Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами: Учебник для вузов

Кекало И. Б., Самарин Б. А..

Металлургия, 1989 г.

Влияние молибдена, хрома и меди на магнитные свойства и термическую обработку железоникелевых сплавов

Двойные железоникелевые сплавы обладают низким удельным электросопротивлением, что приводит к повышенным потерям при перемагничивании их в переменных магнитных полях. Поэтому первоначальная цель легирования этих сплавов заключалась в увеличении их электросопротивления. По мере развития магнитно-мягких материалов было исследовано влияние целого ряда элементов на свойства железоникелевых сплавов. Наибольший интерес в качестве легирующих элементов представляет собой молибден, хром, медь, кремний, алюминий и кобальт. Как показали многочисленные исследования, эти легирующие элементы не только повысили удельное электросопротивление железоникелевых сплавов, но повысили также их магнитные характеристики, в значительной степени упростили их термообработку и позволили создать целый ряд сплавов, обладающих особым сочетанием магнитных свойств (перминвары, изопермы, сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса). Учитывая большой теоретический и практический интерес, влияние легирующих элементов на свойства и структуру сплавов следует рассмотреть более подробно.

Сплавы железо-никель-молибден. На рис. 138 представлена диаграмма фазового равновесия железо-никель-молибден. До 10—13% молибден образует с железоникелевыми сплавами твердые растворы, которые остаются еще ферромагнитными при комнатной температуре (рис. 139, а). Образуя твердые растворы с железоникелевыми сплавами, молибден в 2—4 раза увеличивает их электросопротивление (рис. 139, б) и снижает намагниченность насыщения (рис. 139, в). Таким образом, содержание молибдена в железоникелевых сплавах не должно превышать 6-8%.

Однако, основное положительное влияние молибдена оказалось в существенном упрощении термической обработки сплавов (рис. 140). При содержании молибдена менее 2,5% в результате двойной обработки сплавы приобретают лучшие свойства, однако, при большем содержании молибдена лучшей термообработкой оказывается охлаждение с печью (1 —1,5°С/мин). При этом наибольшая величина проницаемости достигается на сплаве с 4% молибдена. В дальнейшем было выяснено, что проницаемость сплава с 4% молибдена значительно возрастает, если охлаждать его с некоторой средней скоростью, большей, чем скорость при охлаждении с печью, и меньшей, чем при

двойной обработке. Причем оказалось, что оптимальная скорость существенно зависит от содержания в сплаве никеля (рис. 141, а). Для сплава с 79% никеля и 3,8—4% молибдена эта скорость составляла 30—40°С/мин.

Дальнейшее совершенствование сплавов заключалось в определении влияния никеля на магнитные свойства сплавов с 3,8—4% молибдена, подвергнутых оптимальной обработке. Влияние содержания никеля на начальную проницаемость сплавов после охлаждения их с оптимальной скоростью показано на рис. 141, б. Видно, что оптимальным содержанием никеля в сплавах является 79—79,5%. Аналогичные опыты были проделаны для серии сплавов с 79% никеля и различным содержанием молибдена (до 6%). Было обнаружено, что с увеличением содержания молибдена оптимальная скорость охлаждения сплавов уменьшается. Так, например, для сплавов 78Н (без молибдена) оптимальной скоростью охлаждения является 1000— 1500°С/мин, для сплава с 4% молибдена — 30—40°С/мин, а при 5% молибдена 1 — 1,5°С/мин. Одновременно с этим происходит резкое возрастание магнитной проницаемости, что привело к созданию известного сплава супермаллой, содержащего 79% никеля, 5% молибдена, 0,5% марганца и 15% железа.

Сплавы типа супермаллой обладают наиболее высокими магнитными свойствами среди изотропных магнитно-мягких материалов (табл. 4 *). Однако, чтобы достичь этих свойств, требуется прецизионная технология их получения. Эта технология включает вакуумную индукционную плавку, разливку в инертной атмосфере, отжиг изделий при температуре 1300°С в чистом сухом водороде и, наконец, охлаждение с оптимальной скоростью в интервале температур 600—300 °С (т. е. в интервале, где происходит упорядочение твердого раствора).

Обладая высокими магнитными свойствами, эти сплавы не лишены некоторых недостатков. Во-первых, сплавы очень чувствительны к режимам термообработки, что требует ее корректировки для каждой плавки. Во-вторых, высокие значения максимальной и начальной проницаемости не удаются получать на тонких лентах (при толщине 0,025 мм начальная и максимальная проницаемость соответственно равны 70000 и 250000). В-третьих, сплавы очень чувствительны к внешним механическим воздействиям.

Следует отметить еще одну особенность как супермаллоя, так и других магнитномягких сплавов, в которых возможно протекание процессов упорядочения. Зависимость проницаемости от скорости охлаждения связана с образованием сверхструктуры. Только при определенной степени порядка константы магнитострикции и магнитной кристаллографической анизотропии стремятся к нулю, обеспечивая высокую проницаемость сплавов. Степень порядка и скорость упорядочения очень сильно зависят от температуры. Поэтому к оптимальному состоянию можно подойти двумя путями: или посредством охлаждения с критической скоростью в интервале температур 600— 300°С, или путем охлаждения до некоторой критической температуры, выдержки при этой температуре определенное время и последующего быстрого охлаждения до комнатной температуры. Такой критической температуры для сплава супермаллой является температура 480°С, отпуск при которой, обеспечивая среднюю Степень упорядочения в течение 2 ч, позволяет получить такие высокие значения проницаемости, как и после охлаждения с критической скоростью (рис. 142). Этот эффект связан с возникновением локального упорядочения в сплавах на основе железо-никель при их дополнительном легировании молибденом.

Итак, легирование железоникелевых сплавов молибденом позволило существенно улучшить их магнитные и электрические свойства, а также снизить критические скорости их охлаждения. Основные железоникелевые сплавы, легированные молибденом, и их свойства представлены в табл. 4. сплавы 1—3 среди изотропных сплавов обладают самой высокой максимальной проницаемостью, что связано с положительным влиянием молибдена. сплавы 4—6, подвергнутые термомагнитной обработке, обладают высокой прямоугольностью петли гистерезиса. Эти сплавы легированы меньшим количеством молибдена, чем сплавы с высоким содержанием никеля. сплавы с низким содержанием никеля (45—50%), легированные молибденом, в настоящее время практического значения не имеют.

Сплав 79НМ характеризуется сочетанием высоких значений начальной и максимальной магнитной проницаемости, которые достигаются в результате ускоренного охлаждения (400—500°С/ч) при температурах ниже 600 °С. На основе этого сплава созданы материалы, которые используются в виде ленты микронной толщины с прямоугольной петлей гистерезиса.

Сплав 81НМА характеризуется наивысшей магнитной проницаемостью в слабых полях. Благодаря близкой к нулю (менее 0,3-Ю-6) магнитострикции насыщения сплав обладает повышенной стабильностью к механическим напряжениям. Наивысший уровень магнитных свойств достигается после высокотемпературного отжига при температуре 1100°С (который может заменяться также отжигом при пониженных температурах 700—850 °С) и заключительной термообработки в вакууме с остаточным давлением не более Ю-2 Па. При заключительной термообработке скорость охлаждения в интервале температур 600— 400 °С не должна быть менее 400°С/ч.

Сплав 68НМП обладает прямоугольной петлей гистерезиса благодаря наличию в нем магнитной текстуры. Магнитная текстура создается в процессе заключительной термомагнитной обработки в продольном магнитном поле напряженностью не менее 800 А/м при температуре 600 °С в течение 0,5—4 ч с последующим охлаждением до 200 °С со скоростью 25—100°С/ч (магнитное поле при охлаждении не выключается).

Магнитные характеристики сплава 6 получены на ленте толщиной 0,1 мм после вакуумной индукционной плавки. Образцы подвергались отжигу в сухом водороде при;

1200°С 4 ч с последующим повторным нагревом до 600 °С и охлаждением в продольном магнитном поле напряженностью 950—1200 А/м. Столь уникальные магнитные характеристики связывают с рафинирующим влиянием германия, который снижает растворимость азота и кислорода в металле и уменьшает содержание углерода до 0,005%.

Для сравнения в табл. 4 приведены также свойства двух зарубежных сплавов с высоким и средним содержанием никеля (супермаллой и динамакса).

Сплавы железо-никель-хром. диаграмма фазового равновесия железо-никель-хром представлена на рис. 143.. Хром оказывает аналогичные молибдену влияние на фазовое равновесие железоникелевых сплавов: имеется довольно широкая область (до 30% хрома) однофазного твердого раствора на основе никеля с решеткой г.ц.к., в которой могут находиться магнитномягкие сплавы. Образуя твердые растворы с железоникелевыми сплавами, хром, также как и молибден, существенно снижает температуру Кюри и намагниченность насыщения железоникелевых сплавов (рис. 144 и 145, а), но при этом значительно увеличивает электросопротивление до 1,00 мкОм-м при 10% хрома. Второе достоинство хрома заключается в упрощении термообработки сплавов, что можно проследить по кривым начальной проницаемости (рис. 145, б), полученным на сплавах после термообработки с различной скоростью охлаждения. При содержании хрома 3—3,2% оба способа обработки дают одинаковую проницаемость. При содержании хрома 3,8—4% начальная проницаемость составляет около 13000, но для ее достижения сплав с 3,8% хрома должен подвергаться более простой термообработке, чем 78%-ный пермаллой. Из хромосодержащих сплавов, наибольшее распространение получили два сплава, свойства которых приведены ниже. Основное достоинство сплавов, содержащих хром, заключается в более высоком (в 1,5 раза выше, чем у сплавов с молибденом) удельном электросопротивлении. Сплав. 50НХС характеризуется высокой магнитной проницаемостью, повышенным удельным электросопротивлением, низкими значениями остаточной индукции (0,4—0,5 Тл) и. удельными потерями на перемагничивание (например, при частоте 400 Гц и индукции 0,8 Тл удельные потери составляют 4,0 Вт/кг). Для получения нормируемых свойств рекомендуется отжиг сплава 50НХС при температуре 1225± ±25°С в течение 3—6 ч в вакууме и охлаждение до 400— 500 °С со скоростью не более 200°С/ч и далее до 200 °С не менее 400°С/ч. Сплав применяется для изготовления магнитных сердечников, работающих в импульсных режимах намагничивания.

Сплав 80НХС характеризуется сочетанием высокой начальной и максимальной проницаемостью и повышенным удельным электросопротивлением. Для получения нормируемых свойств рекомендуется отжиг при температуре 1125±25°С в течение 3—6 ч с последующим охлаждением до 600 °С со скоростью не более 200°С/ч и далее до200°С со скоростью не менее 400°С/ч. Сплав применяется для изготовления сердечников, работающих до частот 10 кГц.

Сплавы железо—никель—медь. На рис. 146, а показана диаграмма фазового равновесия сплавов железо-никель-медь при комнатной температуре, полученная после медленного охлаждения. Однофазная структура, представляющая собой у-фазу с ГЦК-решеткой, распространяется на область от 35 до 100% никеля по оси железо—никель и на всю область медно-никелевых сплавов. В центральной части диаграммы видна область существования двух у-фаз, к одной из которых относятся сплавы с высоким содержанием меди, а к другой — сплавы с высоким содержанием железа и никеля.

Сплавы железа с никелем и медью стали использоваться как магнитно-мягкие материалы после изобретения муметалла, который содержал первоначально около 5% меди и 75% никеля. В этой диаграмме представляют интерес 4 группы прецизионных сплавов: медистые пермаллои, содержащие 70—80% никеля; изопермы с 40—50% никеля и несколькими процентами меди; термомагнитные сплавы (термаллои), содержащие 58—63% никеля, 2% железа, остальное медь, магнитные свойства которых обладают сильной температурной зависимостью, и, наконец, сплавы, в состав которых входит около 30% никеля и 60% меди, и они обладают способностью к дисперсионному твердению и относятся к магнитно-твердым материалам (кунифе).

Наличие меди в железоникелевых сплавах приводит к изменению их магнитных свойств. На рис. 146,6 показаны линии равной начальной проницаемости сплавов железо-никель-медь после закалки на воздухе с 625 °С: сплавы с наибольшими значениями начальной проницаемости располагаются на так называемой «хребтовой» линии, которая идет от 80% никеля (в двойной железоникелевой системе) к 45% никеля и 50% меди. Сплавы, лежащие на этой «хребтовой» линии, обладают магнитострикцией насыщения близкой к нулю. Следует иметь в виду, что увеличение меди до 50% в железоникелевых сплавах приводит к снижению температуры Кюри и индукции насыщения вдоль «хребтовой» линии от 550 до 0 °С и от 1,1 Тл до нуля соответственно, что ограничивает содержание меди в сплавах не более 15—20%. В качестве положительного влияния меди на свойства сплавов железо-никель следует отметить их повышенную пластичность, что позволяет использовать сплавы с медью в виде тонкой ленты при работе сердечников при высоких частотах (до 105—108 Гц).

Особенно существенное влияние оказывает медь на термическую обработку сплавов. На рис. 147 показано влияние термической обработки на магнитную проницаемость тройных сплавов, расположенных на «хребтовой» линии. .Двойная термообработка включает нагрев образцов до температуры 900 °С и выдержку их при этой температуре в сухом водороде в течение 1 ч, а затем закалку на воздухе с температуры 600°С; охлаждение с печью предполагает медленное охлаждение со скоростью 1—1,5°С/мин после отжига в сухом водороде при 1100°С в течение 2 ч.

Наибольшая величина начальной проницаемости около 12000 достигается как при одном, так и при другом виде термообработки. Оптимальным содержанием меди является 14 и 25%, однако при высоком содержании меди очень сильно снижается индукция насыщения. Таким образом, содержание меди в этих сплавах не превышает 14%. Тройные сплавы железо-никель-медь с высокой проницаемостью не применяются, они, как правило, дополнительно легированы молибденом или хромом для повышения удельного электросопротивления. Первыми сплавами, содержащими медь, были муметалл, сплав 1040 и другие. В настоящее время разработано большое количество улучшенных сплавов, некоторые из них представлены в табл. 5. По своим магнитным свойствам эти сплавы приближаются к сплаву 79НМ, но в отличие от последнего обладают более высокой пластичностью, в результате чего они применяются в виде тонкой ленты толщиной 0,02—