PL245484B1 - Sposób wytwarzania wysokoindukcyjnego metalicznego kompozytu magnetycznie miękkiego o podwyższonej odporności na utlenianie - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania wysokoindukcyjnego metalicznego materiału kompozytowego o własnościach magnetycznie miękkich i podwyższonej odporności na utlenianie, który charakteryzuje się tym, że szybko schłodzony ciekły stop o składzie chemicznym Fe_75.3Co₅Mo₅Cu_0.7B₁₄ [% at.] obrabia się cieplnie w temperaturze 300 - 500°C w czasie 10 - 60 minut, korzystnie w podciśnieniu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wysokoindukcyjnego metalicznego materiału kompozytowego o własnościach magnetycznie miękkich i podwyższonej odporności na utlenianie, przeznaczonego na elementy przekształtników prądowych.

Szkła metaliczne należą do grupy materiałów cechujących się nieporządkiem strukturalnym dalekiego zasięgu i nazywane są również stopami amorficznymi. Szkła te mogą być wytwarzane w postaci tzw. „bulków” jako materiały objętościowe o rozmiarach do 80 mm lub w postaci taśm o grubości 15-30 μm. Od lat 60-tych ubiegłego wieku opracowane są różne metody wytwarzania tych materiałów, a ich właściwości mechaniczne, chemiczne i fizyczne zależą w głównej mierze od składu chemicznego stopu. Materiały te są otrzymywane poprzez szybkie przechładzanie ciekłego stopu z prędkością ok. 10⁶ K/s [doi: 10.1016/j.mtadv.2020.100077]. W zależności od zastosowań i docelowych parametrów użytkowych materiału dobierana jest odpowiednio metoda jego otrzymywania i dalsza obróbka cieplna.

Jedną z najpopularniejszych metod otrzymywania omawianych materiałów jest odlewanie ciekłego stopu na wirującym bębnie tzw. „melt-spinnig”. Pozwala ona na wytworzenie szkieł metalicznych w postaci taśmy o zdefiniowanych parametrach geometrycznych: szerokości do kilkudziesięciu milimetrów i grubości mikrometrycznej w jednym kawałku, o długości do kilkuset metrów na jeden proces odlewniczy. Metoda ta pozwala także na odlewanie materiału w trybie ciągłym [PL210049B1]. Tak wytworzone taśmy można poprzez zwinięcie do postaci rdzeni zastosować jako elementy większych układów. Takie formy szkieł metalicznych na bazie żelaza wykorzystywane są do wytwarzania amorficznych i nanokrystalicznych materiałów magnetycznie miękkich w postaci rdzeni do zastosowań w energoelektronice [doi: 10.1002/adma.201002180, PL224171B1, EP2395521A1].

Magnetyczne właściwości amorficznych i nanokrystalicznych materiałów magnetycznie miękkich zależą w pierwszej kolejności od składu chemicznego, głównie ilości w pierwiastkach ferromagnetycznych takich jak Fe, Co i Ni w obecności metaloidów B, Si czy dodatków niemetali C, P, a także innych pierwiastków (np. Cu, Nb, Mo). W zależności od składu chemicznego optymalne właściwości magnetyczne otrzymywane są w materiale o strukturze amorficznej bądź nanokrystalicznej, a odpowiednia obróbka cieplna bądź cieplno-magnetyczna amorficznego stopu jest procesem determinującym te właściwości [doi: 10.3390/ma13061451]. Obróbki te prowadzone są w zakresie obniżonego ciśnienia (kilku Pa), bądź obecności gazu ochronnego, co zabezpiecza obrabiany materiał przed utlenieniem przyczyniającym się do degradacji właściwości magnetycznych materiału.

Jak pokazano w pracy: doi: 10.1016/j.intermet.2016.05.011, możliwe jest poprawienie właściwości antykorozyjnych oraz antyutleniających taśm amorficznych poprzez dodanie do stopu odpowiedniej ilości Mo czy Cr. Zgodnie z wynalazkiem, właściwa ilość Mo przy odpowiednich proporcjach innych pierwiastków stopowych pozwala na uzyskanie nowego materiału wysokoindukcyjnego w postaci taśmy amorficznej, którą po obróbce cieplnej w powietrzu można zastosować na elementy przekształtników prądowych.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania wysokoindukcyjnego metalicznego materiału kompozytowego o własnościach magnetycznie miękkich i podwyższonej odporności na utlenianie, charakteryzujący się tym, że wytwarza się taśmę magnetycznie miękką o składzie chemicznym Fe75.3Co5Mo5Cu0.7B14 w % at. metodą formowania rotacyjnego z fazy stopionej, po czym kształtuje się z niej rdzeń toroidalny o zadanych wymiarach, a następnie tak uformowany rdzeń poddaje się wygrzewaniu w temperaturze 300-500°C w czasie 10-60 minut w podciśnieniu.

Wynalazek ilustruje poniższy przykład wykonania, niestanowiący jego ograniczenia.

1. Przygotowanie stopu wstępnego:

a ) naważenie pierwiastków i zapraw stopowych zgodnie ze składem chemicznym Fe75.3Co5Mo5Cu0.7B14 [% at.], na 10 kg stopu: żelazo Armco - 6793 g, kobalt - 570 g, molibden - 927 g, miedź - 86 g, zaprawa stopowa FeB18 - 1624 g, b ) wytworzenie stopu za pomocą próżniowego pieca indukcyjnego w następujących krokach:

- odpompowanie komory pieca do podciśnienia rzędu 5 Pa,

- rozgrzanie i topienie indukcyjne naważki do temperatury 1500°C,

- homogenizacja ciekłego stopu w temp. 1500°C w ciągu 10 min,

- odlanie ciekłego stopu o temperaturze około 1250°C do żeberkowej wlewnicy żeliwnej.

2. Wytworzenie taśmy magnetycznie miękkiej o składzie chemicznym Fe75.3Co5Mo5Cu0.7B14 [% at.] za pomocą formowania rotacyjnego z fazy stopionej:

a) umieszczenie w tyglu kwarcowym, z przygotowaną szczeliną o szerokości 6 mm, grubości 0,4 mm i długością wylewki 5 mm, stopu przygotowanego w punkcie 1 o masie ok. 1 kg po uprzednim wyżarzeniu w celu odprężenia,

b) grzanie i doprowadzenie do stanu ciekłego stopu w tyglu kwarcowym umieszczonym w cewce indukcyjnej i uzyskanie temperatury 1250°C na stopie w obecności podciśnienia 2-3 kPa,

c) wypchnięcie ciekłego stopu o temperaturze 1250°C przez szczelinę tygla, poprzez zastosowanie nadciśnienia 27 kPa, na rotujący bęben miedziany o prędkości obrotowej 1250 obr/min,

d) oderwanie uzyskanej poprzez przechłodzenie stopu taśmy od bębna miedzianego poprzez nadmuch strumienia powietrza o ciśnieniu 400 kPa przez dyszę o przekroju 1 x 25 mm,

e) zwinięcie ręczne bądź mechaniczne uzyskanej taśmy metalicznej o składzie Fe75.3Co5Mo5Cu0.7B14 [% at.].

3. Wytworzenie kompozytu magnetycznie miękkiego w postaci rdzenia toroidalnego:

a) uformowanie rdzenia toroidalnego o średnicy wewnętrznej 20 mm i średnicy zewnętrznej 30 mm z taśmy Fe75.3Co5Mo5Cu0.7B14 [% at.] poprzez nawinięcie i zgrzanie oporowe, punktowe, końców taśm do uformowanego rdzenia, w celu ochrony przed rozwinięciem,

b) przeprowadzenie obróbki cieplnej rdzenia w temperaturze 400°C w czasie 20 minut w rurowym piecu próżniowym przy ciśnieniu 5 x 10^-2 mbara,

c) wystudzenie rdzenia z piecem.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania wysokoindukcyjnego metalicznego materiału kompozytowego o własnościach magnetycznie miękkich i podwyższonej odporności na utlenianie, znamienny tym, że wytwarza się taśmę magnetycznie miękką o składzie chemicznym Fe75.3Co5Mo5Cu0.7B14 w % at. metodą formowania rotacyjnego z fazy stopionej, po czym kształtuje się z niej rdzeń toroidalny o zadanych wymiarach, a następnie tak uformowany rdzeń poddaje się wygrzewaniu w temperaturze 300-500°C w czasie 10-60 minut w podciśnieniu.