах.

Сплавы для проведения работы (эксперимента) были выплавлены в индукционной печи в атмосфере аргона, из шихты с чистотой не менее 99,95%. После гомогенизации при температуре 1200°С в течение 6 часов слитки проковывались в полосу в горячую при температуре 1000-1150°С.

Стандартные образцы для механических испытаний были приготовлены из холоднокатаного листа после 60% деформации. Термообработка образцов проводилась в области температур, характерных для сплавов этого типа. Первая ступень обработки проводилась при температурах 620-640°С в течение 20-45 минут, вторая ступень при температуре 600°С в течение 30-60 минут.

Измерения механических свойств проводились на испытательной машине УМЭ-10ТМ. Магнитные свойства сплавов измерялись на вибромагнитометре на пластинах, вырезанных из образцов, подвергнутых механическим испытаниям. В таблице 1 приведены составы исследуемых сплавов №1-7 и известного сплава №8. Состав известного сплава (прототипа) авторы выбрали следующий (в мас.%): 22Cr; 15Co; 9W; 0Mo и 0Si; что соответствует заявленному в прототипе содержанию Si (0-12) и молибдена (0-20Мо).

Результаты измерений магнитных свойств (удельной намагниченности _m, коэрцитивной силы Н_C), и результаты определения прочностных характеристик (условного предела текучести _0.2, предельного относительного удлинения ), после оптимальных режимов обработки для каждого из составов, приведены в таблице 2.

Таблица 2
Прочностные характеристики (условный предел текучести 0.2), пластичности (предельное относительное удлинение ), и магнитные свойства, (удельной намагниченности m, коэрцитивной силы НC) после оптимальных режимов обработки для каждого из составов предлагаемых сплавов (1-7) и прототипа (8).
Сплав	Механические и магнитные свойства				Режим термообработки
	0.2 МПа	, %	m emu/g	НC А/см
1	1400-1460	2,7	127	90-130	630°С, 45 мин + 600°С, 40 мин
2	1300-1400	2-3,4	117-122	85-125	630°С, 45 мин + 600°С, 40 мин
3	1250-1300	0,3-0,4 хрупкое разрушение образцов	120	70-85	630°С, 20 мин + 600°С, 50 мин
4	1340	1,2-1,7	120	120	640°С, 30 мин + 600°С, 40 мин
5	1180-1220	1,2-2,0	100-110	40-60 низкие значения НC	630°С, 40 мин + 600°С, 50 мин
6	1500-1600	3,0-3,4	125-130	100-125	625°С, 25 мин + 600°С, 40 мин
7	1500	3,5-4,6	120-130	105-120	630°С, 30 мин + 600°С, 40 мин
8	1400-1450	0,3-0,5 хрупкое разрушение образцов	130	90-100	630°С, 25 мин + 600°С, 45 мин

Из таблицы 2 видно, что высокими значениями предельного относительного удлинения от 2 до 4,6%, обеспечивающими вращение ротора ВГД без разрушения в рабочем режиме, вместе с необходимыми значениями коэрцитивной силы Н_C=85-130 А/см и прочностными характеристиками _0.2=1300-1600 МПа, обладают сплавы 1, 2, 4, 6, 7 с содержанием Ga 0,5-3%, в диапазоне концентраций 21-23% Cr, 14-16% Со, 8-11% W, остальное Fe. Для сравнения приведены свойства известного сплава (прототипа), не содержащего Ga, значение относительного удлинения которого значительно ниже, чем у предлагаемого сплава. Ротор из известного сплава хрупко разрушается при скоростях вращения, не достигая рабочих режимов.

Предлагаемый сплав позволяет оптимизировать на требуемом уровне гистерезисные и магнитные свойства. Полученное преимущество предлагаемого сплава позволяет использовать его для изготовления роторов ВГД, обладающих большей мощностью, чем известные двигатели, что значительно увеличивает их производительность и срок эксплуатации. Это расширяет возможности применения их в качестве сепараторов в ядерной технике, медицине, биологии и других областях техники.

Формула изобретения

Дисперсионно-твердеющий магнитотвердый сплав, содержащий железо, хром, кобальт и вольфрам, отличающийся тем, что он дополнительно содержит галлий при следующем соотношении компонентов, мас.%: