СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ МАГНІТНОМ'ЯКОГО КОМПОЗИТУ НА ОСНОВІ СПЛАВУ ТИПУ FeCuNbSiB

Спосіб одержання магнітном'якого композиту на основі сплаву типу FeCuNbSiB, що включає відпалювання на повітрі аморфної стрічки сплаву типу FeCuNbSiB при температурі 450 °C впродовж 0,5 години до одержання нанокристалічної структури стрічки сплаву, з подальшим подрібненням її у порошок, за допомогою механічного подрібнювача, з наступною сепарацією з відбором фракції порошку, введення до одержаної порошкової суміші зв'язуючого компонента неорганічного походження при одночасному додаванні розчинника та постійному перемішуванні всіх компонентів до одержання однорідної композитної суміші, який відрізняється тим, що відпалюють аморфну стрічку сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7, в процесі сепарації, відбирають фракцію порошку сплаву із розміром частинок 70-160 мкм, здійснюють відпалювання відібраної фракції порошку сплаву у середовищі азоту при температурі 540-560 °C впродовж 1 години, формують однорідну композитну суміш у заготовки з подальшим їх віброформуванням впродовж 0,08-0,17 години при кімнатній температурі та атмосферному тиску, розміщують оброблені заготовки у сушильній шафі, вакуумують її до тиску 2і10-2 Па з подальшою витримкою впродовж 0,05-0,08 години, підвищують тиск у сушильній шафі до рівня атмосферного, з наступною витримкою оброблених заготовок в ній впродовж 48 годин, а як зв'язуючий компонент неорганічного походження використовують портландцемент у кількості 10-30 мас. %, як розчинник використовують воду.

Спосіб належить до галузі порошкової металургії та може бути використаний для одержання магнітном'яких композитів довільних форм та розмірів на основі порошків нанокристалічних сплавів, зокрема сплаву типу FeCuNbSiB. Зазначені композити можуть використовуватись у галузі приладобудування й електротехніці, зокрема при виготовленні магнітопроводів індукторів (дроселів), трансформаторів та концентраторів магнітного поля. Магнітном'які композити на основі порошків нанокристалічних сплавів зазвичай виготовляються методами порошкової металургії, але через те, що більшість цих сплавів мають високу межу текучості (і, відповідно, високу твердість), то необхідним є застосування порівняно високих тисків пресування (1 ГПа та вище), що значно ускладнює технологічний процес виготовлення композитів та негативно впливає на їх магнітні властивості [Тіаn, М., Xu, J., Yang, S., Wang, J., Yang, Т., Li, G., Chen, Q., and Liu, X. Effects of heat treatment and compaction pressure on the microstructure and magnetic properties of core-shell structured FeSiBNbCu/SiO2 soft magnetic composites. J. Alloys Compds., 923, 166394 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166394]. Відомо [Pošković, E., Franchini, F., Ferraris, L., Fracchia, E., Bidulska, J., Carosio, F., Bidulsky, R., and Actis Grande, M. Recent Advances in Multi-Functional Coatings for Soft Magnetic Composites. Materials, 14(22), 6844 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14226844], що для виготовлення магнітном'яких композитів використовуються зв'язуючи компоненти органічного походження (наприклад, епоксидні, фенол-формальдегідні смоли чи кремній-органічні лаки). Однак, магнітном'які композити на основі стандартних епоксидних смол починають втрачати механічні властивості при температурах вище 150-200 °C, на основі фенол-формальдегідних смол - вище 200-250 °C, а на основі кремній-органічних лаків - при температурах вище 250-350 °C [Паржницький О.В., Аушева С.В., Шулепіна Г.Ю. Електроматеріалознавство: навч. посіб. Київ: Грамота, 2023. 224 с. ISBN 978-966-349-924-6]. Відомий спосіб одержання магнітном'якого композиту на основі нанокристалічного порошку сплаву Fe74Cu0,6Nb3Si8B7Al3 [патент CN 111370195А, "High-permeability nanocrystalline soft magnetic material and preparation method thereof, publ. 03.07.2020, IPC (2006.01) C22C38/02, C22C38/06], що включає механічний синтез сплаву Fe74Cu0,6Nb3Si8B7Al3 у кульовому млині впродовж 170-200 годин до досягнення ним аморфної структури, змішування одержаного порошку зі зв'язуючим компонентом органічного походження, у кількості 4-6 мас. %, що являє собою суміш двох або більше компонентів обраних з переліку: епоксидна смола, рідке скло, каолін, тальк, з наступним пресуванням одержаної суміші під тиском 0,8-1,4 МПа впродовж 0,05-0,07 годин, термічну обробку одержаної пресовки при температурі 400-415 °C впродовж 0,66-0,92 годин, зі затвердіванням зв'язуючого компоненту та переходом структури сплаву з аморфної у нанокристалічну. Одержують композит з високою магнітною проникністю та низькою коерцитивною силою. Недоліками відомого способу є: забруднення порошку сплаву Fe74Cu0,6Nb3Si8B7Al3 домішками, в процесі довготривалого розмелювання, що негативно впливає на стійкість аморфної фази і магнітні властивості сплаву, а також низька міцність одержаного композиту, яка обумовлена використанням зв'язуючих компонентів органічного походження. Відомий спосіб одержання магнітном'якого композиту на основі нанокристалічного порошку сплаву Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 [патент CN115083721В, "Four-layer coated iron-based nanocrystalline soft magnetic powder core and preparation method thereof, publ. 17.12.2024, IPC (2006.01) HF01F3/08, HF01F3/10, HF01F27/34, HF01F41/02], що включає розмелювання аморфної стрічки сплаву Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 у кульовому млині з одержанням нанокристалічного порошку сплаву із розміром частинок 70-80 мкм, формування чотиришарового покриття, товщиною до 40 нм, на поверхні частинок порошку сплаву почерговим нанесенням шару пасиваційної плівки, шару полівінілпіролідону, шару стеарату цинку, шару кремній-органічної смоли, з подальшим пресуванням порошку сплаву з нанесеним на його частинки чотиришаровим покриттям, під тиском 1,8-2,4 ГПа, наступну термічну обробку спресованих заготовок у муфельній печі, в середовищі азоту, при температурі 510 °C впродовж 0,25 годин, з подальшим нагріванням до температури 560 °C зі швидкістю 20 °C/хвилину та охолодженням спресованих заготовок до кімнатної температури продуванням камери муфельної печі азотом, що забезпечує одержання магнітном'якого композиту з низькими магнітними втратами та високою магнітною проникністю. Недоліком відомого способу є застосування відносно високих тисків пресування, що призводить до збільшення втрат на перемагнічування одержаних композитів. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до способу, що заявляється, є спосіб одержання нанокристалічного металевого порошку з покращеними високочастотними характеристиками та виробництво високочастотних магнітном'яких осердь з його використанням [патент JP4274896B2, "Manufacturing method of nanocrystalline metal powder with excellent high frequency characteristics and manufacturing of high frequency soft magnetic cores using the same", publ. 10.06.2009. IPC (2006.01) H01F41/02, H01F1/26, B22F3/00, B22F9/04, B82B3/00], що включає відпалювання аморфної стрічки сплаву Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 при температурі 400-600 °C впродовж 0,2-1,5 години, до одержання нанокристалічної структури стрічки сплаву, з подальшим подрібненням її у порошок, за допомогою механічного подрібнювача, сепарацію з відбором фракції порошку із розміром частинок 75-150 мкм, введення до одержаної порошкової суміші зв'язуючого компонента неорганічного походження, в якості якого використовують 1,5-5 мас. % оксиду магнію або оксиду ванадію, або легкоплавкого скла, при одночасному додаванні розчинника, при постійному перемішуванні всіх компонентів до одержання однорідної композитної суміші, сушіння отриманої суміші, повторне подрібнення конгломерованого порошку у кульовому млині, пресування одержаної композитної суміші при тиску 1,4-1,8 ГПа, з подальшим відпалюванням на повітрі одержаного композиту при температурі 300-500 °C впродовж 0,2-3,8 години. Недоліком відомого способу є порівняно високі значення тиску пресування, що призводить до збільшення втрат на перемагнічування магнітном'яких композитів. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб одержання магнітном'якого композиту на основі сплаву типу FeCuNbSiB шляхом відпалювання аморфної стрічки сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7, з наступним відбором, в процесі сепарації, фракції порошку сплаву із розміром частинок 70-160 мкм з подальшим відпалюванням відібраної фракції порошку сплаву у середовищі азоту при температурі 540-560 °C впродовж 1 години, здійснення віброформування заготовок впродовж 0,08-0,17 години, при кімнатній температурі та атмосферному тиску, сформованих з однорідної композитної суміші, яка містить порошок сплаву типу Fe73Cu1Nb3Si16B7, зв'язуючий компонент неорганічного походження та розчинник, розміщення оброблених заготовок у сушильній шафі з вакуумуванням її до тиску 2,10-2 Па з подальшою витримкою впродовж 0,05-0,08 години, підвищення тиску у сушильній шафі до рівня атмосферного, з наступною витримкою оброблених заготовок в ній впродовж 48 годин, причому як зв'язуючий компонент неорганічного походження використовують портландцемент у кількості 10-30 мас. %, а як розчинник використовують воду, що дозволяє зменшити втрати на перемагнічування та підвищити міцність на стиснення магнітном'якого композиту. Поставлена задача досягається тим, що в способі одержання магнітном'якого композиту на основі сплаву типу FeCuNbSiB, що включає відпалювання аморфної стрічки сплаву типу FeCuNbSiB при температурі 450 °C на повітрі впродовж 0,5 години, до одержання нанокристалічної структури стрічки сплаву, з подальшим подрібненням її у порошок, за допомогою механічного подрібнювана, з наступною сепарацією з відбором фракції порошку сплаву, введення до одержаної порошкової суміші сплаву зв'язуючого компонента неорганічного походження при одночасному додаванні розчинника та постійному перемішуванні всіх компонентів до одержання однорідної композитної суміші, здійснення відпалювання впродовж 1 години, згідно з винаходом, відпалюють аморфну стрічку сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7, в процесі сепарації відбирають фракцію порошку сплаву із розміром частинок 70-160 мкм, здійснюють відпалювання відібраної фракції порошку сплаву у середовищі азоту при температурі 540-560 °C, формують однорідну композитну суміш у заготовки з подальшим їх віброформуванням впродовж 0,08-0,17 години при кімнатній температурі та атмосферному тиску, розміщують оброблені заготовки у сушильній шафі, вакуумують її до тиску 2б10-2 Па з подальшою витримкою впродовж 0,05-0,08 години, підвищують тиск у сушильній шафі до рівня атмосферного, з наступною витримкою оброблених заготовок в ній впродовж 48 годин, а як зв'язуючий компонент неорганічного походження використовують портландцемент у кількості 10-30 мас. %, як розчинник використовують воду. Заявлений спосіб пояснюється таблицями та фігурами, де наведено: - на фігурі 1 наведено залежність міцності на стиснення магнітном'якого композиту на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7 від кількості портландцементу; - на фігурі 2 наведена мікроструктура досліджуваного магнітном'якого композиту на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7; - на фігурі 3 наведена температурна залежність магнітної проникності (() у відношенні до проникності при кімнатній температурі ((20) магнітном'якого композиту на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7; - в таблиці наведена залежність магнітних властивостей магнітном'яких композитів від кількості портландцементу. Заявлений спосіб реалізується наступним чином. Аморфний сплав складу Fe73Cu1Nb3Si16B7 у вигляді стрічки одержують методом швидкого загартування із розплаву. Одержану стрічку відпалюють при температурі 450 °C на повітрі впродовж 0,5 години до досягнення нанокристалічної структури. Розмелом, здійсненим за допомогою механічного подрібнювача, одержують поліфракційний порошок сплаву та здійснюють його сепарацію з відбором фракції порошку сплаву розміром 70-160 мкм. Здійснюють відпалювання відібраної фракції порошку сплаву у середовищі азоту при температурі 540-560 °C впродовж 1 години. До одержаної порошкової суміші сплаву вводять, у якості зв'язуючого компоненту неорганічного походження, портландцемент марки "СЕМ І" [ДСТУ Б EN 197-1:2015], у кількості 10-30 мас. %, при одночасному додаванні розчинника, в якості якого використовують воду, та постійному перемішуванні всіх компонентів до одержання однорідної композитної суміші. Формують однорідну композитну суміш у заготовки з подальшим їх віброформуванням впродовж 0,08-0,17 години при кімнатній температурі та атмосферному тиску, розміщують оброблені заготовки у сушильній шафі, вакуумують її до тиску 2и10-2 Па з подальшою витримкою впродовж 0,05-0,08 годин, підвищують тиск у сушильній шафі до рівня атмосферного з наступною витримкою оброблених заготовок в ній впродовж 48 годин. Для випробувань на міцність на стиснення та визначення магнітних властивостей композиту були виготовлені зразки у вигляді кільцевих осердь такого розміру: внутрішній діаметр 18,5 мм; зовнішній діаметр 32 мм; висота 12,5 мм. Міцність на стиснення до руйнування для зразків із різним вмістом зв'язуючого компоненту, досліджували, прикладаючи напруження по висоті осердя. Для визначення магнітних характеристик зразків у змінних магнітних полях було використано вимірювальний комплекс для тестування тороїдальних магнітопроводів "MS-02 В-Н Аналізатор" [Nosenko A, Mika T, Rudenko О, Yarmoshchuk Y, and Nosenko V. Soft magnetic properties of nanocrystalline Fe73B7Si16Nb3Cu1 alloy after rapid heating under tensile stress. Nanoscale Res. Lett., 10, 136 (2015). https://doi.org/10.1186/s11671-015-0837-z]. Портландцемент, якій використовується як зв'язуючий компонент неорганічного походження, має високу адгезію з частинками порошку сплаву Fe73Cu1Nb3Si16B7, що демонструє графік залежності міцності на стиснення магнітном'якого композиту від кількості портландцементу, введеного до порошкової суміші сплаву (фіг. 1). Введення портландцементу до порошкової суміші сплаву сприяє утворенню нових електрично непровідних фаз, таких як: гідросилікати кальцію, гідроалюмінати кальцію та гідроксид кальцію (фіг. 2), які перешкоджають виникненню вихрових струмів за рахунок ізоляції частинок феромагнітного порошку одна відносно одної, що в свою чергу також призводить до зменшення втрат на перемагнічування магнітном'яких композитів (таблиця). Аналіз отриманих даних свідчить, що кількість портландцементу, введеного до порошкової суміші сплаву суттєво впливає на механічні та магнітні властивості магнітном'якого композиту. Так, при кількості портландцементу менше 10 мас. % спостерігається різке зниження міцності на стиснення (фіг. 1), що унеможливлює практичне застосування магнітном'яких композитів. Водночас, збільшення кількості портландцементу понад 30 мас. % призводить до зниження міцності на стиснення (фіг. 1) і до зростання втрат на перемагнічування (таблиця), що негативно позначається на функціональних характеристиках магнітном'яких композитів. Таким чином, для забезпечення оптимального поєднання механічних та магнітних властивостей магнітном'яких композитів на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7, кількість портландцементу, введеного до порошкової суміші сплаву повинна бути в діапазоні 10-30 мас. %. Температурний інтервал 540-560 °C є оптимальним для відпалювання сплавів системи Fe-Cu-Nb-Si-B, оскільки в цьому діапазоні відбувається формування нанокристалічної структури. Утворюються ультрадисперсні зерна ОЦК фази Fe-Si розміром 10-15 нм, які рівномірно розподілені в залишковій аморфній матриці. Така структура сприяє досягненню високих магнітних характеристик, зокрема підвищеної початкової проникності (~105) та низької коерцитивної сили (<1 А/м). Якщо температура нижча за 540 °C, процес кристалізації відбувається повільніше, а зерна залишаються меншими, що може призводити до недостатньої стабільності структури та не досягнення оптимального співвідношення між аморфною і кристалічною фазами. Натомість, при нагріванні понад 560 °C починається утворення боридних фаз Fe2B і Fе3В, які погіршують магнітні властивості, а також, відбувається ріст зерен, що призводить до зменшення ефективного розсіювання доменної стінки та зростання коерцитивної сили [Handbook of Magnetic Materials (Eds. Κ. Η. J. Buschow), Elsevier Science B.V. Vol. 10 (Netherlands: North-Holland: 1997)]. Вибір фракції порошку з розміром частинок 70-160 мкм обґрунтований необхідністю досягнення оптимального балансу між магнітними, механічними та технологічними властивостями магнітном'якого композиту. Частинки порошку розміром менше 70 мкм мають високе відношення поверхні до об'єму, що сприяє збільшенню питомого електричного опору матеріалу та зменшенню вихрових струмів. Проте, в таких частинках значну роль відіграє краєвий ефект, спричинений підвищеною концентрацією дефектів, неоднорідністю внутрішньої напруженості магнітного поля та порушенням доменної структури, що призводить до зниження магнітної проникності й підвищення магнітних втрат у магнітном'якому композиті. Натомість, частинки розміром понад 160 мкм зазвичай мають лусковидну форму, що зумовлює значну магнітну анізотропію та ускладнює їх рівномірний розподіл у матриці прес-форми. Лусковидні частинки важче орієнтувати в необхідному напрямку під час формування магнітном'якого композиту, що спричиняє нерівномірність магнітного потоку, а також погіршує ущільнення матеріалу при пресуванні, збільшуючи пористість і знижуючи механічну міцність магнітном'якого композиту. Отже, оптимальний розмірний діапазон 70-160 мкм забезпечує достатню однорідність розподілу частинок, зменшення магнітних втрат, збереження високої магнітної проникності та механічної міцності магнітном'якого композиту [М. Anhalt, Systematic investigation of particle size dependence of magnetic properties in soft magnetic composites, /. Magn. Magn. Mater., 320: e366-e369 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2008.02.072]. Дослідження показали, що магнітном'який композит, виготовлений за заявленим способом, зберігає стабільні магнітні властивості у широкому діапазоні температур. Зокрема, ефективна магнітна проникність залишається практично незмінною до температури 200 °C, після чого спостерігається її поступове зменшення. При температурах понад 300 °C зниження магнітної проникності не перевищує 3 %, від її значення при кімнатній температурі (фіг. 3). Це свідчить, про високу термостабільність магнітних характеристик, що робить магнітном'які композити на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7 придатними для застосування в умовах підвищених температур. Таким чином, реалізація запропонованого способу одержання магнітном'якого композиту на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7 досягається за рахунок наступних чинників. По-перше, введення портландцементу до порошкової суміші сплаву, в якості зв'язуючого компоненту неорганічного походження, сприяє утворенню нових електрично непровідних фаз, які перешкоджають виникненню вихрових струмів за рахунок ізоляції частинок феромагнітного порошку одна відносно одної, що в свою чергу призводить до зменшення втрат на перемагнічування. По-друге, в процесі твердіння композитної суміші (витримка заготовок у сушильній шафі), утворюються кристалогідрати, які є стійкими до підвищених температур та забезпечують необхідну міцність на стиснення магнітном'якого композиту. Отже, запропоновані магнітном'які композити на основі сплаву складу Fe73Cu1Nb3Si16B7 можуть бути використані як аналог порошкових пресованих магнітодіелектриків як традиційних (кристалічних), так і нанокристалічних та аморфних, в пристроях силової електроніки, а також в умовах, при яких зв'язуючі компоненти органічного походження в більшості відомих магнітодіелектриках можуть зруйнуватись, наприклад, у концентраторах магнітного поля індукційних печей. ТаблицяЗалежність магнітних властивостей магнітном'яких композитів від кількості портландцементуЗразок (№ з/п)Кількість портландцементу, мас. %Втрати на перемагнічування, мВт/см3Початкова магнітна проникність поч, (Н=100 А/м)(200 кГц, 0,01 Тл)(10 кГц, 0,05 Тл)1537,513,534,921036,017,230,931546,330,124,542050,735,322,052561,747,621,063068,466,519,373569,171,719,084069,373,518,394569,875,715,0