PL248672B1

PL248672B1 - Iron alloy

Info

Publication number: PL248672B1
Application number: PL435345A
Authority: PL
Inventors: Paweł Pietrusiewicz; Marcin Nabiałek; Jerzy Wysłocki; Bartłomiej Jeż
Original assignee: Politechnika Czestochowska
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2026-01-12
Also published as: PL435345A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest stop żelaza, który charakteryzuje się tym, że ma skład Fe61Co10Y4W1Pt4B20 oraz nieuniknione zanieczyszczenia.The subject of the application is an iron alloy which is characterized by the composition Fe61Co10Y4W1Pt4B20 and unavoidable impurities.

Description

Przedmiotem wynalazku jest stop żelaza mający zastosowanie zwłaszcza w elektronice i elektrotechnice.The subject of the invention is an iron alloy applicable especially in electronics and electrical engineering.

Materiały o właściwościach ferromagnetycznych mają szerokie zastosowanie w przemyśle oraz życiu codziennym. Ferromagnetyki można podzielić ze względu na łatwość ich magnesowania i rozmagnesowania. Parametrem opisującym tę właściwość jest wartość pola koercji. Istnieją różne podziały materiałów ze względu na ich właściwości. Przyjmuje się, że materiały magnetycznie miękkie to takie, które charakteryzują się wartością pola koercji poniżej 1000 A/m, półtwarde od 1000 A/m do 10000 A/m i twarde powyżej 10000 A/m. Materiały wykazujące właściwości magnetycznie półtwarde znajdują zastosowanie między innymi jako różnego rodzaju czujniki jak na przykład zabezpieczenia sklepowe. Materiały magnetycznie półtwarde są dość łatwe do namagnesowania wykorzystując odpowiednią technologie. Jednak wartość pola koercji o wartości kilku tysięcy A/m utrudnia przypadkowe lub nawet celowe rozmagnesowanie materiału, wykorzystanego na przykład jako zabezpieczenie sklepowe.Materials with ferromagnetic properties have a wide range of applications in industry and everyday life. Ferromagnets can be categorized based on their ease of magnetization and demagnetization. The parameter describing this property is the coercive field value. Materials are classified according to their properties. Soft magnetic materials are generally defined as those characterized by a coercive field value below 1000 A/m, semi-hard materials are defined as those with a coercive field value between 1000 A/m and 10,000 A/m, and hard materials are defined as those with a coercive field value above 10,000 A/m. Materials exhibiting semi-hard magnetic properties are used, among other things, as various sensors, such as in store security systems. Semi-hard magnetic materials are relatively easy to magnetize using appropriate technology. However, a coercive field value of several thousand A/m complicates the accidental or even intentional demagnetization of a material used, for example, as a store security system.

Istnieje wiele rodzajów stopów wykazujących właściwości magnetycznie półtwarde. Materiały te można produkować poprzez obróbkę termiczną amorficznych prekursorów. Obróbkę taką należy szczegółowo zaprojektować. Istotny jest czas i temperatura wygrzewania. Strukturę nanokrystaliczną można uzyskać w długotrwałym procesie wygrzewania w temperaturze znacznie poniżej temperatury krystalizacji bądź krótkotrwałym procesie przeprowadzonym w temperaturze bliskiej krystalizacji. Wadą tych rozwiązań jest czasochłonność oraz trudności w zaprojektowaniu procesu. Stopy nanokrystaliczne o właściwościach półtwardych można wytworzyć jednoetapowo. Odlewanie ciekłego stopu z odpowiednią szybkością chłodzenia (rzędu 10² K/s) umożliwia wytworzenie częściowo skrystalizowanego stopu. Odpowiednie zaprojektowanie składu chemicznego i szybkości chłodzenia zapewnia otrzymanie faz krystalicznych o pożądanych właściwościach, w tym półtwardych magnetycznie.There are many types of alloys exhibiting semi-hard magnetic properties. These materials can be produced by thermal treatment of amorphous precursors. Such treatment requires careful design. The annealing time and temperature are crucial. A nanocrystalline structure can be obtained by a long-term annealing process at a temperature well below the crystallization temperature or by a short-term process conducted at a temperature close to crystallization. The disadvantage of these solutions is the time-consuming nature and difficulty in process design. Nanocrystalline alloys with semi-hard properties can be produced in a single step. Casting the liquid alloy at an appropriate cooling rate (on the order of ¹⁰² K/s) allows for the production of a partially crystallized alloy. Appropriate design of the chemical composition and cooling rate ensures the production of crystalline phases with the desired properties, including magnetic semi-hardness.

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.Polish patent description No. 154378 describes an amorphous metal alloy, magnetically soft, intended in particular for magnetic cores operating in alternating magnetic fields of increased frequency and pulsed fields, based on Fe and containing by weight 18-21% Co, 4-8% B and Si together and 0.05-1.0% Ta, with the remaining composition being 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.Another known from Polish patent description No. 131127 is a metal alloy of iron, boron and silicon containing by weight: (77:80%) iron, (12%:16%) silicon, (5:10%) boron and traces of impurities produced in the form of very thin ribbons.

Celem wynalazku jest otrzymanie w jednoetapowym procesie masywnego szybkochłodzonego stopu o strukturze nanokrystalicznej, którego właściwości będą charakteryzowały się wartością pola koercji z przedziału 1000 - 10000 A/m, wysoką indukcją nasycenia.The aim of the invention is to obtain in a single-stage process a massive, rapidly cooled alloy with a nanocrystalline structure, the properties of which will be characterized by a coercive field value in the range of 1000 - 10000 A/m and high saturation induction.

Istotą wynalazku jest stop żelaza charakteryzujący się tym, że ma skład Fe61Co™Y4W1Pt4B20, oraz nieuniknione zanieczyszczenia. Nieuniknione zanieczyszczenia są w ilości nie większej 0,09%.The invention is based on an iron alloy characterized by its composition of Fe61Co™Y4W1Pt4B20, with unavoidable impurities. These unavoidable impurities amount to no more than 0.09%.

Stop Fe61Co10Y4W1Pt4B20 wytworzono w postaci płytki o grubości 0,5 mm. Wytworzony materiał nie został poddany żadnej dodatkowej obróbce termicznej. Stop odlano przy użyciu metody wtłaczania ciekłego stopu do miedzianej formy. Zastosowana metoda charakteryzuje się szybkością chłodzenia z zakresu 10¹ - 10² K/s. Materiał ze stopu Fe61Co10Y4W1Pt4B20 według wynalazku zawiera odpowiednio (atomowo): Fe - 61%; B - 20%; Y - 4%; Co - 10%, W - 1%, Pt - 4% przy dopuszczalnym zanieczyszczeniu max 0,09%.The Fe61Co10Y4W1Pt4B20 alloy was produced in the form of a 0.5 mm thick plate. The produced material was not subjected to any additional thermal treatment. The alloy was cast using the method of forcing the liquid alloy into a copper mold. The method used is characterized by a cooling rate in the range of ^101-102 K/s. The Fe61Co10Y4W1Pt4B20 alloy material according to the invention contains (atomically): Fe - ⁶¹ %; B - 20%; Y - 4%; Co - 10%, W - 1%, Pt - 4%, with a maximum permissible impurity of 0.09%.

Zaletą proponowanego stopu według wynalazku w stosunku do konwencjonalnie produkowanych stopów nanokrystalicznych jest to, że stop o grubości 0,5 mm można wytworzyć w jednym etapie produkcji.The advantage of the proposed alloy according to the invention over conventionally produced nanocrystalline alloys is that an alloy with a thickness of 0.5 mm can be produced in a single production step.

P rz y kła d IE x a m p l e

Stop zawiera atomowo Fe - 61%; B - 20%; Y - 4%; Co - 10%, Pt - 4%; W - 1%, przy zanieczyszczeniu 0,05%.The alloy contains atomic Fe - 61%; B - 20%; Y - 4%; Co - 10%, Pt - 4%; W - 1%, with an impurity of 0.05%.

Wsad do wyprodukowania objętościowego stopu nanokrystalicznego wytworzono znanymi sposobami w piecu łukowym. Polikrystaliczne wlewki wytworzono ze składników o czystości powyżej 99,9%. Proces topienia przeprowadzono na miedzianej płycie chłodzonej wodą w atmosferze ochronnej argonu. Nanokrystaliczny stop wytworzono przy użyciu metody wtłaczania. Proces produkcji przeprowadzono w komorze próżniowej w atmosferze ochronnej argonu. Polikrystaliczny wsad topiono przy użyciu prądów wirowych.The batch for the production of a bulk nanocrystalline alloy was produced using known methods in an electric arc furnace. Polycrystalline ingots were produced from components with a purity exceeding 99.9%. The melting process was performed on a water-cooled copper plate in an argon protective atmosphere. The nanocrystalline alloy was produced using the extrusion method. The production process was carried out in a vacuum chamber under an argon protective atmosphere. The polycrystalline batch was melted using eddy currents.

Strukturę stopu badano przy użyciu dyfraktometru rentgenowskiego. Na rysunku zamieszczono zarejestrowany dyfraktogram.The alloy's structure was studied using an X-ray diffractometer. The resulting diffraction pattern is shown in the figure.

PL 248672 Β1PL 248672 Β1

1800018000

1200012000

0000 00000 0

30 40 50 60 70 80 90 100 11030 40 50 60 70 80 90 100 110

Θ [deg] dΘ [deg] d

b ą a - a-(Fe,Co) b - Fe₂B c - L1_£ Fe₃Pt d - Co_sY e - Pt₃Yb b a - a-(Fe,Co) b - Fe ₂ B c - L1 _£ Fe ₃ Pt d - Co _s Y e - Pt ₃ Y

Wytworzony stop nanokrystaliczny charakteryzuje się dwufazową strukturą. W zakresie 40-50° kąta 2 theta występuje szerokie maksimum związane z występowaniem fazy amorficznej. Liczne, wąskie piki świadczą o obecności kilku faz krystalicznych.The resulting nanocrystalline alloy is characterized by a two-phase structure. A broad maximum occurs in the 40-50° 2 theta angle range, associated with the presence of the amorphous phase. Numerous narrow peaks indicate the presence of multiple crystalline phases.

Fazy zidentyfikowano przy użyciu specjalistycznego oprogramowania. Zidentyfikowano fazy krystaliczne: aFe, Fe2B, FePts, FesPt, C05Y, PtsY.The phases were identified using specialized software. The crystalline phases identified were: aFe, Fe2B, FePts, FesPt, C05Y, and PtsY.

Właściwości magnetyczne wytworzonego stopu badano przy użyciu magnetometru wibracyjnego VSM.The magnetic properties of the produced alloy were tested using a VSM vibrating magnetometer.

Na podstawie zarejestrowanych statycznych pętli histerezy magnetycznej określono wartość pola koercji Hc = 6500 A/m oraz wartość magnetyzacji nasycenia Ms = 1,62 T.Based on the recorded static magnetic hysteresis loops, the coercive field value Hc = 6500 A/m and the saturation magnetization value Ms = 1.62 T were determined.

Claims

1. An iron alloy characterized in that it has the composition Fe6iCoioY4WiPt4B2o and unavoidable impurities.