Спосіб магнітної обробки виробів з аморфних металевих сплавів

Реферат: Спосіб магнітної обробки виробів з аморфних металевих сплавів включає витримування сплаву у магнітному полі. Використовують змінне магнітне поле напруженістю 430 мТл, частотою =50 Гц упродовж (180±10) хв при кімнатній температурі. UA 121293 U (12) UA 121293 U UA 121293 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізико-хімічної галузі і може бути використана для регулювання стабільності питомого електроопору магніточутливих аморфних металевих сплавів, які застосовуються у приладобудуванні та електро- і радіотехніці. Відомий спосіб зміни електроопору дестабілізацією доменних структур під час відпалу у високочастотному (ВЧ) магнітному полі різної тривалості [L. Bednarska, Ya. Galadzun, Yu. Gorelenko, Μ. Kovbuz, В. Kotur. Influence of anneling on the physical and chemical properties of FeSi-B-(Me) amourphous alloys // J. Alloys and Сотр. - 2004. - Vol. 367. - P. 270-273; A.A. Glezer, V.V. Shulika, A.P. Potapov, Destabilizing Domain Structure of Amourphous Alloys using Magnetic Anneling in High-Frequency Field // Dokl. Acad. Nauk Ru. - 1992. - Vol. 324 (6). - P. 1191-1193]. Цей спосіб вимагає застосування складного обладнання і внаслідок сумісної дії процесу охолодження розплаву і ВЧ магнітного поля призводить до утворення нових метастабільних у часі структур. Відомий спосіб зміни фізико-хімічних властивостей, у тому числі електроопору, за регулювання ступеню кристалізації аморфних металевих сплавів підчас отвердівання розплаву за одночасної дії магнітного поля [Kapcewicz Michael. Crystallization of amourphous alloys induced by the radio frequency magnetic field // J. Appl. Phys. - 2008. - Vol. 103. - P. 717-725]. Однак, внаслідок впливу магнітного поля під час охолодження формуються нові впорядковані структури, що суттєво впливає на фізичні властивості аморфного сплаву. Відомий спосіб зміни електроопору за впливу високочастотних (ВЧ) магнітних полів на структурні характеристики сплавів, що призводить до перемагнічування зразків Co2(Cr, Fe)Al і Co2FeSi. [К. Inomata, S. Okamura, A.M. Yazaki, M.K. Kushi, N. Tezuka and al. Structural and magnetic properties and tunnel magnetoresistace for Co2(Cr, Fe)Al і Co2FeSi // J. Phys. D. - 2006. Vol. 39. - P. 816-823]. Однак, така модифікація аморфних магнітом'яких провідників не призводить до стабілізації транспорту електронів в електричному полі. Відомий спосіб зміни фізичних властивостей аморфних сплавів термомагнітною обробкою [Патент України № 78903. Спосіб термомагнітної обробки аморфної стрічки / Гіржон В.В., Смоляков А.В., опубл. 25.04.2007, бюл. № 5], за яким стрічку аморфного металевого сплаву -3 нагрівали імпульсним рубіновим лазером з тривалістю імпульсу 410 с, а магнітне поле створювали постійними магнітами. Однак, термомагнітні способи обробки сплавів призводять до зміни магнітних властивостей сплавів. Найближчим за технічною суттю - прототипом - є спосіб зміни електроопору шляхом зміни структурного стану аморфного сплаву. Аморфний сплав Fe70Ni8Si10B12 у вигляді стрічки витримують при 350 °C одну годину у постійному (4 кА/м), прикладеному паралельно до виробу, і після цього у змінному (350 кА/м) магнітних полях [A. Bienkowski, J. Salach, R. Kolano, The Magnetoelastic Characteristics of Fe70Ni8Si10B12 Amourphous Alloy, Subjected to Thermomagnetic Treatment // Acta Phys. Polonica A. - 2008. - Vol. 113. – N 1. - P. 87-90]. Недоліком цього способу є необхідність нагріву аморфних зразків до високих температур і використання постійного та змінного магнітних полів. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб магнітної обробки виробів з аморфних металевих сплавів шляхом витримування їх у змінному магнітному полі при нескладному інструментальному забезпеченні цього процесу, що дасть змогу стабілізувати електричний опір і збільшити тривалість їхнього використання. Поставлена задача вирішується у способі магнітної обробки виробів з аморфних металевих сплавів, за яким сплав витримують у магнітному полі, згідно з корисною моделлю, використовують змінне магнітне поле напруженістю 430 мТл, частотою 50 Гц тривалістю (180±10) хв при кімнатній температурі. Суттєвими відмінностями від прототипу є: - готові вироби з аморфних металевих сплавів не піддають нагріву при 350 °C; - готові зразки виробів з аморфних металевих сплавів не піддають попередній дії постійного магнітного поля; - модифікація зразків проводиться тільки у змінному магнітному полі (430 мТл, 50 Гц) при кімнатній температурі. З літературних джерел [Патент України № 94178. Спосіб магнітної обробки виробів з магнітоупорядкованих металевих сплавів / Неклюдов І.Μ., Ажажа В.М., Соколенко В.І. та інш. Опубл. 11.04.2011, бюл. № 7] відоме використання магнітної обробки для зміни властивостей металевих сплавів. Цей спосіб передбачає обробку змінним магнітним полем, напруженістю H>0,1Hs (Hs - напруженість поля, яка відповідає максимальному значенню магнітострикції), за температури, яка не перевищує температуру руйнування магнітоупорядкованої структури. 1 UA 121293 U 5 10 15 20 25 30 35 Авторами запропоновано використати для магнітної обробки змінне магнітне поле (430 мТл, 50 Гц) при кімнатній температурі, що дає змогу стабілізувати електроопір виробів з аморфних металевих сплавів. Для всіх аморфних сплавів незалежно від компонентного складу характерна висока міцність, питомий електроопір і підвищена тривкість до дії магнітних полів. Аморфні сплави є магнітом'якими матеріалами з гістерезисними властивостями, близькими до кращих кристалічних матеріалів. Однак, температурно-часова нестабільність магнітних властивостей зумовлених структуруванням аморфного стану, визначає електричні параметри аморфних сплавів. Це вимагає пошуку умов стабілізації їх властивостей без суттєвих порушень структури. Фіг. 1. ДТА - залежності температури першої стадії нанокристалізації (І) і другої стадії кристалізації (II) зразків стрічкового сплаву Fe82,0Gd2,0Nb2,0B14,0 (1) та після експозиції у ЗМП (430 мТл, 50 Гц) тривалістю, год.: 0,5 (2); 1,5(3); 3,5 (4); 10,0 (5). Фіг 2. Значення питомого електроопору контактного (1, 2) і зовнішнього (1', 2') боків стрічки АМС за різної тривалості експозиції у ЗМП (430 мТл, 50 Гц): Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4 (1, 1') та Fe60Co7Cr4V2W 1Nb1B20C2Si2 (2,2'). Фіг. 3. Значення питомого електроопору стрічок аморфних сплавів Fe82Gd2Nb2B14 (1), Fe55Ni8Co6Mo4Cr2V1Al2P9C6B5Si2 (2), Fe78,5Ni1,0Mo0,5Si6,0B14,0 (3), Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4 (4), Fe60Co7Cr4V2W 1Nb1B20C2Si2 (5) за різної тривалості експозиції у ЗМП (430 мТл, 50 Гц). Корисна модель ілюструється наступними прикладами. Для оцінки впливу змінного магнітного поля використовують спеціально сконструйовану установку, в спеціальну комірку якої розміщують зразки аморфних металевих сплавів. Потім електричний опір модифікованих зразків вимірюють за чотирьохточковою схемою [Е.В. Шляховер, A study of amorphous metall's electrical properties [Електронний ресурс], Режим доступу: http://samlib.ru/s/shljahower_e_w/verforsi.shtml]. Приклад 1 Досліджують вплив змінного магнітного поля (ЗМП) різної частоти на хімічну активність поверхні стрічкових виробів з аморфних металевих сплавів різного компонентного складу. Вміст феруму визначають за рентгенівським мікроаналізом. Внаслідок зміни частоти ЗМП від 30 до 80 Гц після одногодинної експозиції зразків аморфних стрічок простежують найвищий приріст вмісту феруму у поверхневих шарах при частоті ν=50 Гц незалежно від елементної композиції сплавів. Така частота ЗМП є достатньою для часткового руйнування поверхневих оксидів і міграції вільних об'ємів з маси зразка сплаву до поверхні. За наявності хрому, що утворює поверхневі сітчасті оксиди максимальний вміст феруму на поверхні досягається при ν=60 Гц (таблиця 1). Таблиця 1 Вміст Fe (%, ваг.) на поверхні стрічкових зразків аморфних металевих сплавів після одногодинної експозиції у змінному магнітному полі, визначений рентгеноспектральним мікроаналізом Сплав Fe80,0Si6,0Bi4,0 Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4 Fe60,0Co7,0Cr4,0V2,0W 1,0Nb2,0B20,0C2,0Si2,0 Fe82,0Gd2,0Nb2,0B14,0 40 45 0 80,0 73,0 60,0 82,0 30 80,2 73,2 60,3 82,2 40 80,5 74,3 60,9 83,0 ν, Гц 50 81,3 74,9 61,8 84,3 60 80,0 74,5 62,3 82,8 70 79,8 72,1 62,0 80,4 80 79,5 62,1 Приклад 2 Оцінку впливу тривалості експозиції ЗМП на структурний стан аморфних сплавів проводять за диференційним термічним аналізом (ДТА). Попередньо встановлюють зміщення температурних меж нанокристалізації від швидкості нагріву зразка. Для тестування структурного стану зразків аморфних сплавів після обробки магнітним полем вибирають швидкість нагріву 5 K/хв. На фіг. 1 - ДТА - залежності температури першої стадії нанокристалізації (І) та другої стадії кристалізації (II) зразків стрічкового сплаву Fe82,0Gd2,0Nb2,0Bi4,0 за різної тривалості експозиції у ЗМП (430 мТл, 50 Гц). Витримування зразка 0,5-1,5 год. максимально сприяє нанокристалізаційному процесу в аморфній матриці. Температура піку нанокристалізації (І стадія) при цьому не зміщується, а температура піку II стадії до 3,5 год. витримки у ЗМП 2 UA 121293 U 5 10 15 20 25 30 35 знижується на 20 K, а внаслідок збільшення тривалості експозиції знову підвищується. Тц вихідного зразка 996,4 K, а після 3,5 год. у ЗМП - 1016,7 K. Експозиція зразків аморфних металевих сплавів у ЗМП до 10 год. не змінює наноструктурного стану. Приклад 3 Згідно з технологією виготовлення стрічкової форми аморфних металевих сплавів миттєвим 6 охолодженням розплаву (10 K/с) розрізняють контактний (к) бік стрічки, що у процесі охолодження безпосередньо стикається з охолоджуючим елементом і зовнішній (з) бік. На фіг. 2 наведені залежності питомого опору (р) зовнішнього та контактного боків стрічки аморфних сплавів. Після 3-ох годинної експозиції у ЗМП різниця питомих опорів зовнішнього і контактного боків більша у сплаву Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4, де утворюється підчас затвердівання щільніший оксидний шар, що зумовлює більшу різницю опорів зовнішнього і контактного боків. У випадку сплаву з додатком хрому Fe60,0Co7,0Cr4,0V2,0W 1,0Nb2,0B20,0C2,0Si2,0 різниця опорів обох боків стрічки є меншою, що засвідчує повільніше формування оксидного шару на зовнішній поверхні. Приклад 4 Для дальшого дослідження впливу тривалості експозиції на питомий опір контактного боку різнолегованих багатокомпонентних зразків стрічок аморфних сплавів вибрано частоту ЗМП ν=50 Гц і різну тривалість дії на зразок (фіг. 3). Найвищий питомий електричний опір простежують у зразка із 1 ваг. % Сu, який зростає від 0,44 мкОмсм вихідного зразка до 0,55 мкОмсм намагнічуваного упродовж 3 год. Плавне підвищення питомого опору вихідних зразків Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4 та Fe60Co7Cr4V2W 1Nb1B20C2Si2 і витриманих 3 год. у ЗМП підтверджує наявність на їх поверхні утворених щільних оксидів. У зразків Fe82Gd2Nb2B14, Fe55Ni8Co6Mo4Cr2V1Al2P9C6B5Si2, Fe78,5Ni1,0Mo0,5Si6,0Bi4,0 питомий опір збільшується упродовж 1 год. експозиції у ЗМП і відразу стабілізується (фіг. 3). Приклад 5 Після довготривалого проходження електричного струму через зразки стрічкових аморфних сплавів вони стають крихкими, що є ознакою кристалізації. Кристалізація зумовлює зниження опору, а у випадку аморфних провідників опір не знижується, що є вагомою їхньою перевагою (табл. 2). Упродовж довготривалого (75 год.) проходження електричного струму (1 мА) через стрічкові вироби аморфних сплавів питомий опір дещо підвищується, що зумовлено частинним окисненням поверхні на повітрі під час експерименту. Найменша зміна опору під час проходження струму простежується у випадку сплавів Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4 та Fe60Co7Cr4V2W 1Nb1B20C2Si2. Сплав, що містить Сu і Nb легко окиснюється за рахунок легування міддю, а наявність ніобію протидіє кристалізації. Таблиця 2 Питомий опір (ρ, мкОмсм) зразків аморфних сплавів Fe82Gd2Nb2B14 (1), Fe55Ni8Co6Mo4Cr2V1Al2P9C6B5Si2 (2), Fe78,5Ni1,0Mo0,5Si6,0Bi4,0 (3), Fe73,1Cu1,0Nb3,0Si15,5B7,4 (4), Fe60Co7Cr4V2W 1Nb1B20C2Si2 (5), попередньо витриманих у ЗМП (430 мТл, 50 Гц) 3 год., після тривалого пропускання електричного струму (1 мА) Аморфний сплав 1 2 3 4 5 Тривалість пропускання електричного струму, год. 0 5 8 10 25 50 75 0,361 0,360 0,363 0,365 0,364 0,364 0,390 0,378 0,380 0,370 0,386 0,380 0,381 0,382 0,460 0,460 0,463 0,470 0,459 0,459 0,468 0,553 0,548 0,560 0,580 0,532 0,556 0,566 0,434 0,439 0,435 0,436 0,437 0,439 0,442 4 (Δρ/75)10 , -1 мкОмсмгод. 3,80 4,00 1,86 1,73 1,07 Вищенаведені приклади підтверджують отримання технічного результату. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Спосіб магнітної обробки виробів з аморфних металевих сплавів, за яким сплав витримують у магнітному полі, який відрізняється тим, що використовують змінне магнітне поле напруженістю 430 мТл, частотою =50 Гц упродовж (180±10) хв при кімнатній температурі. 3 UA 121293 U 4 UA 121293 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5