НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

8. МАГНИТНЫЕ ЙЪ¥еРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Кубическую текстуру сумели получить также в тонких лентах с помощью вторичной рекристаллизации очень чистого кремнистого железа при отжиге в атмосфере с поверхностно-активными элементами (например, серой и кислородом). Примером такой атмосферы является водород с примесью HjS в узком интервале концентраций серы (2...5)-10~4 %. Сера является поверхностно-активным элементом, снижающим наиболее сильно поверхностную энергию тех зерен, которые выходят на поверхность материала кристаллографической плоскостью (100). При этом в зависимости от исходной текстуры (до отжига) может быть получена как кубическая текстура, так и плоскостная кубическая текстура, в которой плоскость ленты совпадает с плоскостью (100), а направления легкого намагничивания [001] расположены в плоскости ленты случайно. В случае плоскостной кубической текстуры (100)[0vw] магнитные свойства изотропны в плоскости прокатки и легко намагничивается по любому направлению. Удельные потери в стали с плоскостной кубической текстурой меньще по сравнению с нетекстурованной изотропной сталью. Поэтому по уровню свойств материал с плоскостной кубической текстурой представляет интерес как динамная сталь. Однако получение кубической текстуры при вторичной рекристаллизации за счет регулирования поверхностной энергии нельзя признать экономичным, поскольку оно требует высокой чистоты металла и строгого контроля за составом атмосферы отжига, многократных холодньгх прокаток и высокотемпературных промежуточных отжигов.

Поиск способов более экономичного формирования кубической текстуры проводят также, используя отжиг электротехнических сталей под напряжением.

Повыщения магнитных свойств (прежде всего, уменьщения магнитных потерь) электротехнических сталей можно добиться путем формирования особого состояния поверхностного слоя. Для этого используют специальные покрытия, создающие улучшающее магнитные свойства напряженное состояние в поверхностных слоях материала. Применяют лазерную и электроннолучевую обработку.

Использование закалки из жидкого состояния

С созданием технологии закалки металлического расплава на быст-ровращающийся валок внимание исследователей вновь обратилось к электротехнической стали с 6,5 % Si - материала с нулевой магнито-стрикцией, пониженным значением .j и высоким удельным электросопротивлением, привлекательного для использования при изготовлении

сердечников высокочастотных трансформаторов и в то же время, казалось бы, малоперспективного из-за повыщенной хрупкости и связанных с этим трудностей изготовления тонких лент по традиционной технологии. Но соверщенно новый метод получения ленты конечной толщины ~ 0,2...0,3 мм непосредственно из расплава позволяет избежать многочисленных прокаток с промежуточными отжигами, что внушает надежду на перспективы быстрозакаленной электротехнической стали. Применение метода сверхбыстрой закалки позволило не только получить в промышленном масштабе ленты из сплава Fe-6,5 % Si, но и значительно повысить их технологическую пластичность благодаря малому размеру зерен (5... 10 мкм). В результате быстрозакаленные ленты высококремнистой электротехнической стали, находящиеся в микрокристаллическом состоянии, удается подвергать холодной прокатке, резке, штамповке, т. е. наиболее простым способом создавать изделия нужных размеров и формы.

В настоящее время в индустриально развитых странах освоена технология получения в широких масштабах микрокристаллических сплавов Fe-Si, содержащих более 4 % (масс.) Si, в виде тонкой ленты (вплоть до толщины 15...20 мкм) и листов, получаемых методом закалки из расплава. В микрокристаллическом состоянии эти сплавы обладают высокой технологической пластичностью - они вьщерживают без разрушения загиб до 180° на оправке диаметром 1...2мм. В результате быстрозакаленные электротехнические стали могут подвергаться холодной прокатке и другим механическим воздействиям. Например, лента сплава Fe-4,5 % Si шириной 100 мм и толщиной 0,28 мм, полученная закалкой из расплава по двухвалковой технологии, может без каких-либо трудностей подвергаться холодной прокатке до 0,06 мм.

Методом закалки из расплава получены также микрокристаллические электротехнические стали, легированные алюминием, с суммарным содержанием Si и А1 до 6,5 % (масс). Введение до 1,5 %А1 дополнительно улучшает технологическую пластичность микрокристаллических сплавов Fe-Si, причем их пластичность не ухудшается и после отжига до температур 1000 °С.

Весьма высокими (после высокотемпературного рекристаллизационно-го отжига в вакууме при 1150...1250 °С в течение 1...2ч) оказались магнитные свойства быстрозакаленньгх электротехнических сталей. При отжиге происходит релаксация закалочных дефектов, увеличивается размер зерен до 1,5...2 мм, формируется (усиливается) плоскостная кубическая текстура. Вследствие протекания этих процессов коэрцитивная

35 - 6928

сила и потери на перемагничивание падают, а максимальная проницаемость возрастает. В сплаве Fe-6,5 % Si, полученном закалкой из расплава и отожженном при 1200 °С, индукция в поле 160 А/м равна 1,3 Тл, коэрцитивная сила имеет значение всего 4,4 А/м (55 мЭ), а величина потерь при частоте 1 кГц составляет примерно 1/3 от потерь в лучших марках анизотропной холоднокатаной стали с 3 % Si.

В быстрозакаленной электротехнической стали может быть создана острая ребровая текстура (110)[001]. Для этого после закалки из расплава ленту подвергают холодной прокатке для формирования начальной текстуры деформации. Большое значение имеет режим холодной прокатки. Путем высокоскоростной деформации с большими обжатиями за каждый проход (е > 30 %) и суммарным обжатием выше 70 % формируется текстура деформации с острой преимущественной компонентой (111)[112]. Затем проводится высокотемпературный рекристаллизацион-ный отжиг в вакууме при 1150°С, приводящий в результате избирательного роста зерен (вторичной рекристаллизации) к формированию острой ребровой текстуры (110)[001]. В сплаве Fe-4,5 % Si такая обработка обеспечивает чрезвычайно острую ребровую текстуру (с рассеянием всего 1,5°) и превосходные магнитные свойства. Ленты с толщиной 0,06 мм имеют индукцию в поле 640 А/м Bq= 1,86 Тл, коэрцитивную силу jH = 2,4 А/м (30 мЭ), потери на перемагничивание Р, 25/50 = 0,22 Вт/кг, Л,5/50~ Вт/кг, 7/50= 0,51 Вт/кг. Для сравнения укажем, что наилучшая промышленная анизотропная электротехническая сталь с совершенной ребровой текстурой имеет большие потери: Pj 3/50 = 0,33 Вт/кг (для ленты толщиной 0,04 мм).

Прецизионные магнитомягкие сплавы

По объему производства прецизионные сплавы значительно уступают электротехническим сталям, однако области их применения гораздо разнообразнее. Об этом разнообразии дает представление табл. 8.10, в которой представлено сложившееся в настоящее время разделение магнитомягких сплавов по основным свойствам и назначению на 7 групп.

Магнитомягкие железоникелевые сплавы

Лидерами по величине магнитной проницаемости [i являются железоникелевые сплавы с 45...83 % Ni (пермаллои), состоящие из у-твердого раствора замещения с ГЦК решеткой. При = 72...83 % Ni (высокони-

о i-

8-

о о п

2 о.

§

ю т i

ai в

S s I а

S о. JO

? о i

a s g E

и I- z

ОС ОС

II й II

X I X I

ON о -

r- ОС ОС ОС

1§

: S S а.

J о. 5

Ё э §

i 5 I

и и с

ё I g

S та

I S О &

s-s a:

1=; о , о о о

a:

-op

С С E 3 s Ш s S

Ci- It 11 й

ON О

5 VI

о in

. с g с

..С С CIS x 2

с S S S 2

X 3: X X X 33 X

о 00 CTn 2 lj=> ЧО t-

ЬМ ) н

§ ё

S 5

S S I I

S ? X у 3

g а р i -

S ш

ы S

0 & X

1 X 1 S 3

ё. 3 р

S Е S i 1

о as ё 3 л

О S S 3 S

>< е i %

f-. C C7v

rN

келевые пермаллои) константа магнитокристаллической анизотропии А, и магнитострикция насыщения обращаются в ноль, что соответствует условию наиболее легкого перемагничивания материала и наивысшего значения проницаемости. Эта область составов близка к составу сверхструктуры Ni3Fe, которая образуется в пермаллоях при медленном охлаждении. Но упорядочение атомов разного сорта, приводящее к формированию сверхструктуры, изменяет величину внутреннего кристаллического поля и, как следствие, резко изменяет константу магнитокристалгшчес-кой анизотропии. Из-за этого магнитная проницаемость также резко падает. Поэтому при получении наибольших значений проницаемости приходится для каждого сплава подбирать оптимальную скорость охлаждения от температур выше температуры упорядочения (температуры Курнакова). Добавляя в состав сплава такие легирующие элементы, как Мо или Сг, можно замедлить процесс образования сверхструктуры и упростить термическую обработку, а также существенно повысить удельное электрическое сопротивление, что важно для использования материала при повышенньгх частотах.

Дополнительную сложность представляет наличие в пермаллоях, кроме изотропного упорядочения, еще одного процесса упорядочения -направленного. Направленное упорядочение заключается в локальной перестройке под действием внутреннего магнитного поля атомной структуры твердого раствора путем перемещения атомов на малые расстояния. При направленном упорядочении энергия системы понижается из-за расположения одноосных дефектов (например, пары атомов Ре-Ni) вдоль направления внутреннего магнитного поля (вектора спонтанной намагниченности М). Процесс направленного упорядочения происходит при температурах ниже точки Кюри и в пермаллоях стремится выстроить все пары Fe-Ni в одном направлении, заданном спонтанной намагниченностью.

Для высоконикелевых пермаллоев роль направленного упорядочения не слишком велика из-за доминирования изотропного упорядочения, но для средненикелевых пермаллоев с 64...68 % Ni, имеющих наибольшую температуру Кюри (580...600 °С), это главный процесс в формировании магнитных свойств. На практике его используют, применяя термомаг-нит1{ую обработку - отжиг в магнитном поле. В результате приложения достаточно большого внешнего магнитного поля все векторы намагниченности Mg ориентируются в одном направлении и отжиг приводит к наведению магнитной анизотропии с осью легкого намагничивания вдоль направления поля. После такой обработки петля гистерезиса материала