Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.)

Висвітлено результати розроблення технології отримання магнітом’яких аморфних і нанокристалічних стрічкових сплавів на основі заліза надшвидким охолодженням розплаву, а також виготовлення з них магнітопроводів з високою термічною стабільністю магнітних властивостей. Наведено приклади впровадження р...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вісник НАН України
Date:	2015
Main Author:	Носенко, В.К.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2015
Subjects:	З кафедри Президії НАН України
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82622
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.) / В.К. Носенко // Вісн. НАН України. — 2015. — № 4. — С. 68-79. — Бібліогр.: 17 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-82622
record_format	dspace
spelling	Носенко, В.К. 2015-06-04T11:39:09Z 2015-06-04T11:39:09Z 2015 Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.) / В.К. Носенко // Вісн. НАН України. — 2015. — № 4. — С. 68-79. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82622 Висвітлено результати розроблення технології отримання магнітом’яких аморфних і нанокристалічних стрічкових сплавів на основі заліза надшвидким охолодженням розплаву, а також виготовлення з них магнітопроводів з високою термічною стабільністю магнітних властивостей. Наведено приклади впровадження розроблених нанокристалічних магнітопроводів, трансформаторів і дроселів на їх основі в таких галузях промисловості, як енергетика, силова електроніка, приладобудування. Проаналізовано перспективи їх широкомасштабного застосування. Рассмотрены результаты разработки технологии получения магнитомягких аморфных и нанокристаллических ленточных сплавов на основе железа методом сверхбыстрого охлаждения расплава, а также изготовления из них магнитопроводов с высокой термической стабильностью магнитных свойств. Приведены примеры внедрения разработанных нанокристаллических магнитопроводов, трансформаторов и дросселей на их основе в таких областях промышленности, как энергетика, силовая электроника, приборостроение. Проанализированы перспективы их широкомасштабного использования. The results reveal the development of technology for production of soft magnetic amorphous and nanocrystalline ironbased ribbon alloys by rapid melt quenching and manufacture of magnetic cores from them with high thermal stability of magnetic properties. The examples of implementation of the developed nanocrystalline magnetic cores, transformers and chokes on their base in such home industry fields as energy, power electronics, instrument making are presented and the prospects of their widespread application are reviewed. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України З кафедри Президії НАН України Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.) Аморфные и нанокристаллические сплавы для приборостроения и энергоэффективных технологий Amorphous and nanocrystalline alloys for instrument making and energy efficient technologies Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.)
spellingShingle	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.) Носенко, В.К. З кафедри Президії НАН України
title_short	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.)
title_full	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.)
title_fullStr	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.)
title_full_unstemmed	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.)
title_sort	аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні президії нан україни 25 лютого 2015 р.)
author	Носенко, В.К.
author_facet	Носенко, В.К.
topic	З кафедри Президії НАН України
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
publishDate	2015
language	Ukrainian
container_title	Вісник НАН України
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Аморфные и нанокристаллические сплавы для приборостроения и энергоэффективных технологий Amorphous and nanocrystalline alloys for instrument making and energy efficient technologies
description	Висвітлено результати розроблення технології отримання магнітом’яких аморфних і нанокристалічних стрічкових сплавів на основі заліза надшвидким охолодженням розплаву, а також виготовлення з них магнітопроводів з високою термічною стабільністю магнітних властивостей. Наведено приклади впровадження розроблених нанокристалічних магнітопроводів, трансформаторів і дроселів на їх основі в таких галузях промисловості, як енергетика, силова електроніка, приладобудування. Проаналізовано перспективи їх широкомасштабного застосування. Рассмотрены результаты разработки технологии получения магнитомягких аморфных и нанокристаллических ленточных сплавов на основе железа методом сверхбыстрого охлаждения расплава, а также изготовления из них магнитопроводов с высокой термической стабильностью магнитных свойств. Приведены примеры внедрения разработанных нанокристаллических магнитопроводов, трансформаторов и дросселей на их основе в таких областях промышленности, как энергетика, силовая электроника, приборостроение. Проанализированы перспективы их широкомасштабного использования. The results reveal the development of technology for production of soft magnetic amorphous and nanocrystalline ironbased ribbon alloys by rapid melt quenching and manufacture of magnetic cores from them with high thermal stability of magnetic properties. The examples of implementation of the developed nanocrystalline magnetic cores, transformers and chokes on their base in such home industry fields as energy, power electronics, instrument making are presented and the prospects of their widespread application are reviewed.
issn	0372-6436
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82622
citation_txt	Аморфні та нанокристалічні сплави для приладобудування і енергоефективних технологій (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 р.) / В.К. Носенко // Вісн. НАН України. — 2015. — № 4. — С. 68-79. — Бібліогр.: 17 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT nosenkovk amorfnítananokristalíčnísplavidlâpriladobuduvannâíenergoefektivnihtehnologíizamateríalaminaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni25lûtogo2015r AT nosenkovk amorfnyeinanokristalličeskiesplavydlâpriborostroeniâiénergoéffektivnyhtehnologii AT nosenkovk amorphousandnanocrystallinealloysforinstrumentmakingandenergyefficienttechnologies
first_indexed	2025-11-27T06:46:08Z
last_indexed	2025-11-27T06:46:08Z
_version_	1850805629713645568
fulltext	68 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 АМОРФНІ ТА НАНОКРИСТАЛІЧНІ СПЛАВИ ДЛЯ ПРИЛАДОБУДУВАННЯ І ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 25 лютого 2015 року Вступ Однією з найактуальніших проблем сучасного етапу технічно- го прогресу є енергозбереження, яке забезпечується створен- ням ресурсоощадних технологій, матеріалів і устаткування. Важливе місце у вирішенні цієї проблеми посідають нові ма- теріали з аморфною і нанокристалічною структурою та тех- нології їх отримання. Сьогодні кардинальне технічне й техно- логічне оновлення підприємств, що випускають вироби для радіоелектронної техніки, приладобудування та енергетики [1], неможливе без розроблення та впровадження нового висо- копродуктивного технологічного обладнання для отримання нових аморфних і нанокристалічних сплавів за технологією надшвидкого охолодження розплаву (НШОР). Нині українські показники енергоспоживання є одними з найвищих у світі, вони в 4 рази більші, ніж у країнах — чле- нах ЄС. За інформацією Міністерства палива та енергетики, у 2013 р. енергоспоживання в Україні становило 147 264 млн кВт·год, при цьому технологічні втрати електроенергії на її транспортування та розподіл електричними мережами були НОСЕНКО Віктор Костянтинович — доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу кристалізації Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Висвітлено результати розроблення технології отримання магнітом’яких аморфних і нанокристалічних стрічкових сплавів на основі заліза надшвид- ким охолодженням розплаву, а також виготовлення з них магнітопроводів з високою термічною стабільністю магнітних властивостей. Наведено приклади впровадження розроблених нанокристалічних магнітопроводів, трансформаторів і дроселів на їх основі в таких галузях промисловості, як енергетика, силова електроніка, приладобудування. Проаналізовано пер- спективи їх широкомасштабного застосування. Ключові слова: аморфні та нанокристалічні сплави, технологія надшвид- кого охолодження розплаву, приладобудування, енергозбереження. doi: 10.15407/visn2015.04.068 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 69 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ на рівні 18 997 млн кВт·год (12,8 %). Осно- вною причиною таких великих втрат є те, що сьогодні в Україні більша частина генеруючих активів (близько 200 тис. трансформаторних підстанцій напругою 6—150 кВ і приблизно 1 млн км ліній електропередач) зношені більш ніж на 35 %, а також низькоефективні [2]. Мо- дернізації та оновлення потребують електро- обладнання, системи автоматики й безпеки (зокрема, обладнання для релейного захисту високовольтних мереж), системи ведення об- ліку електроспоживання. В Україні експлуату- ють понад 100 тис. вимірювальних трансфор- маторів струму низького класу точності з осер- дями із трансформаторної сталі, в яких загаль- ний недооблік електроенергії становить більш як 200 тис. МВт·год. Крім того, в інтересах національної енергетичної безпеки розроблен- ня нових технологій, виготовлення сучасних магнітом’яких матеріалів та електротехнічного обладнання має здійснюватися в Україні. Загалом у світі 97 % осердь трансформаторів і двигунів виготовляють з неефективних ста- левих Fe-3 % Si стрічок та листів. Щороку люд- ство втрачає 670 ТВт·год (3,4 % загального спо- живання енергії) через теплові втрати в залізі. За оцінками експертів [3], використання но- вих нанокристалічних сплавів FeSiBPCu тіль- ки в період до 2020 р. може зберегти 297 млн т нафти. Для зменшення гігантських втрат по- тужності в умовах нинішнього очікування ви- сокої ефективності та поліпшених технічних характеристик гібридних/електричних тран- спортних засобів необхідно розробляти нові магнітом’які матеріали з великою індукцією насичення в поєднанні з малими питомими втратами на перемагнічування. З огляду на вищевикладене в Інституті ме- талофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України проведено цикл досліджень, основною ідеєю яких було розроблення і використання нових магнітом’яких аморфних і нанокристалічних стрічкових сплавів замість традиційних крис- талічних матеріалів з метою вирішення про- блем енергозбереження. Причому головним нашим гаслом було: кожному замовнику — конкретний сплав і виріб з комплексом потріб- них йому електромагнітних властивостей. Отримання, структура та властивості аморфних сплавів За швидкості охолодження розплаву до 106 К/с атоми сплаву певного хімічного складу не встигають сформувати кристалічну ґратку, і він твердне в аморфному стані. Особливістю Рис. 1. Схема процесу спінінгування розплаву та напівпромислова установка виготовлення аморфної стрічки 70 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ аморфних магнітом’яких сплавів (АМС) по- рівняно з кристалічними є великий (близько 20 %) вміст немагнітних елементів, таких як бор, кремній (вуглець, фосфор) та ін., необхід- них для склоутворення і стабілізації аморфної структури при швидкому твердінні з розплаву [4, 5]. Наявність цих елементів знижує макси- мальні значення індукції насичення в аморф- них сплавах порівняно з кристалічними і збільшує температурний коефіцієнт магнітних властивостей. Ці ж елементи посилюють елек- троопір, підвищують твердість, міцність і ко- розійну стійкість аморфних сплавів. Типовий склад АМС — (Fe, Co, Ni)70—85(Si, B, Р, С)15—30 в ат. % можна широко варіювати, що дозволяє перекрити великий спектр магнітом’яких влас- тивостей залежно від заданих вимог. Для отримання вихідних аморфних стрічок товщиною 17—25 мкм і шириною 6,5—25 мм було використано метод одновалкового спінін- гування розплаву на повітрі [6] (рис. 1). Розро- блена технологія дозволяє одержувати до 95 % придатної стрічки в одному виробничому ци- клі, що в 1,5—2 рази більше за показники відо- мих промислових компаній. Структура АМС характеризується відсут- ністю далекого порядку в розташуванні ато- мів і демонструє тільки близький порядок зі структурною кореляційною довжиною на рівні атомних відстаней. Це фактично миттєвий зні- мок випадкової атомної конфігурації рідкого розплаву, замороженого за типової швидкості охолодження 105—106 K/с. Аморфна стрічка формується на диску-холодильнику зі швид- кістю 25—35 м/с, що дозволяє отримувати понад 2 км стрічки за 1 хв технологічного про- цесу НШОР. Для порівняння: тонкі листи тра- диційних металевих сплавів потребують серії відносно повільних (до 1 м/с) стадій гарячої і холодної прокатки. Це означає, що чим тон- шим виходить кінцевий розмір, тим важчим і дорожчим стає процес виробництва. В Інституті створено технологічний мо- дуль для НШОР з продуктивністю близько 5 т/рік аморфних і нанокристалічних стрічок магнітом’яких сплавів, який може стати базо- вим для серійного виробництва і використову- ватися на металургійних підприємствах краї- ни (рис. 1). Обладнання, що запускається нині, дозво- лить щороку випускати близько 1 млн одиниць аморфних і нанокристалічних магнітопроводів різного призначення і розмірів. Слід підкреслити, що процес НШОР відпо- відає найвищим вимогам законодавства про охорону навколишнього середовища. Відомо, що атомна структура АМС характе- ризується мікрогетерогенною будовою, ство- реною нанокластерами з різним локальним близьким порядком. У результаті термооброб- ки сплавів певного хімічного складу з таких кластерів утворюється нанокристалічна струк- тура з унікальними електромагнітними влас- тивостями, в якій розміри кристалів і магніт- них доменів (8—15 нм) у тисячі разів менші, ніж зазвичай. Встановлено, що схильність роз- плавів до склоутворення, механізми нанокри- сталізації, магнітні й механічні властивості аморфних сплавів визначаються особливостя- ми топологічного і композиційного упорядку- вання, на які можна впливати як зміненням хімічного складу сплавів, так і температурно- часовою обробкою розплавів перед загарту- ванням. Наприклад, збільшення перегріву роз- плаву Fe80Si6B14, так само як і часу його витри- мування за температури понад 1350 ºС, сприяє істотному (до 50 %) підвищенню початкової магнітної проникності аморфного сплаву піс- Рис. 2. Вплив температурно-часової обробки розпла- ву на магнітні (початкова проникність) властивості аморфних стрічок сплаву Fe80Si6B14 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 71 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ля його оптимальної термообробки (рис. 2). Є всі підстави вважати, що цей ефект є наслід- ком успадкування особливостей структурного стану розплаву [7, 8], зумовлених його попере- дньою температурно-часовою обробкою. Структура та магнітні властивості нанокристалічних сплавів Нанокристалічного стану досягають послідов- ною термічною обробкою АМС за температу- ри, вищої, ніж температура їх кристалізації. За- звичай кристалізація аморфних металів значно погіршує їх магнітом’які властивості і формує відносно грубу мікроструктуру з розміром зе- рен близько 0,1—1 мкм. Проте в 1988 р. автори роботи [9] встановили, що кристалізація АМС Fe—Si—B з добавкою невеликих кількостей Cu і Nb дозволяє отримати надтонку зернис- ту структуру ОЦК Fe(Si) з типовим розміром зерен d1 = 10—15 нм, включених в аморфну ма- трицю. В останні роки в Інституті проводили фун- даментальні дослідження взаємозв’язку рівня Рис. 3. Двофазна структура нанокристалічного сплаву (FeSiB)96(CuNb)4: а — ТЕМ-мікрофотографія; б — рентгенограма; в — ДСК-крива нанокристалізації 72 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ магнітних властивостей з умовами отримання і атомною будовою сплавів з аморфною струк- турою на основі заліза типу Finemet. У резуль- таті було створено нові економно леговані нанокристалічні сплави цього типу [6], серед яких за рівнем магнітом’яких властивостей найкраще зарекомендували себе нанокриста- лічні сплави (FeSiB)96,6(CuNb)3,4 — ММ-1Н і (FeSiB)96(CuNb)4 — ММ-11Н. Розроблені на основі цих сплавів електромагнітні компонен- ти відповідають рівню найкращих виробів зару- біжних фірм Hitachi (Японія), Vacuumschmelze (Німеччина), Allied Signal (США) та вимогам для пристроїв, що працюють у режимі серед- ньочастотного перемикання. На рис. 3 наведено рентгенограму і характер- ну наноструктуру сплаву (FeSiB)96(CuNb)4 — ММ-11Н. Типова нанокристалічна структура з хорошими магнітом’якими властивостями утворюється, якщо аморфний стан кристалі- зується шляхом первинної кристалізації ОЦК α-Fe(Si) перед тим, як утворюються інтермета- лідні фази, такі як бориди Fe3B або Fe2B. Дуже висока швидкість зародження і повіль- ний ріст кристалічних виділень заліза необхід- ні для отримання наномасштабної мікрострук- тури і можуть бути отримані лише за умови правильного вибору складу сплаву (рис. 4). Одночасне додавання Cu і Nb призводить до утворення нанокристалічної структури, в якій мідь збільшує зародження зерен α-Fe(Si), а ні- обій, накопичуючись на фронті кристалізації, заважає укрупненню і водночас перешкоджає утворенню боридів [10]. Кінцева мікрострук- тура характеризується випадково орієнтова- ними наддрібними зернами упорядкованого за типом DО3 твердого розчину кремнію (до 20 ат. %) у залізі; залишкова аморфна матриця займає ~20—30 % об’єму і розділяє кристаліти на відстані ~1—2 нм. Ці особливості і є основою для чудових магнітом’яких властивостей, до яких належать висока початкова проникність 3·104—105 і, відповідно, коерцитивна сила, менша за 1 А/м. Автори роботи [11] на великій кількості на- нокристалічних сплавів показали, що коерци- тивна сила і початкова проникність змінюють- ся з розміром зерен як Hc ~ d1 6 та μі ~ 1/d1 6. Ці залежності виконуються для крис та літів з роз- мірами ≤ 100 нм. Ми ж для сплавів оптимізова- ного складу встановили (рис. 5), що на маг ні- то м’які властивості цих сплавів, крім розмірів d1, істотно впливає також об’єм на густина Хс нанокристалів α-Fe(Si): чим менші розміри кристалів та чим більша їх щільність, тим вищі магнітні властивості сплаву. Запропоновано модель, що більш адекватно описує кінетику ізотермічної нанокристалізації (рис. 4), ніж класична модель Колмогорова— Джонсона—Мела—Аврамі (КДМА): 3 ,( ) 1 exp (4 / 3) ( )Z HX t N R t+⎡ ⎤≈ − − π⎣ ⎦ . (1) Рис. 4. Температурна залежність частки перетворено- го об’єму в нанокристалічних сплавах різного хімічно- го складу ММ-1Н (○) та ММ-11Н (●) Рис. 5. Початкова магнітна проникність (μі) і динаміч- на коерцитивна сила (Нс) на частоті 1 кГц для осердь сплаву МM-11Н залежно від структурного параметру Хс/d1 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 73 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Ґрунтуючись на даних аналізу кінетики формування нанокристалів α-Fe, запропо- новано розглянути процес нанокристалізації як такий, що відбувається завдяки росту по- передньо сформованих зародків; при цьому на початкових етапах розміри нанокристалів збільшуються згідно з законом параболічного росту (r ≈ Dt , D — коефіцієнт дифузії), а на завершальній стадії, коли r наближається до кінцевого значення, ріст гальмується внаслі- док зіткнення дифузійних зон. Малий розмір зерен у сплаві Fe73,5Cu1Nb3Si13,5B9 [9] та в сплавах подібного складу є вирішальним у пригніченні магніто- кристалічної анізотропії. При цьому головним є те, що фази, утворені при кристалізації цих сплавів, можуть одночасно призводити до ма- лої, майже нульової магнітострикції насичен- ня λs. Саме зменшення λs в кінцевому підсумку відповідає за одночасне збільшення початкової проникності при нанокристалізаціі. У нашому випадку ми маємо справу з малими феромаг- нітними кристаликами, пов’язаними обмінни- ми взаємодіями [9—12], з малою коерцитивною силою і водночас з високою проникністю, що є наслідком згладжувального ефекту обмінної взаємодії для структурних кореляційних до- вжин, набагато менших, ніж ширина стінок до- менів [13, 14]. Отже, ці нові нанокристалічні сплави мають чудові магнітом’які властивості, досі досягнуті лише в Мо-пермалоях і аморфних сплавах на основі Со, але за значно вищої індукції наси- чення (Bs = 1,2 т і більше), яка характеризує потенційну енергомісткість матеріалу. Приклади впровадження нанокристалічних магнітопроводів Малі втрати на вихрові струми стрічкових осердь з аморфних або нанокристалічних стрі- чок по суті зумовлені розміром тонкої стрічки d ≈ 20 мкм і відносно високим електричним пи- томим опором (ρ ≈ 100—130 мкОм·см), що за- лежить від мікроструктури. Як видно з рис. 6, питомі втрати в нанокристалічних осердях ста- новлять 50—60 Вт/кг при 100 кГц, 0,2 Т і 25 ºС проти 180 Вт/кг для феритів. На більш низь- ких частотах перетворення позитивна різниця виявляється ще більшою. Завдяки цьому під час розроблення імпульсних джерел живлен- ня масогабарити вихідного трансформатора вдається зменшити від 2 до 8 разів порівняно з трансформатором на Mn-Zn-фериті (рис. 7). Відомо, що магнітна анізотропія за умови правильного використання може бути потуж- ним інструментом регулювання форми петлі гістерезису відповідно до вимог різних засто- сувань. Як в аморфних, так і в нанокристаліч- них матеріалах її можна реалізувати відпалю- ванням або в магнітному полі, або при розтягу- вальних напруженнях, причому обидва спосо- би дають однорідну одновісну анізотропію. Рис. 6. Залежність втрат в осерді від частоти для маг- нітом’яких матеріалів для середньочастотних силових трансформаторів Рис. 7. Порівняння вихідної потужності силових транс форматорів, виконаних з використанням нано- кристалічних і феритових осердь 74 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Відпал у магнітному полі наводить одновіс- ну анізотропію з легкою віссю, паралельною напрямку магнітного поля, прикладеного при термообробці. Утворення анізотропії пов’язане з напрямленим атомним упорядкуванням уздовж напрямку локальної намагніченості для мінімізації енергії спін-орбітального зв’яз- ку [15]. Лінійні петлі для нанокристалічного сплаву (рис. 8а) отримували термообробкою в поперечному полі, тобто наведенням одновіс- ної анізотропії перпендикулярно до осі стріч- ки. Процес намагнічування визначається обер- танням векторів намагніченості від осі легкого намагнічування до напрямку осі стрічки. Це зумовлює отримання проникності μе прак- тично постійної аж до магнітного насичення. Величина проникності визначається енергією константи наведеної анізотропії Ku: 2 02 s e u J K μ = μ , (2) де μ0 — магнітна стала, Js — намагніченість на- сичення. Ця лінійна форма петлі має найбільш відтворювані властивості, найменші втрати і, отже, є особливо важливою для застосування аморфних і нанокристалічних матеріалів. Прямокутна петля (рис. 8б) з одновісною анізотропією, паралельною осі стрічки, досяга- ється після термообробки в поздовжньому маг- нітному полі. Процес намагнічування контро- люється переміщенням на 180° стінок доменів. У такий спосіб досягають найвищих значень максимальної проникності. Питомі втрати на перемагнічування в аморфних і нанокриста- лічних сплавах менші за втрати в електротех- нічній сталі в 3 та 15 разів відповідно. У наступних модифікаціях складу розро- блених нанокристалічних сплавів встановле- но нові можливості регулювання параметрів петлі перемагнічування. Зокрема, для моди- фікованого Со і Si нанокристалічного сплаву ММ-12Н уперше отримано ростову текстуру нанокристалів у вихідній стрічці, яка не зни- кає при подальшій термічній обробці і рості нанокристалів. Коефіцієнт прямокутності пет- лі гістерезису (Вr/Bs) цього сплаву залежно від вимог можна змінювати від 0,05 до 0,9, ви- Рис. 8. Приклади петель гістерезису: а — після різних термообробок нанокристалічного сплаву; б — просто- го аморфного сплаву (Fe—Si—B) і трансформаторної сталі; в — приклад безгістерезисної петлі перемагні- чування осердя зі сплаву ММ-12Н з поперечною маг- нітною анізотропією, наведеною термомеханічною обробкою ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 75 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ користовуючи термічну та/або термомагнітну обробку магнітопроводів. Регулювання параметрів петлі перемагні- чування стало можливим також з використан- ням методики термомеханічної обробки стрі- чок сплавів ММ-11Н і ММ-12Н. На рис. 8в показано приклад безгістерезисної петлі пере- магнічування осердя з поперечною магнітною анізотропією, наведеною термомеханічною об- робкою стрічки при невеликому розтягуючо- му зусиллі, прикладеному при її охолодженні нижче температури Кюрі (Тс = 600 ºС). Метою досліджень нових складів сплавів є збільшення намагніченості насичення до зна- чення, близького до Bs чистого α-Fe, при збере- женні майже нульової магнітострикції. Головна перешкода для отримання сплавів з високим вмістом заліза — недостатня склоутворююча здатність. Автори [16] повідомляли про отри- мання високих значень індукції насичення Bs = = 1,88—1,94 T в поєднанні з малою коерцитив- ною силою Нс = 7—10 А·м−1 та низькою магні- тострикцією λs = 2—3 ppm в сплавах системи Fe83,3—84,3Si4B8P3—4Cu0,7 завдяки одночасному введенню добавок P і Cu замість Nb або Ta. Наші нові сплави, збагачені Fe, можна отри- мувати традиційними технологіями лиття на повітрі, хоча процес лиття слід ще оптимізувати з урахуванням зниженої склоутворюючої здат- ності. Подальші дослідження потрібні також для визначення умов відпалу, які є більш критич- ними для таких сплавів [17], ніж для добре ві- домих сплавів системи FebalCu1Nb3Si13—16B6—8, зокрема ММ-11Н і ММ-12Н. Порівняння основних магнітних характе- ристик кращих аморфних і нанокристалічних магнітопроводів із розроблених нами сплавів з властивостями трансформаторної сталі і пер- малою наведено в таблиці. На рис. 9 зображено важливі з практичного погляду температурні залежності властивос- тей наших нанокристалічних сплавів [6]. Поєднання високої індукції насичення і ви- сокої проникності разом з хорошою частотною характеристикою, малими втратами і відмін- ною термічною стабільністю дозволяє змен- шити розмір і вагу магнітних компонентів, що Основні магнітні характеристики кращих аморфних і нанокристалічних магнітопроводів порівняно з традиційними кристалічними сплавами Сплав Bs, T Hc, A/м μі P10/400, Вт/кг P10/1000, Вт/кг ММ-2 (АМС— FeNiMoSiB) 1,50 3,5 3500— 7000 2,0 6,0 MM-11N (НКС— FeSiBAlNbCu) 1,25 0,5 40000— 120000 0,4 1,2 Fe83Si4B8P4Cu1 (НКС) 1,82 3—5 20500 4,77 13,9 Пермалой 81НМА (стрічка сплаву NiMoFe) 0,8 0,5 50000 — — Fe—6,5 мас. % Si 1,85 4,5 2000— 5000 5,98 18,7 Fe—3 мас. % Si 2,03 8 1700 7,8 27,1 P10/400 і P10/1000 — втрати в осерді за максимальної індукції Вm = 1,0 Т і частоти перемагнічування 400 і 1000 Гц відповідно. Рис. 9. Температурна стабільність індукції насичення (а) і початкової магнітної проникності (б) нанокри- сталічних сплавів 76 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ використовуються, наприклад, в імпульсних джерелах живлення або системах телекому- нікації. Оскільки основою нанокристалічних сплавів є недорога сировина — залізо і крем- ній, вони становлять конкуренцію не лише аморфним сплавам на основі Со, а й промисло- вим кристалічним сплавам та феритам. Тому постійно зростає їх застосування в магнітопро- водах автоматичних вимикачів замикання на землю, скомпенсованих за струмом дроселів і високочастотних трансформаторів. Сьогодні світове виробництво нанокристалічних спла- вів перевищує 1000 т/рік і продовжує збільшу- ватися. Головним недоліком нанокристалічних матеріалів є значне окрихчення при нанокрис- талізації [4], що потребує відпалу виключно кінцевої форми і обмежує їх застосування пе- реважно тороїдальними стрічковими осердя- ми. Однак цю проблему ми успішно вирішує- мо, використовуючи спеціальні просочення і зовнішні полімерні покриття, специфічні для кожного конкретного застосування. Наші нанокристалічні магнітопроводи, на від- міну від традиційних феритових, здатні ефектив- но працювати в рекордно широкому температур- ному інтервалі від −60 до +150 °С, дозволяють у 1,5—8 разів зменшити масу і габарити виробів, до 40 % знизити масу міді в обмотках, забезпечити істотне зниження затрат на виробництво одини- ці кінцевої продукції з одночасним підвищенням її технічного рівня і значну (в 1,3—2 рази) еконо- мію електроенергії при експлуатації виробів. Ці розробки вже частково впроваджено на підпри- ємствах України та за її межами. Так, нанокрис- талічні магнітопроводи зі сплаву ММ-11Н вико- ристовують у силовій електроніці, зокрема для установок промислової електронно-променевої плавки титану (Міжнародна компанія «Анта- рес», Київ); силових імпульсних джерел жив- лення електровозів (Дніпропетровський науко- во-ви роб ничий комплекс «Електровозобудуван- ня» і Особливе проектно-конструкторське бюро джерел живлення); установок для ВЧ-плавки і гартування (Науково-практичний центр Націо- нальної академії наук Білорусі з механізації сіль- ського господарства, Мінськ) та ін. Промислову апробацію на вітчизняних підприємствах зараз проходять різноманітні трансформатори сило- вих імпульсних джерел живлення і модуляторів, зокрема у високовольтних перетворювачах по- Рис. 10. Приклади застосування нанокристалічних магнітопроводів зі сплаву ММ-11Н: а — для силових транс- форматорів імпульсних високовольтних (до 60 кВ) надпотужних (до 500 кВт) джерел живлення; б — для серійно- го виробництва силових блоків живлення електровозів; в — трансформатори для перетворювачів частоти устано- вок ВЧ-плавки і гартування; г — магнітопроводи і трансформатори серійних високовольтних і високочастотних імпульсних джерел живлення та модуляторів потужністю від 0,001 до 30 МВт в імпульсі ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 77 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ тужністю до 30 МВт в імпульсі для живлення найновіших магнетронів, в узгоджуючих широ- космугових трансформаторах радіо- і телефон- них мереж, у складі високоефективних дроселів фільтрів (рис. 10). НВП «Електроавтоматика» і «АТ-Система» провели апробацію виготовлених з викорис- танням високостабільних нанокристалічних магнітопроводів силових трансформаторів (2,5 кВ·А) в імпульсних джерелах живлення спеціального призначення (ремонт і модерніза- ція бронетехніки) (рис. 11). Ці трансформатори мають такі переваги, як низькі ватні втрати на частотах 10—20 кГц завдяки використанню на- нокристалічного магнітопровода; втричі менші масогабарити, ніж у трансформаторів на фериті, високий рівень напруги пробою та висока меха- нічна стійкість після проживлення та сушіння; широкий температурний інтервал стабільності електромагнітних параметрів трансформатора (робоча температура може становити 120 °С). На основі нанокристалічних магнітопрово- дів масою 0,7—2,4 кг створено вимірювальні трансформатори струму класів точності від 0,5S (комерційний облік) до 0,01 (еталонні) (Хмель- ницьк обленерго, «Олтест») (рис. 12), які до- пускають значно менші похибки в широкому діапазоні вимірювання первинного струму. За своїми характеристиками вони не поступаються світовим аналогам. В Інституті прецизійних ви- мірювань Укрметртестстандарту нанокристаліч- ні магнітопроводи застосовують в еталонних ви- мірювачах імпедансу (мостах змінного струму). Надзвичайно ефективним виявилося ви- користання мініатюрних тороїдальних магні- топроводів (рис. 13) для широкосмугових ім- пульсних ВЧ-трансформаторів і дроселів теле- комунікаційних систем, у тому числі спеціаль- ного призначення. Високі показники основних магнітних характеристик таких нанокриста- лічних стрічкових магнітопроводів для роботи на високих частотах (50 кГц — 5 МГц) характе- ризуються також високою температурною ста- більністю. Робоча температура традиційних магнітом’яких матеріалів зазвичай не переви- щує 95 °C, тоді як нові нанокристалічні осердя з високою теплопровідністю зовнішньої ізо- ляції можуть працювати впродовж тривалого часу за температури до 180 °C. Застосування розроблених трансформато- рів і блоків трансформаторів у приймально- передавальних трактах систем передачі даних у стандарті ISDN дозволить знизити масогаба- ритні характеристики, зменшити енергоспожи- вання, підвищити завадозахищеність, до 2 по- рядків збільшити швидкість оброблення інфор- мації, підвищити надійність функціонування Рис. 11. Трансформатори для імпульсних (10—15 кГц) блоків живлення потужністю 2,5—3 кВт Рис. 12. Еталонний трансформатор струму на основі нанокристалічних магнітопроводів Рис. 13. Мініатюрні тороїдальні магнітопроводи (МТ) для трансформаторів і дроселів телекомунікаційних систем 78 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ апаратури зв’язку перспективних комплексів. Такі трансформатори дають можливість переда- вати текстову, цифрову, звукову та інші види ін- формації по єдиному кабелю, у системах зв’язку вони дадуть змогу замінити імпортні аналоги, що знизить їх вартість і розширить ринки збуту для вітчизняного виробника. Споживачами мі- ніатюрних високостабільних магнітопроводів МТ вже стали підприємства «Хартрон-Плант», «Радар», Київський завод автоматики ім. Г.І. Пе- тровського. На сьогодні в Україні виробництво аморфних і нанокристалічних магнітопрово- дів здійснює лише єдине підприємство — ТОВ «МЕЛТА», якому вдалося самостійно створити дослідно-промислове виробництво потужністю всього близько 2 т/рік [6]. Ще одним показовим прикладом ефективно- го використання аморфних сплавів замість тра- диційних кристалічних прокатних є розроблен- ня і впровадження аморфного сплаву ХКБРС. Цей сплав вдало поєднує характеристики міц- ності і пластичності з високим рівнем електро- опору (>140 мкОм·см), що дає можливість його ефективного використання замість ніхромових, фехралевих та вуглеволоконних матеріалів у високоміцних корозійностійких стрічкових низькотемпературних нагрівачах промислово- го і побутового призначення. Впровадження розробки вже розпочато на малому науково- виробничому підприємстві ТОВ «МЕЛТА», яке випускає дослідні й дослідно-промислові партії аморфних стрічок та інфрачервоних нагрівачів на основі ліцензійного договору з Інститутом металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН Украї- ни. Основними перевагами нових «аморфних» інфрачервоних нагрівачів є менші енергетичні затрати при еквівалентній тепловіддачі та по- ліпшені механічні і корозійні характеристики. В актовому залі Інституту металофізики вста- новлено автоматизовану систему локального обігріву, яка забезпечує економію споживання електроенергії порівняно з електрокалорифера- ми принаймні вдвічі. Споживачами аморфного сплаву ХКБРС нині вже є також підприємства ПАТ «Індуктор» (Івано-Франківськ) та НВК «Сапро» (Дніпропетровськ). Перспективними галузями використання розробки є як промислове, так і побутове осно- вне та додаткове опалення, промислове су- шильне обладнання, металургійна і деревооб- робна промисловість, сільське господарство. Висновки Отже, реалізація розроблених нами нанотех- нологій полягає в отриманні вихідних преци- зійних сплавів та аморфних стрічок, створенні технологій та виготовленні готових магніто- проводів, індуктивних компонентів, силового електротехнічного і електронного обладнання, вимірювальних приладів. Найбільшого ефекту від впровадження запропонованих інновацій- них нанотехнологій слід очікувати передусім в енергетиці, оскільки вони відкривають шлях до істотної, в масштабах країни, економії елек- троенергії та, відповідно, до зменшення енер- гетичної залежності нашої держави. Ми сподіваємося, що наведені приклади ви- користання результатів наукових розробок Ін- ституту металофізики на рівні промислового виробництва привернуть увагу керівників про- відних підприємств до наявності реальних мож- ливостей виведення промисловості України на якісно новий щабель за допомогою готових до впровадження інноваційних технологій, які вже сьогодні пропонують установи НАН України. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Энергосбережение в Европе: применение энергоэффективных распределительных трансформаторов. — Евро- пейский ин-т меди. Проект № STR-1678-98-ВЕ // Энергосбережение. — 2003. — № 6. — С. 66—71. 2. Енергетична стратегія України на період до 2030 р. — Розпорядження Кабінету Міністрів України від 24.07.2013 № 1071. 3. JFE 21 An introduction to iron and steel processing. — http://www.jfe-21st-cf.or.jp/chapter_1/1d_ 2.html. 4. Маслов В.В., Ткач В.И., Носенко В.К. и др. Термически обусловленное охрупчивание аморфных сплавов Fe-Si-B- Cu-Nb // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 1. — С. 62—70. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 4 79 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ 5. Davies H., Gibbs M. Amorphous Alloys // Handbook of Magnetism and Advanced Materials. — V. 4. — London: John Wiley & Sons, 2007. — 1801 р. 6. Шпак А.П., Маслов В.В., Носенко В.К. Ресурсозберігаючі технології виробництва нанокристалічних прецизійних магнітних матеріалів як складова інноваційного розвитку енергетичної та електротехнічної галузей промисловості України // Наука та інновації. — 2005. — Т. 1, № 3. — С. 92—111. 7. Маслов В.В., Ильинский А.Г., Носенко В.К. и др. О структуре расплава, ее наследовании при аморфизации и влиянии на магнитные свойства аморфного сплава Fe80Si6B14 // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 2. — С. 105—115. 8. Mogilny G.S., Shanina B.D., Maslov V.V. et al. Structure and magnetic anisotropy of rapidly quenched FeSiB rib- bons // J. Non-Cryst. Sol. — 2011. — V. 357. — P. 3237—3244. 9. Yoshizawa Y., Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure // J. Appl. Phys. — 1988. — V. 64. — P. 6044—6046. 10. Маслов В.В., Носенко В.К., Тараненко Л.Е., Бровко А.П. Нанокристаллизация в сплавах типа Finemet // Физика металлов и металловедение. — 2001. — Т. 91, № 5. — С. 47—55. 11. Herzer G. Nanocrystalline soft magnet materials // J. Magn. Magn. Mat. — 1996. — V. 157, N 8. — P. 133—136. 12. Herzer G. Grain Structure and Magnetism of Nanocrystalline Ferromagnets // IEEE Trans. Magn. — 1989. — V. 25. — P. 3327—3329. 13. Herzer G. The random anisotropy model: a critical review and update // Properties and applications of nanocrystal- line alloys from amorphous precursors. — Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2005. — P. 15—34. 14. Herzer G. Anisotropies in soft magnetic nanocrystalline alloys // J. Magn. Magn. Mat. — 2005. — V. 294. — P. 99—106. 15. Fujimori H. Magnetic Anisotropy // Amorphous Metallic Alloys. — London: Butterworth, 1983. — P. 300—316. 16. Makino A. Soft magnetic FeSiBPCu heteroamorphous alloys with high Fe content // J. Appl. Phys. — 2009. — V. 105. — P. 07A308. 17. Ohta M., Yoshizawa Y. High Bs nanocrystalline Fe84-x-yCuxNbySi4B12 alloys (x = 0.0—1.4, y = 0.0—2.5) // J. Magn. Magn. Mat. — 2009. — V. 321. — P. 2220—2224. В.К. Носенко Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной академии наук Украины бул. Академика Вернадского, 36, Киев, 03680, Украина АМОРФНЫЕ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Рассмотрены результаты разработки технологии получения магнитомягких аморфных и нанокристаллических ленточных сплавов на основе железа методом сверхбыстрого охлаждения расплава, а также изготовления из них магнитопроводов с высокой термической стабильностью магнитных свойств. Приведены примеры внедрения разработанных нанокристаллических магнитопроводов, трансформаторов и дросселей на их основе в таких об- ластях промышленности, как энергетика, силовая электроника, приборостроение. Проанализированы перспективы их широкомасштабного использования. Ключевые слова: аморфные и нанокристаллические сплавы, технология сверхбыстрого охлаждения расплава, приборостроение, энергосбережение. V.K. Nosenko Kurdyumov Institute for Metal Physics of National Academy of Sciences of Ukraine 36 Vernadsky Prospect, Kyiv, 03680, Ukraine AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE ALLOYS FOR INSTRUMENT MAKING AND ENERGY EFFICIENT TECHNOLOGIES The results reveal the development of technology for production of soft magnetic amorphous and nanocrystalline iron- based ribbon alloys by rapid melt quenching and manufacture of magnetic cores from them with high thermal stability of magnetic properties. The examples of implementation of the developed nanocrystalline magnetic cores, transformers and chokes on their base in such home industry fields as energy, power electronics, instrument making are presented and the prospects of their widespread application are reviewed. Keywords: amorphous and nanocrystalline alloys, rapid melt quenching technology, instrument making, energy saving.

Institution

Similar Items