Niskokobaltowe stopy Fe-Cr-Co na magnesy trwałe

Transkrypt

1 Krystyna C H R Ó S T, Oan KŁODAS INSTYTUT INŻYNIERII M A T E R I A Ł O W E J POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ ul. N a r b u t t a 8 5, W a r s a w a Nskokobaltowe stopy Fe-Cr-Co na magnesy trwałe. W P R O W A D Z E N I E Produkowane dotychczas w kraju materały magnetyczne twarde to stopy A l n c o oraz Ferryty. Technologe wytwarzana magnesów z tych materałów - w perwszym przypadku odlewane kształtek oraz ch szlfowane metalurga proszków w drugm przypadku, stwarzaję ograncze- na lub wymagaję znacznej pracochłonnośc przy wytwarzanu drobnych elementów magnetycznych o skomplkowanych kształtach. M o ż l w o ś c rozwą- zana tych problemów można upatrywać w zastosowanu na magnesy stopów trwałe Fe-Cr-Co. Mechanzm utwardzana magnetycznego tego materału jest podobny do utwardzana stopów typu A l n c o. W obu przypadkach jest on oparty na kształtowanu modulowanej struktury oc^^ 2 ~ obszary ferromag- netyczne, w których loścowo domnuję Fe C o, ocg - obszary słabomagnetyczne bogate w Cr powstającej w wynku rozpadu przesyconego spnodalnego roztworu. W odróżnenu jednak od stopów Alnco stopy Fe-Cr-Co cechuję sę dobrym w ł a ś c w o ś c a m plastycznym, co pozwala na znaczne uproszcze- ne technolog wytwarzana kształtek m a g n e t y c z n y c h, a ponadto w porównanu do produkowanych materałów magnetyczne twardych najwyższę ndukcję magnetyczną B ^ do,56 T osęgaję [l]. Dzęk dobrym właścwoścom plastycznym stopy Fe-Cr-Co mogę być przetwarzane np. na druty, blachy, te zaś mogę stanowć półprodukt do otrzymywana magnesów trwałych o różnych kształtach szerokej właścwośc magnetycznych zblżonych w przypadku stopów game zaweraję- cych powyżej 2% Co do w ł a ś c w o ś c magnetycznych nektórych gatun- ków A l n c o. W Instytuce Inżyner Materałowej Poltechnk Warszawskej wadzone sę badana zmerzajęce do opracowana technolog pro- wytwarzana magnesów z nskokobaltowych stopów Fe-Cr-7-5%-Co, a ch wynk stanowę treść nnejszej pracy. 33

2 2. WYTWARZANIE M A G N E S Ó W ZE STOPfW Fe-Cr-Co Pozom uzyskwanych właścwośc magnetycznych w stopach typu Fe-Cr-Co Jest funkcję udzału objętoścowego powstajęcych w wynku rozpad u splnodalnego faz ó< ^^ oc ^ Ł ch wzajennego rozneszczena, kształtu welkośc czystek fazy oc^ oraz składu chemcznego obu faz. Powyższe elementy geometr mkrostruktury 8q ścśle zależne od zastosowanej technolog obróbk. Znane sę trzy metody obróbk przesyconych stopów Fe-Cr-Co: - starzene^ w wynku którego uzyskuje sę magnesy zotropowe; - obróbka ceplno-magnetyczna OCM oraz starzene prowadzęce do otrzymana magnesów anzotropowych o strukturze składającej sę z wydłużonych częstek faz oc ^ oć^; - starzene odkształcenowe, polegajęce na obróbce ceplnej oraz mechancznym wydłużenu częstek faz oc^ 0^2 poprzez odkształcene plastyczne, które równeż pozwala uzyskwać magnesy charakteryzujące sę anzotropę właścwośc magnetycznych. Na rysunku przedstawono schematyczne metody obróbk przesyconych stopów Fe-Cr-Co oraz typowe struktury tych stopów po przesycanu po całkowtej obróbce. Pozom właścwośc magnetycznych stopów Fe-Cr-Co charakteryzują- cych sę Izotropę strukturalnę na pozome wydzeleń oc ^ <^2 ^ magnetycznę Jest nsk w stosunku do tego samego materału poddanego obróbce, w wynku której sę wytwarzane magnesy anzotropowe. Ponżej przedstawone zostały właścwośc magnetyczne dla zotropo- wych anzotropowych magnesów Fe-Cr-Co zawerajęcych ok. % Co. Lt. m a x. [kom^j ' Lp. Skład stopu Struktura B,[T] Hj.[kAmJ 2 Fe-28Cr-0,5Co zot ropowa,00 32,0 4,4 2] Fe-2BCr-2,OCo anzotropowe,28 47,2 38,0 [3] 3 Fe-33Cr-ll,5Co anzotropowe,20 6,6 44,0 [4] W przypadku stopu 2 anlzotropowa struktura powstała w wynku obróbk ceplno-magnetycznej, stop 3 poddany był starzenu odkształcenowe- mu. W ł a ś c w o ś c magnetyczne handlowych anzotropowych stopów Fe-Cr-CO produkowanych przez frmę Vacuumschmelze w postac drutów lub blach sę następujące [5] :,20-,30 T; H^,5-,25 T; H, kam; BH max kam; BH max kam- 056 Co kom- l ^ Co.

3 Rys.. Schematy obróbk p r z e s y c o n y c h stopów Fe-Cr-Co oraz uzyskane w wynku tych obróbek m k r o s t r u k t u r y typowe 3. BADANIA WŁASNE Wybór technolog otrzymywana kształtek na magnesy jest zwęzany ze składem stopu oraz stosowany metodą k s z t a ł t o w a n a struktury m a g n e sów o b r ó b k a ceplna, c e p l n o - m a g n e t y c z n a, starzene odkształcenowe, natomast możlwy do uzyskana pozom w ł a ś c w o ś c magnetycznych jest funkcją składu stopu, metody o t r z y m y w a n a magnesów oraz stosowanej obróbk parametrów ceplnej. 35

4 N a rysunku 2 p r z e d s t a w o n o zmany twardośc w funkcj temperatury dla w y b r a n y c h stopów F e - C r - C o. U z y s k a n e w y n k w s k a z u j ę przedzały temperatur, w których prowadzene zabegów p r z e r ó b k p l a s t y c z n e j, majęcej na oelu formowane robów Jest energetyczne uzasadnone. Zakres przedstawonych półwy- temperatur kwalfkuje te o p e r a c j e Jako obróbk "na g o r ę c o ". D l a grupy stopów p r z e w d y w a n y c h do w y t w a r z a n a magnesów trwałych metodę starzena o d k s z t a ł c e n o w e g o w ł a ś c w o ś c? determnujęcę tę m o ż l wość jest zdolność m a t e r a ł u do o d k s z t a ł c a n a "na zmno" lub "na cepło". HV0 n 350 > f > r 250 l Fe-3Cr-7Co-20j - FQ-3ICr-70o-20u-Q5n <r- FQ-3ICr-Xo-2Cu-m > - fb-29q-t2c0 - Iy. Fó-29Cr-2C0-Q5T ' h- Fe-29Cr-2C0-T k.- FQ-29Cr-2Co-2T r J k W J c n U73 T[K] R y s. 2. T w a r d o ś ć stopów F e C r - 2 C o - 2 C u - x T a F e - 3 C r - 7 C o - 2 C u - x T l b wyżarzanych w t e m p e r a t u r a c h 973 K K chłodzonych w wodze Na rysunku 3 pokazano przebeg naprężeń u p l a s t y c z n a j ą c y c h funkcj rzeczywstych o d k s z t a ł c e ń d^ w f w z a l e ż n o ś c od temperatury, do której nagrzano stop przed' o d k s z t a ł c a n e m. N a j s t o t n e j s z y m ognwem w procese utwardzana magentycznego obróbka c e p l n o - m a g n e t y c z n a, w trakce której z a c h o d z rozpad ny przesycanego r o z t w o r u o C. P a r a m e t r y prowadzonej w polu obróbk ceplnej t e m p e r a t u r a jest spnodal- magnetycznym czas w y ż a r z a n a z o t e r m c z n e g o, kość chłodzena oraz z a k r e s temperatur obróbk w przypadku szyb- stosowana ch-łodzena cęgłego decyduję o pozome u z y s k w a n y c h w ł a ś c w o ś c netycznych. Długość fal f l u k t u a c j składu c h e m c z n e g o, będęca wymenonych parametrów OCM o k r e ś l a geometrę tury, od której zależy pozom B ^, H^ waję sę z w y n k a m prac tworzęcej sę mkrostruk- S p o s t r z e ż e n a te p o k r y - [2, 3, 4]. Pozom w ł a ś c w o ś c m a g n e t y c z n y c h stopów F e - C r - C o poddanych mcznej obróbce c e p l n o - m a g n e t y c z n e j jest czuła funkcja wyżarzana w zewnętrznym polu magnetycznym r y s mag- funkcję zoter- temperatury

5 C U B J B 0 3 R y s. 3. Krzywe umocnena stopu 0 Fe-22Cr-5Co-lT-lNb O d s t ę p s t w a od optymalnej ze w z g l ę d u na u z y s k w a n y pozom właścwośc magnetycznych długość fal f l u k t a c j składu chemcznego powo- duję znaczne obnżene B, H C zacho- BH III 3. J e ś l rozpad spnodalny X dz podczas cęgłego chłodzena z określonę s z y b k o ś c?, powstaje ne spektrum długośc fal fluktacj składu c h e m c z n e g o ne pew- obserwu- je sę tak dużego wpływu zmany parametrów p r o c e s u na w ł a ś c w o ś c netyczne, jak w przypadku obróbk zotermcznej mag- [6j. Na rysunku 5 przedstawono zależność w ł a ś c w o ś c m a g n e t y c z n y c h pu Fe-25Cr-2Co od szybkośc cęgłego c h ł o d z e n a w zewnętrznym sto- polu magnetycznym f D o b e r a j ę c odpowedno zakres temperatur oraz szybkość chłodzena w polu m a g n e t y c z n y m można -uzyskać w ł a ś c w o ś c m a g n e t y c z n e na tym samym pozome jak w w y n k u zotermcznego w y ż a r z a n a wego wysokotemperaturo- [?]. D l a t e g o też, w warunkach p r z e m y s ł o w y c h korzystnejsze prowadzene obróbk ceplno-magnetycznej z chłodzenem jest cęgłym. 37

6 He [kah 45 O TocmlK] Rvs- 4. Wpływ temperatury zotermcznej obróbk ceplno-magnetycznej na B^, H^ BHjjg^j^ stopu Fe-250r-2Co nskotemperaturowe starzene: 893 K h - 7 k h K5 h Hc IkAjm] STOP F9-25Cr-2Co m U sls y r <0 X Br Hc (BH ma* X N eo Rys. 5. Zależność właścwośc nagnetycznych stopu Fe-25Cr-2Co od szybkośc cęgłego chłodzena w zewnętrznym polu magnetycznym nskotemperaturowe starzene: 878 Kl h - 7 K h K5 h 38

7 Z e względu na stnejęcę zaleność uzyskwanych efektów od wzajeanego doboru warunków obróbk cleplno-nagnetycznej< w czase której zachodz rozpad spnodalny paranetrów starzena nskotemperaturowego, którego cele«jest ostateczne ukształtowane mkrostruktury wożllwe jest korygowane właścwośc magnetycznych stopów Fe-Cr-Co przez odpowedn«optymalzację parametrów poszczególnych zabegów obróbk ceplnej [7], Zaletne od stosowanych parametrów starzena nskotemperaturowego p r z y określonych warunkach 00 mollwe jest uzyskwane równych welkośc B ^, Hg BH^^^ na dobrym, właścwym stopom Fe-Cr-Co pozome. W tabel przedstawono właścwośc magnetyczne magnesów ze stopów zawerajffcych 2 5% C o otrzymanych w wynku rótnych warantów obróbk ceplno-magnetycznej ceplnej. T a b l c a. Właścwośc magnetyczne magnesów ze stopów Fe-Cr-Co otrzymanych w wynku obróbk nskotemperaturowego Warunk S k ł a d stopu OCM Fe-29Cr-2Co Fe-25Cr-2Co Fe-22Cr-5Co-l,5T Fe-22Cr-5Co-lTl-lNb wyżarzane XX ceplno-magnetycznej starzena Całkowty czae obróbk h Br T "c ka m k3 m ' * 2,5,8 45,5 26,8 ** 7, ,5, ,5, ,5, ,0,35 50, ,0, ,0,46 46, , , ,0, ,0,40 47,5 45,8 6,0,34 47,5 42,9 zotermczne chłodzene cęgłe Poneważ zblżone właścwośc magnetyczne uzyskuje sę przy róż- nych warunkach obróbk ceplnej, należy dężyć do ch optymalzacj ze względu na czas trwana procesów t a b

8 w przypadku stopów Fe-Cr-Co poddawanych starzenu odkształcenowe- mu, obok w y m e n o n y c h powyżej czynnków decydujących o pozome właśc w o ś c m a g n e t y c z n y c h, pojawa sę dodatkowy parametr tj. stopeń odk s z t a ł c e n a p l a s t y c z n e g o, któremu poddawany Jest stop po rozpadze spnodalnym. I s t o t n o ś ć wpływu parametrów starzena odkształcenowego t j. warurk w y s o k o t e m p e r a t u r o w e g o starzena oraz stopeń odkształcena plastycznego - rys. jest p o r ó w n y w a l n a z w p ł y w e m ' p a r a m e t r ó w obróbk cepino-magnetycznej na w ł a ś c w o ś c magnetyczne stopów Fe-Cr-Co. N a rysunku 6 przedstawono wpływ stopna odkształcena go na w ł a ś c w o ś c magnetyczne stopu F e - 3 C r - 7 C o - 2 C u. plastyczne- Przeprowadzone badana w y k a z a ł y, że starzene odkształcenowe jest w przypadku tego stopu bardzej efektywne nż o b r ó b k a c e p l n o - m a g n e t y c z n a, pozwala bowem na uzyskane w y ż s z y c h w ł a ś c w o ś c m a g n e t y c z n y c h : Bj. o 22%; H^ o 2%; BH^^^ o 47%. Na uwagę zasługuje fakt szczególne wysokego wzrostu zgodne z w y n k a m prac [8, 9]. M o ż l w o ś ć materałooszczędnych pozomu stosowana obróbek bezwórowych t j. w y c s k a n e, przecąga- ne, p r z e p y c h a n e, w a l c o w a n e w procese w y t w a r z a n a magnesów metodę starzena o d k s z t a ł c e n o w e g o, podnos atrakcyjność stopów Fe-Cr-Co z uwag na obnżena kosztów produkcj oraz możlwość wykonywana kego asortymentu kształtek szero- magnetycznych. Hc [kah rnh Rys. 6. W p ł y w stopna o d k s z t a ł c e n e plastycznego na właścwośc magnetyczne stopu F e - 3 C r - 7 C o - 2 C u w funkcj s z y b k o ś c cągłego chłodzena w czase n s k o t e m p e r a t u r o w e g o s t a r z e n a w zakrese temperatur 873 K K 40

9 . P O D S U M O W A N I E N s k o k o b e l t o w e stopy Fe-Cr-Co ze względu na porównywalne do n e k t ó rych gatunków A l n c o z a w. 2A% C o, 4% N, 8% A l, Z% Cu właścwośc nagnetyczne oraz dobre w ł a ś c w o ś c p l a s t y c z n e, umożlwajęce wytwarzane drobnych elementów m a g n e t y c z n y c h, mogę stać sę w pewnych o b s z a rach z a s t o s o w a ń ch pełnowartoścowym zamennkem. W w y n k u p r o w a d z o n y c h w IIM badań opracowano podstawy technolog w y twarzana magnesój ze stopów F e - C r - C o 2 5% metodę obróbk lnej v< polu m a g n e t y c z n y m [6], Na rysunku 7 przedstawono cep- przykładowo krzywe o d m a g n e s o w a n a tych stopów oraz dla porównana krzywę odmagne- sowans stopu A l n c o 550 produkcj Huty B a l d o n. O b e c n e w IIM sę kontynuowane prace badawcze zmerzajęce do opano>wana t e c h n o l o g starzena odkształcenowego nskokobaltowych stopów Fe-Cr-Co z a w e r a j ę c y c h 7-0^;; Co k r z y w a 3 na rys. 7. W p r o w a d z e n e do p r o d u k c j tych stopów pozwolłoby na znaczne szene z u ż y c a a e f c y t o w e g o zmnej- kobaltu. 7 -HcMrr^ BO O W 30 Rys. 7. P r z y k ł a d o w e krzywe odmagnesowana F e C r - 5 C o - l T - l N b! Fe-25Cr-2Co 2 ceplno-magnetycznej, F e - 3 C r - 7 C o - 2 C u 3 na odkształcenowego oraz A l n c o magnesów ze stopów Fe-Cr-Co: w y k o n a n y c h metodę obróbk otrzymanego metodę starzep r o d u k c j Huty B a l d o n LITERATURA. Homma M,, H o r k o s h E., M n o w a T., O k a d a M. : A p p l. Phys. Lett, 37,980, an S., C h n G. Y,, W o n s e w c z B.C.: IEEE T r a n s, on M a g n, 6, 980, Chn T. S., W u T. S., Chang C.Y.: 3. A p p l. P h y s. 54, 983, C h n G. Y., a n S., G r e e n M. L., S h e r w o o d R.C., Wernck a.h,: a. A p p l. Phys , V a c u u m s c h m e l z e, C r o v a c, M Chróst K., Kłodaś O.: S p r a w o z d a n e z pracy wykonanej w ramach CPBR "Opracowane podstaw technolog wytwarzana anlzotropowych 2.4 magnesów Fe-Cr-Co 2-5 % metodę obróbk ceplnej w polu magnetycznym" I I M, PV;, Chróst K., Kłodaś A r c h w u m Hutnctwa, będze opublkowane 8. an S,, Gayle N, V,, B e r n a r d! I.E.: IEEE T r a n s, on M a g n. 6, 980, On S., G a y l e N,V.,: IEEE T r a n s, on M a g n. 6, 980, 526 T e k s t dostarczono ,5