Аморфні сплави – особливий клас прецизійних сплавів, що відрізняються від кристалічних сплавів структурою, способом виготовлення і комплексом фізичних властивостей. У структурі аморфних сплавів відсутня періодичність в розташуванні атомів. У порівнянні з кристалічним металом аморфні сплави в кілька разів міцніші, мають більш високу корозійну стійкість і кращі електромагнітні характеристики.
Аморфний стан досягається підбором хімічного складу сплаву і використанням спеціальної технології надшвидкого охолодження зі швидкістю вище критичної, для чого вихідний розплав виливається на диск, що швидко обертається. При попаданні на поверхню диска розплав охолоджується зі швидкістю близько 106 К/с і перетворюється в стрічку товщиною від 15 до 60 мкм, має аморфну структуру, аналогічну структурі скла. Зі стрічки формують магнітопроводи потрібної форми і розміру. Надання матеріалам специфічних властивостей (наприклад, петля гістерезису певної форми) досягається термо- або термомагнітною обробкою, в результаті якої структура стрічки може залишитися аморфної, стати частково кристалізованою або нанокристалічною. Перший нанокристалічний сплав розробили інженери компанії Hitachi Metals в 1988 р. Всього через кілька років нові матеріали набули широкого поширення у всьому світі.
У матеріалі з нанокристалічною структурою кристаліти розташовані по всьому об’єму стрічки і мають діаметр 10…20 нм. Завдяки цій структурній особливості досягається висока магнітна проникність і найменша коерцитивної сила. Поряд з цим мала товщина стрічки і відносно високий питомий опір (110…120 мкОм/см) забезпечують низькі втрати на вихрові струми і чудові частотні характеристики магнітної проникності.
Часткову кристалізацію отримують перериванням процесу на початковій стадії термічної обробки. Кристалізований матеріал займає менший об’єм, ніж цей же матеріал з аморфною структурою, через щільну упаковку атомів. В результаті поверхневі шари товщиною не більше 1 мкм, в яких виростають кристаліти на початковій стадії, стискають центральний шар стрічки з аморфною структурою. Така багатошарова структура стрічки (кристалічна – аморфна – кристалічна) забезпечує лінійність кривої намагнічування матеріалу.
Магнітопроводи з аморфних і нанокристалічних сплавів мають значно менші питомі магнітні втрати в порівнянні з електротехнічної сталлю, пермалоями і феритами. Вони володіють високою відносною початкової і максимальної магнітної проникністю і індукцією насичення на високих частотах. Завдяки унікальним властивостям, аморфні сплави набули широкого поширення в сучасній радіоелектронній апаратурі, насамперед, в трансформаторах вторинних джерел живлення РЕА на частотах до 100 кГц, широкосмугових трансформаторах пристроїв зв’язку, імпульсних трансформаторах з потужністю імпульсу до десятків МВт на частотах від 0,5 МГц і вище, вимірювальних трансформаторах струму і напруги, узгоджуючих трансформаторах, магнітних модуляторах, високочутливих датчиках змінного і постійного струму, в магнітних екранах, дроселях фільтрів та насичення, накопичувальних дроселях і т.д.
Магнітні властивості нового нанокристалічного сплаву ММ-11Н визначаються їх унікальною однодоменною структурою (5…12 нм), яка досягається регульованою термочасової обробкою аморфних стрічок зі сплавів Fe-Nb-Cu-Si-B з можливими іншими добавками. Подібна структура стрічки має:
- високу термічну стабільність (температура Кюрі: 600 °С, кристалізації: 500 °С);
- високу термічну стабільність значень втрат в осерді на перемагнічування PC. В широкому температурному діапазоні PC має слабкий негативний температурний коефіцієнт;
- високу індукцію насичення, яка дорівнює 1,25 Тл ± 15% в діапазоні температур –
–60 … +130 °С
- низьку коерцитивну силу і магнітострикцію насичення ± 0,5 ppm, що характерно для аморфних сплавів на основі кобальту.
Висока термочасова стабільність початкової магнітної проникності осердь досягається наступними технологічними прийомами:
- ретельною оптимізацією хімічного складу сплаву;
- застосуванням сучасних методів фінальної обробки сердечників (термомагнітна обробка, швидкісне гартування);
- використанням рідких просочувальних термостійких матеріалів і нових полімерних покриттів при капсулюванні сердечників.
Властивості магнітопроводів із аморфних та нанокристалічних сплавів
Нижче наведені типові характеристики сплавів марки ММ, отримані при вимірюванні стандартних осердь МТ03210-Р-0020 в пластикових боксах, стрічка товщиною 25 мкм після оптимальної термообробки, міжвиткове ізоляційне покриття відсутнє.
Марка сплаву → | ММ-11Н | ММ-2 | ММ-5Со |
Параметри ↓ | |||
Основний компонент сплаву | Fe | Fe | Co |
Товщина стрічки, мкм | 15 ÷ 30 | 15 ÷ 30 | 15 ÷ 30 |
Питомий електричний опір, ρ, [Ом•мм2/м] | 1,20 | 1,25 | 1,35 |
Термічний коефіцієнт опору (20…200 C°), [10-4/K] | 1,0 | 1,8 | 0,8 |
Індукція насичення, BS, [Тл], не менше | 1,20 | 1,45 | 0,46 |
Температура Кюрі, ТC, [С°] | 605 | 390 | 160 |
Магнітострикція насичення, [ppm] | 1,5 ± 0,2 | 24,0 | 0,2 |
Статична коерцитивна сила, Нс, [А/м] | 0,5…0,7 | ≤ 3 | ≤ 0,2 |
Початкова магнітна проникність (f = 1 кГц, Н=0,1 А/м), µі | 30000 ÷ 120000 | 2000 ÷ 15000 | 1000 ÷ 160000 |
Максимальна магнітна проникність (f = 1 кГц, Н=0,1 А/м), µmax | 60000 ÷ 450000 | ||
Питомі втрати в осерді, Pfe, [Вт/кг], (0,2 Тл / 20 кГц) | ≤ 5 | ≤ 10 | 3 |
Питомі втрати в осерді, Pfe, [Вт/кг], (0,3 Тл / 100 кГц) | ≤ 110 | 180 | 100 |
Діапазон робочих температур, [С°] | –60 ÷ +120 | –60 ÷ +100 | –40 ÷ +95 |
Максимальна температура використання, [C°] | 130 | 120 | 105 |