PL131127B1 - Amorphous metal alloy - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 1987 03 31 131127 /I ^ Ur^du Patentowego Int. CL1 C22C 38/02 Twórcy Wynalazku: Stuart Leslie Ames, Vilakkudi Gopalswamy Veera- raghavan, Stephen David Washko Uprawniony z patentu: Allegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh (Stany Zjednoczone Ameryki) Amorficzny stop metalowy i Przedmiotem wnalazku jest amorficzny stop me¬ talowy zelaza, boru, krzemu.W miare postepu badan i zwiekszonego zaintere¬ sowania w zakresie amorficznych stopów metalo¬ wych, sftopy te warunkuja wlasnosci mechaniczne i magnetyczne zwiekszajace obszar zastosowania wy¬ tworzonych z nich elementów dla urzadzen elek¬ trycznych, takich jak transformatory, generatory i silniki elektryczne.Znane jest zastosowanie amorficznego stopu me¬ talowego w laminowanym detalu przeznaczonym dla urzadzenia elektrycznego.Tradycyjnie stosowanym stopem np. w trans¬ formatorach jest FegoBfo. Znanym jest takze fakt, ze material ten jest trudny do odlewa¬ nia i jest niestabilny. Dodanie krzemu i/lub wegla do stopu zelaza i boru pozwolilo zwiekszyc szyb¬ kosc odlewania z nich elementów np. tasm dla urzadzen elektrycznych. Jednakze nie udalo sie do¬ tad ustalic optymalnego skladu stopu amorficzne¬ go przeznaczonego dla urzadzen elektrycznych.Niewielkie róznice w skladzie chemicznym moga miec znaczacy wplyw na lejnosc materialu oraz na magnetyczne, mechaniczne i elektryczne jego wlasnosci. Dlatego pozadane jest ustalenie opty¬ malnego skladu stofu przeznaczonego do wytwa¬ rzania elementów np. tasm magnetycznych dla urzadzen elektrycznych.Znanych jest wiele stopów i klas stopów. Na przyklad, £ opisu patentowego Stanów Zjednoczo- 10 15 20 25 30 nych Ameryki nr 3 297 436 znane sa stopy amor¬ ficzne zloto-krzem, srebro-miedz, srebro-german i pallad-krzem.Zgodnie z tym opisem patentowym, produkt amorficzny moze charakteryzowac sie, (miedzy in¬ nymi, lepszymi w stosunku do tradycyjnych sto¬ pów wlasciwosciami, takze elektrycznymi i magne¬ tycznymi. Z opisu patentowego Stanów Zjednoczo¬ nych Ameryki nr 3 856 513 znane sa amor¬ ficzne stopy metalowe ujete ogólnym wzorem M6o-9oY10_8oZ0fi-i5, gdzie M oznacza zelazo, ncikiiel, chrom, kobalt, wanad, lub ich mieszaniny, Y — oznacza fosfor, wegiel, bor lub ich mieszaniny, a Z — oznacza aluminium, krzem, cyne, antymon, ger¬ man, ind, beryl i ich mieszaniny.Wymienione opisy patentowe dotycza konkret¬ nych osiagniec w dziedzinie stopów amorficznych o podwyzszonych wlasnosciach magnetycznych.Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 056 411 dotyczy stopów przeznaczonych do urzadzen elektrycznych i charakteryzujacych sie mala magnetostrykcja, o zawartosci 3—25% zelaza i 7—97% kobaltu natomiast opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4134 779 ujawnia stop ferromagnetyczny zelazo-bor charakteryzujacy sie wysoka indukcja nasycenia. Przedmiotem patentu Stanów Zjednoczonych Ameryiki nr 4150 981 jest stop zelazo-nikiel kobalt-bbr majacy wysoka in¬ dukcje nasycenia i bliska zera magnetostrykcje, zas opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 1311273 4154144 ujawnia rózne stopy z których zaden nie zawiera krzemu i które charakteryzuja sie wyso¬ ka przenikalnoscia magnetyczna, niska magneto- stryfccja, niskimi stratami rdzeniowymi oraz wyso¬ ka stabilnoscia termiczna. Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4154147 ujawnia szkli¬ sty stop zelazo-ibor zawierajacy 2—10% berylu, na¬ tomiast opis patentowy St. Zjedn. Am. nr 4190 438 dotyczy stopu magnetycznego zelazo-bor-krzem za¬ wierajacego 2—20% rutenu, a opis patentowy St.Zjedn. Am. nr 4197146 ujawnia metal o budowie amorficznej, skladajacy sie z szeregowo ulozonych ziaren o okreslonym skladzie stopowym. Opis pa¬ tentowy St. Zjedn. Am. nr 4 217 135 dotyczy stopu zelazo-bor-krzem — o wysokiej temperaturze kry¬ stalizacji i niskiej koercji. Przedmiotem patentu Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 219 355 jest stop Feso-wBi*,5-i4,BSia,5-5,o Ci,5_2,5.Powyzsza literatura patentowa dowodzi, ze po¬ szukiwania zmierzajace do uzyskania krzepnacego amorficznego stopu nadajacego sie np. do produkcji tasm magnetycznych, koncentruja sie wokól opty¬ malizacji jego skladu, co jest celem niniejszego wynalazku.Cel ten zostal osiagniety zgodnie z wynalazkiem przez to, ze amorficzny stop metalowy zelaza, bo¬ ru i krzemu zawiera 77 do 80 procent atomowych, korzystnie 77 do 79 procent atomowych zelaza, 12 do 16, korzystnie 13 do 16 procent atomowych boru i 5 do 10 korzystnie 5 do 7 procent atomo¬ wych krzemu jak równiez drobne zanieczyszczenia.Maksymalna zawartosc zanieczyszczen wynosi 0,2 procent atomowych przy nastepujacych maksymal¬ nych procentowych zawartosciach atomów pier¬ wiastków: cyna — 0,001, aluminium — 0,10, tytan — 0,007, milibden — 0,035, fosfor — 0,008, nikiel — 0,036, mangan — 0,12, miedz — 0,03, magnez — 0,001, wapn — 0,001, sód — 0,003, potas — 0,001, chrom — 0,06, olów — 0,01, azot — 0,015, tlen — 0,Q86, wegiel — 0,08, siarka — 0,02.Amorficzny stop metalowy majacy charaktery¬ styczny, waski zakres zawartosci zelaza, boru i krzemu stanowi o szczególnej jego przydatnosci w zastosowaniach dla urzadzen elektrycznych, takich jak transformatory rozdzielcze i tym podobne.Wynalazek umozliwil okreslenie skladu stopowe¬ go w przewazajacej mierze amorficznego wykazuja¬ cego doskonale wlasnosci magnetyczne, zwlaszcza obnizona wartosc strat rdzeniowych, co czyni ten stop szczególnie uzytecznym dla wymienionych za¬ stosowan.Poza korzystnymi wlasnosciami magnetycznymi, stop wedlug wynalazku charakteryzuje sie zdolnos¬ cia do szybkiego przechodzenia i krzepniecia, ze stanu cieklego w ksztalt cienkiej tasmy, z zacho¬ waniem wysoTriej lejnosci cieklego stopu.Przedmiot wynalazku zostal zilustrowany w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia trójskladnikowy wykres fazowy stopu zelazo-bor-krzem wedlug niniejszego wyna^ lazku, fig. 2 — przyklad czesciowego wykresu fa¬ zowego stopu zelazo-bor-krzem, fig. 3 — jest wy¬ kresem przedstawiajacym plynnosc stopu takiego samego jak fig. 2.Typowy stop transformatorowy sklada sie z 80% 127 4 zelaza i 20% boru. Stop ten z trudem tylko daje sie szybko przechlodzic do postaci tasmy o struk¬ turze amorficznej i ponadto wykazuje tendencje do niestabilnosci. Stwierdzono, ze niewielka modyfika- 5 cja skladu, zgodnie z niniejszymi wynalazkiem, wplywa korzystnie na zdolnosc tego stopu do od¬ lewania w tasme, to jest na jego lejnosc i dziala korzystnie na wlasnosci magnetyczne i mechanicz¬ ne materialu tasmowego. 10 Stop wedlug niniejszego wynalazku przedstawio¬ ny na wykresie trójskladnikowym na fig. 1 ma nastepujacy sklad: Pierwiastek % atomów 15 zelazo 77—80% bor 12—16% krzem 5*^10% Oczywiscie pelny sklad stopu wedlug niniejszego 20 wynalazku musi byc bilansowany do 100% atomo¬ wych. Stop taki moze zawierac tylko sladowe za¬ nieczyszczenia.Sklad stopu wedlug wynalazku jest skladem opty¬ malizujacym pozadane jego wlasnosci. Oczywiste 25 jest, ze pewne wlasnosci mozna poswiecic w za¬ mian za uzyskanie innych, jednak sklad wedlug Wynalazku jest skladem utrzymujacym we wzajem¬ nej równowadze te wlasnosci, pozadane zwlaszcza w materiale przeznaczonym dla urzadzen elektryca- 30 nych- Przykladowo, stop wedlug wynalazku powinien charakteryzowac sie nastepujacymi wlasnosciami: Straty rdzeniowe powinny byc mozliwie jak naj¬ mniejsze; za maksymalne straty rdzeniowe uwaza 35 sie 0,22 W/kg przy 60 hercach i indukcji 1,26 Tesla.W korzystniejszym przypadku straty rdzeniowe sa nizsze od okolo 0,20 W/kg a uzyskano takze w ma¬ teriale stopowym wedlug wynalazku straty bliskie wartosci 0,13 W/kg. We wszystkich omawianych tu 40 zastosowaniach straty rdzeniowe odnosza sie do czestotliwosci 60 Hz. Indukcja nasycenia powinna byc mozliwie najwieksza, za minimalna uwaza sie indukcje o wartosci 1,5 Tesla. Ciekly stop powinien. daWac sie latwo odlewac do zadanej postaci. 45 Próba podwyzszenia wskazanych wlasnosci sto¬ pu przez regulacje udzialu ilosciowego pierwiast¬ ków skladowych prowadzi do sprzecznosci. Aby maksymalnie zwiekszyc indukcje nasycenia nalezy maksymalnie zwiekszyc zawartosc zelaza* Ilosc ze- 50 laza powinna wynosic co najmniej 77 procent ato¬ mowych aby osiagnac indukcje nasycenia co naj¬ mniej 1,5 Tesla. Stwierdzono jednoczesnie, ze za¬ wartosc zelaza nie musi przekraczac 80% atoy uzy* skac zadana indukcje nasycenia. Dotychczas uwa- 55 zano, ze zawartosc zelaza musi przekraczac 60% aby osiagnac indukcje nasycenia w materiale, nie¬ zbedna dla zastosowan elektrycznych. Utrzymujac zawartosc zelaza ponizej 80% mozna zwiekszyc za¬ wartosc innych glównych skladników, mianowicie 60 boru i krzemu.Aby otrzymac ze stopu material o zwiekszonej stabilnosci termicznej, nalezy-zwiekszyc zawartosc krzemu. Wieksza zawartosc krzemu umozliwia ob¬ róbke cieplna materialu w wyzszej temperaturze 65 bez powodowania krystalizacji, oznacza to, ze5 131127 6 krzem podwyzsza temperature krystalizacji amor¬ ficznego materialu. Jednakze zawartosc krzemu ma znaczenie drugorzedne i dlatego uzaleznia sie ja od ilosci zelaza i boru jakie musi zawierac stop.Krzem sprzyja tworzeniu sie struktury amorficz¬ nej, jednak jego dzialanie jest w tym wzgledzie pieciokrotnie slabsze niz boru.Aby uzyskac zadana strukture amorficzna nalezy maksymalnie zwiekszyc zawartosc boru w stopie, przy zalozeniu, ze parametry szybkosci chlodzenia w czasie odlewania pozostaja niezmienne.W stopie zawierajacym 77—80% atomów zelaza nizsza zawartosc boru zwieksza plastycznosc mate¬ rialu z tego stopu. Jednak, gdy zawartosc boru zmniejsza sie ponizej 13 procent atomowych, w stopie wedlug wynalazku, to zwieksza sie tenden¬ cja materialu do krystalizacji. Stwierdzono, ze za- 10 15 wartosc 12—16 procent atomowych boru zapewnia pozadane wlasnosci materialu ze stopu wedlug wy¬ nalazku. Nieznaczna tendencja do krystalizacji, ja¬ ka moze pojawic sie w dolnym koncu tego zakresu zawartosci boru, zapewnia jeszcze akceptowalne wlasnosci magnetyczne materialu. Natomiast pew¬ ne zmniejszenie plastycznosci w górnym krancu zakresu zawartosci boru jest z nadmiarem skom¬ pensowane polepszeniem wlasnosci magnetycznych.Wybranie punktu w zakresie 12^16 procent ato¬ mowej zawartosci boru nastepuje przy uwzgled¬ nieniu Wszystkich warunków jakie musi spelniac material w konkretnym zastosowaniu.Nizej podane sa graniczne dolne wartosci mate¬ rialu o zakresie skladu stopu wedlug niniejszego wynalazku oraz wartosci rzeczywiste dla jednego korzystnego skladu stopowego: Straty rdzeniowe W/kg przy 60 Hz i 1,26 T Indukcja nasycenia (T) Struktura amorficzna Plastycznosc Stabilnosc termiczna PL

Claims (1)

1. Zastrzezenia patentowe zelaza, 12 do 16 korzystnie 13 do 16 procent ato¬ mowych boru i 5 do 10 korzystnie 5 do 7 procent 1. Amorficzny stop metalowy zelaza, boru i krze- atomowych krzemu jak równiez drobne zanieczy- mu, znamienny tym, ze zawiera 77 do 80 procent szczenia, atomowych, korzystnie 77 do 79 procent atomowych ^ 2. Stop wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze ma-131127 13 ksymalna zawartosc zanieczyszczen wynosi 0,2 pro¬ cent atomowych przy nastepujacych (maksymalnych procentowych zawartosciach atomów pierwiastków: 14 cyna aluminium tytan molibden fosfor nikiel mangan 0,001 0,10 0,007 0,035 0,008 0,036 0,12 10 miedz magnez Wapn isód potas chrom • olów azot tlen wegiel siarka 0,03 0,001 , 0,001 0,003 0,00L 0,06 0,01 0,015 0,086 0,08 0,02 Fig.l. Fig. 3. 70 75 80* 85 . 90 95 Fig.2. •\ • \ • •J /t • / • / 10 li 12 13 14 15 16 17 18 19 20 PL