РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ ЛЕНТ Fe-Si-C

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена оптимизации технологии производства для улучшения физических свойств аморфных лент Fe-Si-C. В качестве основного метода производства описывается процесс быстрого охлаждения из жидкого состояния. Такие параметры, как скорость охлаждения, состав, скорость диска, оптимизированы для достижения желаемой аморфной структуры. Скорость вращения диска является критическим параметром, влияющим на скорость охлаждения и образование аморфной структуры. Оптимальные скорости обычно находятся в диапазоне от 10 м/с до 50 м/с. Скорость диска регулируют для достижения скорости охлаждения от 10⁵ до 10⁶ К/с, необходимой для образования аморфной структуры. Скорость потока, скорость диска и расстояние между соплом и диском калибруются для достижения необходимой толщины. Полученные ленты обладают превосходными магнитными свойствами и низкими потерями энергии по сравнению с обычными кристаллическими материалами. Эти характеристики указывают на многообещающее будущее аморфных лент Fe-Si-C в передовых технологиях, подчеркивая их высокий потенциал применения.

ABSTRACT

The article focuses on optimizing the production technology to improve the physical properties of amorphous Fe-Si-C ribbons. The rapid cooling process from the liquid state is described as the main production method. Parameters such as cooling rate, composition, disk speed are optimized to achieve the desired amorphous structure. The speed of the rotating disk is a critical parameter that affects the cooling rate and the formation of the amorphous structure. Optimal speeds typically range from 10 m/s to 50 m/s. The disk speed is adjusted to achieve a cooling rate between 10⁵ K/s and 10⁶ K/s necessary for the formation of an amorphous structure. The flow rate, disc speed and nozzle-to-disc distance are calibrated to achieve the required thickness. The resulting ribbons have superior magnetic properties and low energy losses compared to conventional crystalline materials. These characteristics indicate the promising future of Fe-Si-C amorphous ribbons in advanced technologies, emphasizing their high potential applications.

Ключевые слова: аморфный металл, мягкий магнитный материал, аморфная лента, металлическое стекло.

Keywords: amorphous metal, soft magnetic material, amorphous ribbon, metallic glass.

Введение: Аморфные ленты Fe-Si-C демонстрируют высокую магнитную проницаемость, что делает их ценными для применения в трансформаторах, индукторах и других магнитных устройствах, где важен эффективный магнитный поток. Эти ленты обладают значительно меньшими потерями по сравнению с традиционными кристаллическими материалами, такими как кремнистая сталь. Более высокая энергоэффективность и низкие эксплуатационные расходы делают их идеальными для систем распределения энергии и электрического оборудования. Аморфные ленты Fe-Si-C обладают высокой намагниченностью насыщения и могут выдерживать сильные магнитные поля без потери своих магнитных свойств. Эти ленты также обладают отличными механическими свойствами, такими как высокая прочность на растяжение и эластичность, что облегчает их использование в различных промышленных применениях. Коррозионная стойкость аморфных лент Fe-Si-C делает их подходящими для использования в суровых условиях, где воздействие влаги или химических веществ вызывает беспокойство.

Технология получения аморфных лент Fe-Si-C

Существует множество методов получения лент в аморфной структуре, но наиболее подходящим методом является закалка из жидкого состояния. Для получения аморфных лент используется медь с более высоким коэффициентом теплопередачи [1-7]. В технологии получения аморфных лент основное внимание уделяется подготовке барабана. Для этого используется медная труба диаметром 250 мм и толщиной стенки 6 мм, внутрь которой вставлен вал диаметром 60 мм с отверстиями для охлаждения (рисунок 1). Для обеспечения критической скорости охлаждения в процессе производства четыре трубы диаметром 7 мм под углом 90° соединяются от вала до внутренней поверхности барабана. Эти трубы обеспечивают охлаждение водой [8-12].

Рисунок 1. Схема охлаждающего барабана устройства для получения лент с аморфной структурой из жидкого состояния

После закрытия краев барабана устраняется асимметрия на токарном станке, в результате чего толщина барабана несколько уменьшается [12-15]. Поверхность медного охлаждающего устройства полируется и шлифуется в несколько этапов, чтобы после затвердевания жидкий металл легко отделялся от барабана. Барабан соединяется с электродвигателем через ременную передачу. Изменяя скорость двигателя, можно регулировать скорость вращения барабана [16]. Полученная аморфная лента показана на рисунке 2. Для предотвращения окисления во время термической обработки аморфная лента плавится в инертной газовой среде [16]. В этом устройстве ширина аморфных лент составляла от ~1 мм до 100 мм, толщина — от 1 мкм до 300 мкм, а длина — различная [15-17]. Во всех случаях аморфное состояние лент проверялось с помощью рентгеновских исследований.

Материалы и оборудование, используемые в исследовании

Основными исходными материалами для получения аморфных лент Fe-Si-C являются железо (Fe), кремний (Si) и углерод (C). Железо является основным компонентом материала и обеспечивает магнитные свойства и структурную целостность конечного продукта. Для этого обычно используются оксиды железа (Fe2O3 или Fe3O4) или железный порошок. Оксид железа обычно получают из железной руды методом восстановления. Здесь руда нагревается с восстановителем, таким как углерод или угарный газ, для получения металлического железа. Железный порошок также может быть произведен путем восстановления оксида железа или напрямую из железной руды в порошкообразной форме. Также в качестве источника железа и кремния может быть использовано соединение FeSi, применяемое в металлургической промышленности.

Кремний является еще одним важным компонентом аморфных лент Fe-Si-C. Он помогает улучшить магнитные свойства и коррозионную стойкость материала. Кремний обычно получают из диоксида кремния (SiO2), который широко распространен в природе в виде кварца или песка. Получение металлургического кремния включает восстановление кремния углеродом в электрической печи.

Углерод помогает управлять микроструктурой и магнитными свойствами материала в процессе синтеза лент Fe-Si-C. Углерод может быть получен из различных источников, таких как графит, уголь и другие углеродсодержащие материалы. Особенно графит является распространенным источником углерода благодаря своей чистоте и доступности. Его можно получить из природных месторождений графита или синтезировать из нефтяного кокса путем высокотемпературных процессов, таких как графитизация.

В научной литературе существуют несколько источников, описывающих возможность переработки использованной электротехнической стали для получения аморфных лент Fe-Si-C путем повторного плавления. Это может быть не только экономически выгодным, но и экологически полезным. Еще одним источником сырья для получения аморфных лент Fe-Si-C могут служить очищенные и переработанные остатки лент, которые по той или иной причине были признаны непригодными для использования.

Синтез аморфных лент Fe-Si-C обычно включает следующие этапы:

1. Подготовка материалов: Железо, кремний и углерод смешиваются в необходимых пропорциях для создания исходного материала. Точный состав исходного материала зависит от требуемых характеристик конечного продукта.
2. Синтез лент: Затем исходный материал плавится при высоких температурах в контролируемой атмосфере. Материалы плавятся в индукционной печи УПИ-60-2 в среде аргона.
3. Затвердевание расплава: Для получения аморфной фазы расплавленный материал быстро охлаждается. Это важно для предотвращения кристаллизации и формирования аморфной структуры. Расплавленный материал быстро охлаждается на вращающемся диске, в результате чего образуются тонкие аморфные ленты (рисунок 2).

Рисунок 2. Устройство для получения аморфных лент

4. Термическая обработка: В некоторых случаях аморфные ленты могут подвергаться термической обработке для улучшения магнитных или механических свойств. Термическая обработка образцов проводится в электрической печи СУОЛ-0,15,1,1./12MP-H3 при температуре до 12000°C.

Основные результаты

1. Разработка оптимизированных параметров производства аморфных лент Fe-Si-C, включая температуру плавления, скорость охлаждения и скорость вращения литьевого диска, может привести к созданию лент с новыми свойствами и обеспечению оптимальных условий обработки.
2. Правильная установка и калибровка оборудования, необходимого для производства и характеристики лент, также могут дать важные результаты. Применение инновационных техник или модификаций для улучшения точности, эффективности и возможностей экспериментов может внести значительный вклад в развитие.
3. Идентификация пробелов в текущем понимании или методологии, связанных с аморфными магнитными материалами, может стимулировать новые направления исследований и способствовать развитию знаний в области магнитного материаловедения.

Список литературы:

1. Abdullayev, A. P., Ahmadov, V. I. and Isayeva, A. A. Magnetic penetration investigation on the bands made of amorphous magnetically soft (CoFe)₇₅Si₁₀B₁₅ alloys under the thermal processing // International Journal of Modern Physics B –Sinqapur: – 2021.v.35, № 3.
2. İsayeva, A. A. , Məmmədov F.Ş., Musazadə İ.V., Musayeva S.M., Əhmədov, V. İ. and, Rafiev N.М., Fe-Si-C əsaslı maqnityumşaq amorf lentlərin ənənəvi kristallik Fe-Si  (elektrotexniki polad)  materiallarını əvəz etmə imkanları Мeждународный научно-практичeский журнал // Endless Light in Science № 2/2 extra.  Астана, Казахстан, 5 августа 2024, с.15-21
3. Abdullayev, A. P., Ahmadov, V. I. Məmmədov F.Ş., Rafiev N.М., Isayeva A.A., Fe₉₂Si₆C₂ və Fe₉₃Si₆C₁  tərkibli amorf lent nümunələrinin alınması prosesinin optimallaşdırılması // Мeждународный научно-практичeский журнал Endless Light in Science № 2/2 extra., Астана, Казахстан,  5 августа 2024, с.3-11
4. Panahov, Т.М, Rafiev N.М., Isayeva A.A., Huseynov А.H. Magnetic Thermocouples Made of CoFe and FeNi Permalloys /Technical physics –2019. v. 89, №.7. – p. 987-990
5. Rafiyev N.M, Ahmadov V.I, Isaeva A.Ə. Prospects to use amorphous Fe–Ni–Si–B ribbons in contactor cores // Ukrainian Journal of Physics-2023, T.68, №3 Abdullayev A.P., İsayeva A.Ə., Əsgərova  G.Z. Kobalt əsaslı ərintinin müvəqqəti köhnəlməsi Elmi əsərlər, Azərbaycan Memarlıq və İnşaat Universiteti, - Bakı: -2024, səh 39-44, , №1
6. Панахов, Т.М., Исаева, А.А., Рефиев, Н.М. Магнитооптические свойства аморфных лент на основе СoFe // Бюллетень науки и практике, –Нижневартовск: – 2018, т. 4. №8, – c. 136-143.
7. Cochrane, R. W. "Amorphous and Nanocrystalline Magnetic Materials," Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 17, no. 12, pp. 6469-6481, 2005.
8.  Duwez, P. "Amorphous Ferromagnetic Materials and Their Applications," Journal of Applied Physics, vol. 38, no. 3, pp. 1453-1458, 1967.
9. Diaz, J. Understanding the magnetic anisotropy in Fe-Si amorphous alloys / J Diaz, P. Jalil,   H. Zahid [et al.] //– USA: Technical report, Lab.(LBNL), –2002.
10. Herzer, G. Anisotropies in soft magnetic nanocrystalline alloys // Journal of Magnetism and Magnetic Materials , July 2005 , v. 294, Issue 2,  p. 99-106
11.  Herzer, G  Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials // Acta Materialia, - 2013 –p. 718–734.
12. Hasegawa, R. /Advance in amorphous and nanocrystalline magnet materials // Journal of Magnetism and Magnetic materials, – 2006. v. 304, №. 2, – p. 187-191.
13. Inoue, A. Takeuchi, A.  Recent development and application products of bulk glassy alloys // Acta Materialia, –2011. v. 59, –p.2243–2267
14. Koshiba, H., Inoue, A., Makino, A. Fe -based soft magnetic amorphous alloys with wide supercooled liquid region // J.Appl.Phys. – 1999. v.85, – p.5136-5138.
15. Panahov Т.М, Rafiev N.М., Huseynov А.H. Magnetic Thermocouples Made of CoFe and FeNi Permalloys /Technical physics –2019. v. 89, №.7. – p. 987-990
16. Rafiyev N.M, Ahmadov V.I, Isaeva A.Ə. Prospects to use amorphous Fe–Ni–Si–B ribbons in contactor cores //  Ukrainian Journal of Physics-2023, T68 №3
17. Rafiyev, N.M. Peculiarities of Surface Crystallization of AMA Crystallization of Amorphous Ribbon from the Contact Side // İnternational Journal of  Science Research, - 2016.v.5, p.7
18. Rafiyev, N.M. Effects of heat treatment on some magnetic properties of amorphous alloys containing (Fe-Ni)_1-х M_x (M=Si, B). // Zeitschrift für Naturforschung A ZNA, - 2022. v. 77  iss:08

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Фонда Науки Азербайджана – Грант № AEF-MQM-QA-2-2023-3(45)-05/01/1-M-01