Способ получения магнитострикционного материала на основе железа - "дифераль"

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению магнитострикционного материала, обладающего лучшими характеристиками по сравнению с альфарами. Достигается технический результат тем, что производят насыщение алюминием ленты или деталей из технически чистого железа, например, электротехнической стали, методом циркуляционного диффузионного насыщения. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию магнитострикционных материалов, и может быть использовано в приборостроении, например при изготовлении магнитострикционных преобразователей, гидроакустической аппаратуры разного назначения.

Известен способ повышения магнитострикционных свойств железоалюминиевых сплавов, заключающийся в том, что сплавы подвергают отжигу в интервале 500-900^oC с последующим медленным охлаждением, в особенности в интервале 900-600^oC, до 100^oC, и видоизменение этого способа, заключающееся в том, что сплавы отпускают при температуре 400-300^oC с выдержкой от 3 до 15 ч с последующим медленным охлаждением до 100^oC [1].

Недостатком этого способа являются сравнительно низкие магнитные свойства материала, так как при указанных режимах не происходит удаление примесей, обычно имеющихся в металлах, ухудшающих эти свойства.

Известен способ алитирования электротехнических сталей, заключающийся в диффузионном алитировании с последующим оксидированием, при котором для получения высоких магнитных свойств в сочетании с высокой жаростойкостью и электроизоляционными характеристиками поверхности, алитирование производят по режимам, обеспечивающим концентрацию алюминия в диффузионном слое 14,5-17,5 мас.% [2].

Недостатком этого способа является то, что при соблюдении условий, составляющих его основу, магнитострикция насыщения электротехнической стали близка к нулю, что не позволяет использовать этот способ для получения магнитострикционных материалов.

Известен способ изготовления магнитострикционного сплава, содержащего 5,5-6,5% алюминия, 0,02-0,03% углерода, остальное железо, включающий выплавку, ковку, горячую прокатку с промежуточными отжигами и окончательную холодную прокатку, при котором с целью повышения магнитострикции при одновременном уменьшении магнитных полей насыщения и расширения температурного интервала стабильности после окончательной холодной прокатки проводят дополнительный отжиг в интервале 1050-1150^oC, а окончательную холодную прокатку осуществляют с обжатием 3-4% [3].

Недостатком этого способа являются невысокие магнитострикционные свойства получаемого материала, максимум которых приходится на содержание алюминия в пределах 8-14%, что значительно больше, чем 5,5-6,5% по рассматриваемому способу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ получения магнитострикционного материала преимущественно на основе сплава железо-алюминий, включающий выплавку, ковку, горячую и холодную прокатки с промежуточным и окончательным отжигами, при котором с целью повышения магнитострикции насыщения и ее температурной устойчивости, снижения удельных магнитных потерь, после окончательного отжига на поверхности материала создают снижающие напряжения, достаточные для перестройки типа доменной структуры путем нанесения магнитоактивного электроизоляционного покрытия [4].

Недостатком этого способа также являются невысокие магнитострикционные свойства получаемого материала, что определяется низким по сравнению с оптимальным содержанием алюминия.

Технический результат - получение магнитострикционного материала методом диффузионного насыщения алюминием технически чистого железа, например, электротехнической стали, обладающего лучшими характеристиками по сравнению с альферами.

Достигается технический результат тем, что обработке подвергают ленту или детали из технически чистого железа толщиной 0,18-0,6 мм методом циркуляционного диффузионного насыщения их алюминием в атмосфере хлоридов алюминия при избыточном давлении до 0,1 МПа до достижения концентрации алюминия в материале 14-22 ат.% путем нагрева до температуры 1173-1373 К и изотермической выдержки в течение 3-8 ч, причем в качестве технически чистого железа используют электротехническую сталь, а обработку методом циркуляционного диффузионного насыщения производят в муфеле установки для диффузионного насыщения, причем количество размещаемого в муфеле металлического алюминия берут в 1,5-3 раза больше расчетного для достижения требуемой концентрации алюминия в материале.

Сущность заявляемого способа состоит в том, что известный способ циркуляционного диффузионного насыщения металлов и сплавов использован для получения магнитострикционного материала "дифераль".

Насыщению подвергается лента из технически чистого железа, например, электротехнической стали, или детали преобразователя, вырубленные из этой ленты. Лента используется при изготовлении тороидальных преобразователей, а детали при изготовлении стержневых преобразователей.

Лента или детали подвергаются обезжириванию, закрепляются в специальных приспособлениях и размещаются в муфеле для диффузионного насыщения. Приспособления обеспечивают зазор между витками ленты или между деталями для обеспечения циркуляции паров хлористого алюминия.

Металлический алюминий загружается в тигли, которые размещаются в муфеле печи. Количество металлического алюминия выбирается большим, чем требуемое расчетом для достижения заданной концентрации, что связано с расходом металлического алюминия на насыщение им элементов конструкции установки, приспособлений, необходимостью сохранения на протяжении всего процесса достаточной поверхности испарения. При меньшем, чем полуторакратное, превышении количества загруженного металлического алюминия над расчетным возможно невыполнение этих условий и, как следствие, может не достигаться требуемая концентрация. При большем, чем трехкратное, превышении количества загружаемого металлического алюминия, возможно осаждение алюминия на элементах конструкции установки в большом количестве с образованием капель жидкого алюминия. При этом ускоряется разрушение элементов конструкции, а капли, достигая определенного размера, могут падать на ленту или детали, ухудшая качество материала. Хлористый алюминий AlCl₃ загружается в тигли, которые размещаются либо непосредственно в муфеле установки, либо в специальном испарителе, имеющем независимый источник нагрева для возгонки. В последнем случае имеется возможность регулирования давления паров AlCl₃ в течение процесса насыщения. Количество подлежащего возгонке AlCl₃ определяется объемом муфеля установки и необходимостью создания в нем избыточного давления до 0,1 МПа. При большем давлении наблюдается повышенное содержание интерметаллидов на поверхности ленты или деталей, также их повышенная деформация, что снижает качество материала. При работе с разрежением, то есть при отсутствии избыточного давления, неизбежен доступ кислорода воздуха через уплотнения привода циркуляционного насоса в муфеле, окисление алюминия и материала ленты или деталей, что приводит к снижению качества материала. Перед возгонкой AlCl₃ воздух из муфеля откачивается.

Производится нагрев муфеля до температуры изотермической выдержки 1173-1373 К, включается насос, обеспечивающий циркуляцию паров AlCl₃. Циркулируя в муфеле, хлористый алюминий AlCl₃ обеспечивает перенос алюминия с поверхности загруженного в тигли металлического алюминия на поверхность насыщаемых ленты или деталей по следующей схеме: в зоне расположения тиглей с металлическим алюминием образуются субхлориды алюминия по реакциям субхлориды алюминия AlCl, AlCl₂ поступают в зону, в которой размещены насыщаемые ленты и детали, на поверхности которых идут реакции диспропорционирония с выделением алюминия Образовавшийся в результате этих реакций алюминий диффундирует с поверхностей ленты и деталей в их толщу, а хлорид алюминия AlCl₃ вновь поступает в зону загруженного в тигли металлического алюминия. Изотермическая выдержка осуществляется в течение 3-8 ч, при этом меньшее значение времени соответствует наибольшему значению температуры и наименьшей толщине ленты или деталей, а наибольшее - наименьшему значению температуры и наибольшей толщине ленты или деталей. При указанных значениях времени и температуры изотермической выдержки обеспечивается достаточная равномерность концентрации алюминия по всей толщине ленты или деталей.

По истечении времени изотермической выдержки выключается нагрев муфеля и насос. При достижении температуры, близкой к температуре окружающей среды, в муфель напускается воздух. Муфель вскрывается, извлекаются приспособления с лентой или деталями. Лента или детали промываются в проточной воде для удаления сконденсировавшихся на них остатках AlCl₃.

Полученный по заявленному способу материал технологичен, имеет высокое по сравнению с альферами значение магнитострикции.

Технологичность определяется тем, что основные операции, осуществлению которых препятствовала хрупкость альферов - прокатка, порезка на ленты, штамповка - осуществляются над пластичной электротехнической сталью. Отсутствие в структуре материала оксидов алюминия уменьшает его хрупкость, обеспечивает смачиваемость припоями, как мягкими, так и твердыми.

Отсутствие в структуре материала оксидов алюминия, а также дефектов, неизбежно возникающих при прокатке хрупких, плохо сваривающихся альферов, обеспечивает увеличение по сравнению с последними магнитострикции насыщения приблизительно на 10% модуля Юнга приблизительно на 20%, механической добротности в 2,5 раза, при этом наибольшее значение магнитострикции приходится на диапазон концентрации 14-22 ат.%.

Дополнительно улучшение характеристик объясняется тем, что в процессе диффузионного насыщения происходит обеднение насыщаемого материала примесями, снижающими эти характеристики. В зависимости от коэффициентов диффузии атомов и молекул примесей, их химической активности, часть примесей дрейфует в направлении поверхности и уносится циркулирующими парами хлористого алюминия, часть дрейфует вглубь насыщаемой детали, в центре образуется тонкий слой, обогащенный примесями. Наличие такого слоя эквивалентно дополнительной шихтовке, то есть разделению ленты или детали по толщине на две. Это позволяет применять ленты и детали повышенной толщины по сравнению со случаем гомогенной структуры, что снижает издержки производства материала. Установлено, что в случае наиболее распространенной частоты ультразвуковых технологических устройств, равной 22 кГц, проникновение магнитного поля на всю толщину детали происходит при толщине ее до 0,72 мм, причем потери на вихревые токи находятся в пределах, характерных для толщин 0,1-0,3 мм деталей на основе материалов, изготовленных по обычной металлургической технологии.

В процессе насыщения ленты или детали алюминием атомы алюминия замещают атомы железа в кристаллической решетке, при этом сохраняется тип решетки - объемно-центрированная кубическая, а ее шаг меняется крайне незначительно. Уноса атомов железа насыщаемых ленты или детали не происходит. Вследствие изложенного происходит увеличение объема насыщаемого материала за счет увеличения его толщины на 20-30% в зависимости от концентрации алюминия при практически неизменных длине и ширине.

Источники информации 1. А.с. СССР N 67133, кл. C 21 D 1/78.

2. А.с. СССР N 392163. кл. C 23 c 9/02, C 23 c 17/00.

3. А.с. СССР N 1337423, кл. C 21 D 8/12.

4. А.с. СССР N 1232693, кл. C 21 D 8/12.

Формула изобретения

1. Способ получения магнитострикционного материала на основе железа, включающий диффузионное насыщение ленты или деталей, отличающийся тем, что производят насыщение алюминием ленты или деталей из технически чистого железа толщиной на 20 - 40% меньше заданной толщины материала методом циркуляционного диффузионного насыщения в атмосфере хлоридов алюминия при их избыточном давлении до 0,1 МПа до достижения концентрации алюминия в материале 14 - 22 ат.% путем нагрева до 1173 - 1373 К и изотермической выдержки в течение 3 - 8 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве технически чистого железа используют электротехническую сталь.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданную толщину магнитострикционного материала выбирают в интервале 0,25 - 0,7 мм.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что диффузионное насыщение циркуляционным методом производят в муфеле установки для диффузионного насыщения, причем количество размещаемого в муфеле алюминия берут в 1,5 - 3 раза больше расчетного для достижения требуемой концентрации алюминия в материале.