PL236193B1 - Masywny nanokrystaliczny stop żelaza - Google Patents

Masywny nanokrystaliczny stop żelaza Download PDF

Info

Publication number
PL236193B1
PL236193B1 PL432728A PL43272820A PL236193B1 PL 236193 B1 PL236193 B1 PL 236193B1 PL 432728 A PL432728 A PL 432728A PL 43272820 A PL43272820 A PL 43272820A PL 236193 B1 PL236193 B1 PL 236193B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
nanocrystalline
alloy
massive
iron alloy
alloys
Prior art date
Application number
PL432728A
Other languages
English (en)
Other versions
PL432728A1 (pl
Inventor
Marcin Nabiałek
Katarzyna Błoch
Bartłomiej Jeż
Original Assignee
Politechnika Czestochowska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Czestochowska filed Critical Politechnika Czestochowska
Priority to PL432728A priority Critical patent/PL236193B1/pl
Publication of PL432728A1 publication Critical patent/PL432728A1/pl
Publication of PL236193B1 publication Critical patent/PL236193B1/pl
Priority to EP21460002.5A priority patent/EP3859034A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/10Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing cobalt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02Making non-ferrous alloys by melting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C45/00Amorphous alloys
    • C22C45/02Amorphous alloys with iron as the major constituent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15308Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals based on Fe/Ni
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/84Controlled slow cooling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2201/00Treatment for obtaining particular effects
    • C21D2201/03Amorphous or microcrystalline structure
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/12Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of articles with special electromagnetic properties
    • C21D8/1244Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of articles with special electromagnetic properties the heat treatment(s) being of interest
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C2200/00Crystalline structure
    • C22C2200/04Nanocrystalline
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C33/00Making ferrous alloys
    • C22C33/003Making ferrous alloys making amorphous alloys

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Hard Magnetic Materials (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

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 Hc [A/m] MS[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
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 (1)

  1. 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%.
PL432728A 2020-01-28 2020-01-28 Masywny nanokrystaliczny stop żelaza PL236193B1 (pl)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL432728A PL236193B1 (pl) 2020-01-28 2020-01-28 Masywny nanokrystaliczny stop żelaza
EP21460002.5A EP3859034A1 (en) 2020-01-28 2021-01-07 Bulk nanocrystalline iron alloy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL432728A PL236193B1 (pl) 2020-01-28 2020-01-28 Masywny nanokrystaliczny stop żelaza

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL432728A1 PL432728A1 (pl) 2020-07-13
PL236193B1 true PL236193B1 (pl) 2020-12-14

Family

ID=71512455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL432728A PL236193B1 (pl) 2020-01-28 2020-01-28 Masywny nanokrystaliczny stop żelaza

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3859034A1 (pl)
PL (1) PL236193B1 (pl)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5672153A (en) * 1979-11-14 1981-06-16 Takeshi Masumoto Amorphous iron alloy of high permeability
US6296948B1 (en) 1981-02-17 2001-10-02 Ati Properties, Inc. Amorphous metal alloy strip and method of making such strip
PL154378B1 (pl) 1988-01-07 1991-08-30 Inst Metali Niezelaznych Amorficzny stop metali
JP3279399B2 (ja) * 1992-09-14 2002-04-30 アルプス電気株式会社 Fe基軟磁性合金の製造方法
CN106566987B (zh) * 2016-11-14 2018-07-06 江苏科技大学 Fe-B-Si系块体纳米晶软磁合金及其制备方法
JP6226093B1 (ja) * 2017-01-30 2017-11-08 Tdk株式会社 軟磁性合金および磁性部品

Also Published As

Publication number Publication date
EP3859034A1 (en) 2021-08-04
PL432728A1 (pl) 2020-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Coey et al. Magnetic nitrides
EP4001452A1 (en) Amorphous nanocrystalline soft magnetic material, preparation method therefor and use thereof, amorphous ribbon material, amorphous nanocrystalline ribbon material, and amorphous nanocrystalline magnetic sheet
PL184208B1 (pl) Sposób wytwarzania elementu magnetycznego z miękkiego stopu magnetycznego na bazie żelaza mającego strukturę nanokrystaliczną
CN109930080B (zh) 一种无铜纳米晶软磁合金及其制备方法
WO2022183909A1 (zh) 一种铁基非晶纳米晶合金及其制备方法
CN113416904A (zh) 一种高矫顽力铝镍钴磁体及其制备方法
JP2513679B2 (ja) 最大エネルギ−積の大きい超高保磁力永久磁石およびその製造方法
PL236193B1 (pl) Masywny nanokrystaliczny stop żelaza
JP5787499B2 (ja) 非晶質磁性合金、関連物品及び方法
PL238094B1 (pl) Stop żelaza
Vijayanarayanan et al. An experimental evaluation of quenched Fe-Ga alloys: structural magnetic and magnetostrictive properties
Stokłosa et al. Nanocrystallisation of amorphous alloys based on iron
JP2718261B2 (ja) 磁性合金およびその製造方法
Luo et al. Effect of rapid solidification on the site preference of Heusler alloy Mn2NiSb
Fan et al. Effects of Nb addition and heat treatment on the crystallization behavior, thermal stability and soft magnetic properties of FeSiBPCuC alloys
Hsiao et al. Crystallization and nanocrystallization kinetics of Fe-based amorphous alloys
Sun et al. Thermal stability and magnetic properties of Co–Fe–Hf–Ti–Mo–B bulk metallic glass
CN110643910B (zh) 一种软磁Fe基非晶合金及其制备方法
Li et al. Microstructure of nanostructured Fe40Ni38Mo4B18 alloy
Tamoria et al. Magnetism, structure and the effects of thermal aging on (Fe/sub 1-x/Mn/sub x/)/sub 73.5/Si/sub 13.5/B/sub 9/Nb/sub 3/Cu/sub 1/alloys
Filipecka et al. Magnetic Properties and Phase Constitution of the Nanocrystalline Fe₆₅Pr₉B₁₈W₈ Alloy Ribbons
Wederni et al. Unveiling Strong Dependence of Geometrical Aspect Ratio on the Magneto-Structural Properties of Co2Mn-Based Microwires
RU2791679C1 (ru) Аморфный магнитный сплав на основе системы железо-кремний
Pietrusiewicz et al. Influence of Annealing on the Microstructure and Magnetic Properties in Amorphous Alloys
PL241355B1 (pl) Amorficzny magnetycznie miękki stop żelaza