RU2791679C1

RU2791679C1 - Amorphous magnetic alloy based on the iron-silicon system

Info

Publication number: RU2791679C1
Application number: RU2022117715A
Authority: RU
Inventors: Михаил Львович Лобанов; Николай Николаевич Никульченков; Артем Сергеевич Юровских; Мария Александровна Зорина; Михаил Юрьевич Векслер
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2023-03-13

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to an amorphous alloy based on the iron-silicon-magnesium system, which can be used as a material for magnetic cores of transformers, inductors, chokes and electric motors. The amorphous magnetic alloy comprises, in at.%: iron - 88 - 92, magnesium - 4, silicon - 4-8. Amorphousc alloy is characterized by increased magnetic induction and high thermal stability.

EFFECT: alloy is easily processed in a wide temperature range, while maintaining its amorphous structure.

1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии железа, более конкретно, к разработкам составов аморфных магнитных сплавов на основе системы железо-кремний. Заявленный сплав может быть использован в качестве материала для магнитопроводов трансформаторов, индукторов, дросселей и электродвигателей. The invention relates to iron metallurgy, more specifically, to the development of compositions of amorphous magnetic alloys based on the iron-silicon system. The claimed alloy can be used as a material for magnetic circuits of transformers, inductors, chokes and electric motors.

Металлические аморфные материалы на основе железа обладают уникальным сочетанием магнитных свойств – высокой магнитной проницаемости, низкой коэрцитивной силы и относительно высокой индукцией насыщения [G. Herzer. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. 1997. V. 10. P. 415–462]. Магнитопроводы, выполненные из металлических аморфных материалов, с успехом используются, как в обычных (50 Гц), так и в высокочастотных (400–10000 Гц) трансформаторах [Ю.Н. Стародубцев, В.Я. Белозеров. Аморфные металлические материалы // Силовая электроника. 2009. № 2. С. 86–89]Iron-based amorphous metal materials have a unique combination of magnetic properties - high magnetic permeability, low coercive force and relatively high saturation induction [G. Herzer. Nanocrystalline soft magnetic alloys // Handbook of magnetic materials. 1997. V. 10. P. 415-462]. Magnetic cores made of metallic amorphous materials are successfully used both in conventional (50 Hz) and high-frequency (400–10000 Hz) transformers [Yu.N. Starodubtsev, V.Ya. Belozerov. Amorphous metallic materials // Power electronics. 2009. No. 2. S. 86–89]

Как правило, аморфные магнитные материалы, относящиеся к так называемым металлическим стёклам, создаются на основе системы M–X, где M – это металл (металлы) в количестве ~ 80 ат.%, X – элементы-аморфизаторы, преимущественно неметаллические в количестве ~ 20 ат.%, обычно мало растворимые в кристаллической решетке металлического элемента (M) [C. Suryanarayana, A. Inoue. Iron-based bulk metallic glasses // International Materials Reviews. 2013. V. 58. P. 131–166]. В случае получения аморфного магнитного материала методом скоростной закалки из расплава, металлический компонент может представлять собой либо только железо, либо смесь различных металлов. В большинстве случаев, металлическая составляющая сплава представляет собой так называемую «триаду железа» (Fe, Co, Ni) [C. Suryanarayana, A. Inoue. Bulk metallic glasses. Boca Raton: CRC Press LLC. 2011. 525 p.]. Иногда также добавляют другие металлические элементы, такие как Cr, Mn, Al, Ga, Mo, Zr, Nb и Ta, причем их концентрации варьируют от нескольких до почти 15–20 ат. % [A. Inoue, A. Makino, T. Mizushima. Ferromagnetic bulk glassy alloy // J. Magn. and magn. mat. 2000. V. 215–216. P. 246–252]. Редкоземельные элементы, такие как Y, Er, Gd и Tm, также иногда добавляют для получения благоприятных эффектов повышения формуемости стекла [Y. Q. Cheng, E. Ma. Atomic-level structure and structure-property relationship in metallic glasses // Progress in Materials Science. 2011. V. 56. P. 379–473]. Элементами аморфизаторами обычно являются B, C, P и Si с их общим содержанием около 20 ат.% [D. B. Miracle, D. V. Louzguine-Luzgin, L. V. Louzguina-Luzgina, A. Inoue. An assessment of binary metallic glasses: correlations between structure, glass forming ability and stability // International Materials Reviews. 2010. V. 55. P. 219–256]. As a rule, amorphous magnetic materials related to the so-called metallic glasses are created on the basis of the M–X system, where M is a metal (metals) in an amount of ~ 80 at.%, X are amorphizing elements, predominantly non-metallic in an amount of ~ 20 at.%, usually slightly soluble in the crystal lattice of the metallic element (M) [C. Suryanarayana, A. Inoue. Iron-based bulk metallic glasses // International Materials Reviews. 2013. V. 58. P. 131–166]. In the case of obtaining an amorphous magnetic material by high-speed quenching from a melt, the metal component can be either only iron or a mixture of different metals. In most cases, the metal component of the alloy is the so-called "iron triad" (Fe, Co, Ni) [C. Suryanarayana, A. Inoue. Bulk metallic glasses. Boca Raton: CRC Press LLC. 2011. 525 p.]. Sometimes other metallic elements such as Cr, Mn, Al, Ga, Mo, Zr, Nb, and Ta are also added, and their concentrations vary from a few to almost 15–20 at. %[A. Inoue, A. Makino, T. Mizushima. Ferromagnetic bulk glassy alloy // J. Magn. and magn. mat. 2000. V. 215–216. P. 246–252]. Rare earth elements such as Y, Er, Gd, and Tm are also sometimes added to obtain beneficial glass formability enhancing effects [Y. Q. Cheng, E. Ma. Atomic-level structure and structure-property relationship in metallic glasses // Progress in Materials Science. 2011. V. 56. P. 379–473]. Amorphizer elements are usually B, C, P and Si with a total content of about 20 at.% [D. B. Miracle, D. V. Louzguine-Luzgin, L. V. Louzguina-Luzgina, A. Inoue. An assessment of binary metallic glasses: correlations between structure, glass forming ability and stability // International Materials Reviews. 2010. V. 55. P. 219–256].

Известен аморфный магнитомягкий сплав на основе Fe–Co–Ni [В.В. Маркин, Ж.Н. Мухаматдинов, Р.М. Гиндулин, Ф.М. Аверин, О.В. Смолякова, О.В. Хамитов, Патент РФ №2269173. 27.01.2006], полученный в виде ленты в процессе литья плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела и скоростной закалки. Состав сплава определяется формулой (Fe-Co-Ni)_аА_bL_cBa_e, где: А – аморфизирующие элементы: В, Si, Р, а L – легирующие элементы: V, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb, Мо, W, Bi, Cu, при следующем соотношении компонентов, ат.%: 12≤b≤22; 0≤с≤7; 0,1≤е≤0,8; а – остальное. Сплав быть использован в магнитопроводах, преобразующих электроэнергию устройств. Known amorphous soft magnetic alloy based on Fe–Co–Ni [V.V. Markin, Zh.N. Mukhamatdinov, R.M. Gindulin, F.M. Averin, O.V. Smolyakova, O.V. Khamitov, RF Patent No. 2269173. January 27, 2006], obtained in the form of a strip in the process of casting a flat melt flow onto the surface of a cooling body and high-speed hardening. The composition of the alloy is determined by the formula (Fe-Co-Ni) _a A _b L _c Ba _e , where: A - amorphizing elements: B, Si, P, and L - alloying elements: V, Cr, Mn, Ge, Zr, Nb, Mo, W, Bi, Cu, in the following ratio of components, at.%: 12≤b≤22; 0≤s≤7; 0.1≤e≤0.8; but other. The alloy can be used in magnetic circuits that convert electricity in devices.

Известен аморфный магнитомягкий сплав [У. Акири, Я. Ямада, Х. Хироюки, С. Йосида, А. Макино, Патент РФ №2483135. 27.05.2013], который имеет состав Fe_(100-X-Y-Z)B_XP_YCu_Z с аморфной фазой в качестве основной фазы, где 79≤(100-X-Y-Z)≤86 ат.%, 4≤Х≤13 ат. %, 1≤Y≤10 ат. % и 0,5≤Z≤1,5 ат.%. Сплав изготавливается в виде тонкой ленты и может быть использован в магнитопроводах трансформаторов, индукторов.Known amorphous soft magnetic alloy [U. Akiri, Ya. Yamada, H. Hiroyuki, S. Yoshida, A. Makino, RF Patent No. 2483135. 27.05.2013], which has the composition Fe _(100-XYZ) B _X P _Y Cu _Z with an amorphous phase as the main phase, where 79≤(100-XYZ)≤86 at.%, 4≤X≤13 at. %, 1≤Y≤10 at. % and 0.5≤Z≤1.5 at.%. The alloy is made in the form of a thin strip and can be used in the magnetic cores of transformers and inductors.

Известен сплав аморфный промышленный сплав на основе железа, производимый в виде тонкой ленты, содержащий медь, бор, ниобий и молибден [В.И. Кейлин, В.Я. Белозеров, Ю.Н. Стародубцев, Патент РФ № 2009257. 20.11.1991], состоящий из следующих ингредиентов: ат.% Cu – 0,5-2; Si – 12-18; B – 7-12; Nb – 2-4; Mo – 0,2-2; Fe – остальное.Known alloy is an amorphous industrial alloy based on iron, produced in the form of a thin tape containing copper, boron, niobium and molybdenum [V.I. Keilin, V.Ya. Belozerov, Yu.N. Starodubtsev, RF Patent No. 2009257. November 20, 1991], consisting of the following ingredients: at.% Cu - 0.5-2; Si - 12-18; B - 7-12; Nb - 2-4; Mo - 0.2-2; Fe is the rest.

Вышеперечисленные аморфные сплавы имеют следующие недостатки: 1) трудности с получением достаточно точных химических составов при выплавке, связанные с большим количеством элементов и их различными свойствами в расплавах; 2) экстремальные условия получения из расплава единственного возможного изделия в аморфном состоянии – тонкой ленты толщиной ~ 15–30 мкм; 3) низкую термическую стабильность: аморфное состояние сначала кристаллизуется, а затем рекристаллизуется при температурах ~ 400–650°C, безвозвратно утрачивая высокие магнитные свойства; 4) низкие значения магнитной индукции по сравнению с электротехническими сталями, заменителями которых они являются. Последнее связанно с высокой концентрацией (около 20 ат.%) «немагнитных» атомов, в основном аморфизаторов, в химическом составе сплавов.The above amorphous alloys have the following disadvantages: 1) difficulties in obtaining sufficiently accurate chemical compositions during smelting, associated with a large number of elements and their different properties in melts; 2) extreme conditions for obtaining from the melt the only possible product in the amorphous state - a thin ribbon with a thickness of ~ 15–30 μm; 3) low thermal stability: the amorphous state first crystallizes and then recrystallizes at temperatures of ~400–650°C, irreversibly losing its high magnetic properties; 4) low values of magnetic induction compared to electrical steels, which they are substitutes for. The latter is associated with a high concentration (about 20 at.%) of "non-magnetic" atoms, mainly amorphizers, in the chemical composition of the alloys.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран аморфный сплав системы Fe-Si-B [Ф.Е. Пащенко, В.С. Чернов, О.Г. Иванов, Патент РФ №2044352. 20.09.1995], который дополнительно содержит Zn и/или Al при следующем соотношении компонентов, ат.%: B – 11-16; Si – 4–8; Zn и/или – Al 0,5–5; Fe – остальное. Сплав может быть произведен в виде тонкой ленты, и использован в качестве магнитомягкого материала для производства изделий с линейной петлей гистерезиса, то есть в дросселях и трансформаторах. За исключением сравнительно простого химического состава сплав имеет все вышеперечисленные недостатки.As the closest analogue (prototype) selected amorphous alloy system Fe-Si-B [F.E. Pashchenko, V.S. Chernov, O.G. Ivanov, RF Patent No. 2044352. 20.09.1995], which additionally contains Zn and/or Al in the following ratio of components, at.%: B - 11-16; Si, 4–8; Zn and / or - Al 0.5–5; Fe is the rest. The alloy can be produced in the form of a thin strip, and used as a soft magnetic material for the production of products with a linear hysteresis loop, that is, in chokes and transformers. With the exception of a relatively simple chemical composition, the alloy has all of the above disadvantages.

Магний (Mg) является металлическим элементом, практически не растворяющимся ни в одном 3d-переходном металле во всем температурном интервале их существования, в частности ни в α- или γ-фазах железа. С кремнием магний образует химический комплекс Mg₂Si устойчивый в широком интервале температур. Исследования показали, что в системе Fe-Si, содержащей несколько атомных процентов Mg, в температурном интервале α↔γ-превращения возможно формирование комплексов Mg₂Si с их встраиванием в кристаллическую решетку твердого раствора Fe-Si с последующей его аморфизацией. Было также показано, что для аморфизации твердого раствора, состоящего из 100 атомов, достаточно двух комплексов Mg₂Si. Дальнейшие исследования показали, что сформированное в момент α↔γ-превращения (910–950°C) аморфное состояние сохраняется как при нагреве до 1100°C, так и при охлаждении до комнатных температур. Magnesium (Mg) is a metallic element that practically does not dissolve in any 3d-transition metal in the entire temperature range of their existence, in particular, neither in the α- or γ-phases of iron. With silicon, magnesium forms a chemical complex Mg ₂ Si stable over a wide temperature range. Studies have shown that in the Fe-Si system containing several atomic percent Mg, in the temperature range of α↔γ-transformation, it is possible to form Mg ₂ Si complexes with their incorporation into the crystal lattice of the Fe-Si solid solution with its subsequent amorphization. It was also shown that two Mg ₂ Si complexes are sufficient for the amorphization of a solid solution consisting of 100 atoms. Further studies showed that the amorphous state formed at the moment of the α↔γ transformation (910–950°C) is retained both upon heating to 1100°C and upon cooling to room temperature.

Разработанный сплав системы Fe-Mg-Si, где соотношение элементов имеет формулу Fe_96- _xSi_xMg₄ с аморфной фазой в качестве основной, где x в ат.% варьируется в пределах: 4≤x≤8, позволяет исключить проблему пониженных магнитных характеристик, вследствие минимального содержания неметаллических атомов в составе. Вторая задача, которую решает предлагаемый сплав – это термическая стабильность аморфного состояния, позволяющая обрабатывать материал в широком интервале температур, создавая изделия различных форм и размеров, в том числе «массивные» образцы. The developed alloy of the Fe-Mg-Si system, where the ratio of elements has the formula Fe _96- _x Si _x Mg ₄ with the amorphous phase as the main one, where x in at.% varies within: 4≤ x ≤8, allows eliminating the problem of low magnetic characteristics, due to the minimum content of non-metallic atoms in the composition. The second problem that the proposed alloy solves is the thermal stability of the amorphous state, which makes it possible to process the material in a wide temperature range, creating products of various shapes and sizes, including "massive" samples.

Данный сплав может быть получен любым известным способом получения металлических стекол, в частности скоростной закалкой из жидкого состояния. Сплав может использоваться в качестве материала для магнитопроводов трансформаторов, индукторов, дросселей и электродвигателей. This alloy can be obtained by any known method for producing metallic glasses, in particular by high-speed quenching from a liquid state. The alloy can be used as a material for magnetic cores of transformers, inductors, chokes and electric motors.

Пример 1. Изготавливали три сплава (№ 1, 2, 3; фигура), соответствующих формуле Fe_96- _xSi_xMg₄, в которых концентрация кремния составляла 4, 6 и 8 ат.%. Сплавы изготовлялись методом скоростной закалки из жидкого состояния в виде аморфных лент толщиной 20–22 мкм. Кроме этого, для сравнения, тем же методом были изготовлены сплавы Fe_86- _xSi_xB₁₃Zn₁ и Fe_86- _хSi_xB₁₃Al₁(№ 4 и № 5; фигура), в которых концентрация кремния составляла 6 ат.%, то есть x=6. Example 1 Three alloys were made (No. 1, 2, 3; figure) corresponding to the formula Fe _96- _x Si _x Mg ₄ , in which the silicon concentration was 4, 6 and 8 at.%. The alloys were prepared by rapid quenching from the liquid state in the form of amorphous ribbons 20–22 µm thick. In addition, for comparison, Fe _86- _x Si _x B ₁₃ Zn ₁ and Fe _86- _x Si _x B ₁₃ Al ₁ alloys (No. 4 and No. 5; figure), in which the silicon concentration was 6 at .%, i.e. x=6.

Измерения магнитных свойств изготовленных сплавов проводилось по стандартным методикам. Термостабильность сплавов оценивалась терморентгеновским методом в диапазоне температур от комнатной до 1100°C. На фигуре представлены характеристики и магнитные свойства нескольких сплавов: х – концентрация атомов кремния, N – концентрация «немагнитных» атомов, В₈₀₀(B₁₀)– магнитная индукция в поле напряженностью 800 А/м или 10 Эрстед; ΔT – интервал термической стабильности сплава. Из табл. 1 видно, что по сравнению с прототипом материал имеет более высокую магнитную индукцию, измеряемую в поле напряженностью 800 А/м (10 Эрстед), и сохраняет аморфную структуру до существенно более высоких температур. Measurements of the magnetic properties of the produced alloys were carried out according to standard methods. The thermal stability of the alloys was evaluated by the thermal X-ray method in the temperature range from room temperature to 1100°C. The figure shows the characteristics and magnetic properties of several alloys:X is the concentration of silicon atoms, N is the concentration of "non-magnetic" atoms, V₈₀₀(B₁₀)– magnetic induction in a field of 800 A/m or 10 Oersted; ΔT is the range of thermal stability of the alloy. From Table. 1 shows that, compared with the prototype, the material has a higher magnetic induction, measured in a field of 800 A/m (10 Oersted), and retains an amorphous structure to significantly higher temperatures.

Claims

An amorphous magnetic alloy based on the iron-silicon system, characterized in that it additionally contains magnesium in the following ratio of components, in at.%:

Iron - 88–92;

Magnesium - 4;

Silicon - 4–8.