Способ получения магнитомягкого материала

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению магнитомягких материалов на основе железа. Может использоваться для изготовления магнитопроводов, роторов и статоров электрических машин, полюсных наконечников, телефонных мембран. Исходную шихту, содержащую порошки железа и кремния, подвергают предварительной механической активации путем дробления в механическом энергонапряженном агрегате. В случае использования в качестве энергонапряженного агрегата вибромельницы активацию проводят в течение 3-4 часов, а в центробежно-планетарной мельнице - в течение 20-60 минут. Спекание проводят при температуре 1150-1300°С в вакууме. Полученный материал имеет высокую прочность и плотность, низкую коэрцитивную силу, высокое удельное электросопротивление и намагниченность. 5 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к производству магнитомягких материалов для магнитопроводов, роторов и статоров электрических машин, полюсных наконечников, телефонных мембран, и др., работающих в переменных магнитных полях средних частот.

В электротехнической промышленности давно известно положительное влияние кремния на магнитные свойства магнитомягких материалов на основе железа. Легирование железа кремнием приводит к уменьшению коэрцитивной силы и значительному увеличению электросопротивления и магнитной проницаемости. Магнитомягкие материалы системы Fe-Si обладают наивысшей магнитной проницаемостью и наименьшей коэрцитивной силой при содержании кремния 6-7 вес.%.

Использование методов порошковой металлургии позволяет получать готовые изделия сложной формы в любых концентрационных соотношениях химических элементов. В работе (Кузнецов И.А., Дорогина Г.А., Горкунов Э.С., Антенорова Н.П., Задворкин С.М., Панкратов А.А. Физико-механические свойства и структура порошковых материалов системы Fe-Si. Физика металлов и металловедение, 2006, №3) показано, что магнитные, электрические и механические свойства приобретают оптимальные эксплуатационные параметры для порошковых материалов: Н_c≤90 А/м; ρ≥130·10⁸ Ом·м; HR 5/100≥100 при концентрации кремния 6-10%. Но в этой концентрационной области резко уменьшается плотность материалов (6,5-5,5) г/см³, что приводит к неудовлетворительной намагниченности насыщения - (112-95)·10⁴ А/м.

Для работы материала в качестве ротора электрических машин, наряду с хорошими электромагнитными свойствами, важную роль играет механическая прочность изделия, так как круговое движение ротора достигает 50 и более оборотов в секунду.

Известен способ получения магнитомягкого материала на основе железа, содержащего кремний (Авторское свидетельство СССР №714518, МПК Н01F 1/20; В22F 3/12, опубликовано 05.02.80, БИ №5, 1980). Способ заключается в прессовании заготовки, легировании железа кремнием в процессе спекания в среде порошкообразного кремния при 1000-1100°С в течение 2-6 часов.

Недостаток известного способа - низкие магнитные свойства из-за неравномерного распределения кремния в материале. Это происходит из-за того, что засыпанный кремнием в начале изготовления магнитомягкий материал при спекании, постепенно разогреваясь, с поверхности интенсивно поглощает кремний, в результате чего поверхность магнитопровода перенасыщена кремнием, а в направлении к центру концентрация кремния снижается и в центре наблюдается его недостаток.

Известен способ изготовления магнитомягкого материала на основе железа, содержащего кремний (Патент РФ №2030805, МКИ Н01F 1/22, В22F 3/12, 3/24, опубликовано 10.03.2005), заключающийся в том, что железный порошок прессуют, полученные заготовки спекают при 1200°С, охлаждают до 800-900°С и при этой температуре легируют порошкообразным кремнием в течение 1-3 часов.

Недостатком способа также является неравномерное распределение кремния по всему объему материала из-за снижения температуры легирования. В этом материале должна быть низкая плотность, так как высокая плотность прессовок железа будет препятствовать диффузии кремния с поверхности образца внутрь.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ изготовления магнитомягкого материала с 6,5%-ным содержанием кремния, полученный путем смешивания порошков железа и кремния, прессования заготовок при удельном давлении 15 т/см² и спекании в течение 20 ч при 1300°С (ж. «Физика металлов и металловедение», т.12, вып.2, 1961, с.183-187).

Недостатком способа является то, что для достижения параметров магнитомягких материалов прессование заготовки ведут при повышенном давлении (15 т/см²), так как смесь порошков железа и кремния имеет более низкий коэффициент уплотнения, чем чистый порошок железа. А для повышения удельного электросопротивления магнитомягкого материала на основе железа при использовании в переменных магнитных полях необходимо повышать содержание кремния в составе. Вторым недостатком является длительность спекания (20 ч) для достижения гомогенной структуры.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение служебных характеристик магнитомягкого материала за счет снижения коэрцитивной силы, увеличения удельного электросопротивления и намагниченности, а также повышения прочности материала путем значительного увеличения плотности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения магнитомягкого материала на основе железа, содержащего кремний, включающего смешивание порошков исходной шихты, прессование заготовки и последующее спекание, согласно изобретению исходную шихту подвергают предварительной механической активации путем совместного дробления порошков железа и кремния в механическом энергонапряженном агрегате, а спекание проводят при температуре в диапазоне от 1150° до 1300°С в вакууме.

При этом механическую активацию исходной шихты проводят в механическом энергонапряженном агрегате типа вибромельница в течение 3-4 часов или центробежно-планетарной мельнице в течение 20-60 минут.

Использование метода механической активации исходной шихты увеличивает плотность материалов независимо от прочих условий, например давления прессования и химического состава (особенно чистоты порошков по кислороду и углероду) и т.д., а также очень быстро достигается гомогенная структура материала системы Fe-Si. Это ведет к улучшению служебных характеристик магнитомягкого материала по сравнению с материалом, выполненным в тех же условиях, но без механической активации.

Спекание при температуре 1150°-1300°С в вакууме обеспечивает релаксирующее действие, которое приводит к хорошей спекаемости и уплотняемости материала за счет активных диффузионных процессов. Спекание при температуре менее 1150°С замедляет активность диффузии кремния в железо, а спекание при более 1300°С приводит не только к увеличению энергозатрат, но и может привести к некоторому изменению формы изделия из-за значительного увеличения диффузионных процессов.

В результате информационного поиска установлена заявка на изобретение №2003130954/03 «Способ получения сильно уплотненных, сверхпроводящих, массивных тел из MqB₂, связанных с ними твердых конечных продуктов и их использование», в котором для увеличения плотности материала используют метод механической активации путем измельчения порошка бора и последующее уплотнение материала. После этого проводят термообработку в диапазоне от 800° до 1000°С в течение 1-3 ч.

Недостатком данного способа является то, что, во-первых, механической активации подвергается только одна компонента системы и, во-вторых, данная система не является ферромагнитной.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Пример 1. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и кремния марки Кр1 в соотношении 93,9:6,1 соответственно подвергали дроблению в вибромельнице типа ИВ-микро в течение 3 и 4 часов. После этого из порошков прессовали образцы в виде параллелепипеда при 800 МПа и спекали в вакууме при 1150°С в течение 3 часов. Элементом сравнения является образец, выполненный в тех же условиях, но не подвергавшийся дроблению в вибромельнице. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1
Получение	Плотность, г/см3	НC, А/м	MS, А/м	ρ·108 Ом·м	Прочность, МПа
элемент сравнения (1)	6,6	100	125·104	100	348
Аналогично (1), 3 ч дробления порошков	7,1	120	138·104	80	930
Аналогично (1), 4 ч дробления порошков	7,2	137	142·104	86	1743

Дробление порошков в вибромельнице типа ИВ-микро и последующее спекание при 1150°С значительно увеличивает плотность, намагниченность насыщения и прочность материалов по сравнению с элементами сравнения (1).

Пример 2. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и кремния марки Кр1 в соотношении 93,9:6,1 соответственно подвергали дроблению в вибромельнице типа ИВ-микро в течение 3 и 4 часов. Порошки предварительно отжигали в вакууме при 500°С в течение 2 часов для удаления адсорбированного при дроблении кислорода. После этого из порошков прессовали образцы в виде параллелепипеда при 800 МПа и спекали в вакууме при 1150°С в течение 3 часов. Элементом сравнения является образец, выполненный в тех же условиях, но не подвергавшийся дроблению в измельчителе. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2
Получение	Плотность, г/см3	НC, А/м	MS, А/м	ρ·108 Ом·м	Прочность, МПа
элемент сравнения (2)	6,6	100	127·104	96	323
Аналогично (2), 3 ч дробления порошков и их отжига при 500°С	7,1	138	140·104	81	750
Аналогично (2), 4 ч дробления порошков и их отжига при 500°С	7,0	153	137·104	80	828

Аналогично примеру 1, дробление порошков в вибромельнице типа ИВ-микро и последующее спекание при 1150°С значительно увеличивает плотность, намагниченность насыщения и прочность материалов по сравнению с элементами сравнения (2). Дополнительная операция - отжиг порошка при 500°С после дробления, как при 3 ч, так и при 4 ч не улучшает свойства по сравнению с характеристиками образцов из порошка, не подвергавшегося отжигу (пример 1). Это объясняется тем, что при дополнительном отжиге порошка после дробления снимается часть напряжений, которые являются элементом активации.

Пример 3. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и кремния марки Кр1 в соотношении 93,9:6,1 соответственно подвергали дроблению в вибромельнице типа ИВ-микро в течение 3 и 4 часов. После этого из порошков прессовали образцы в виде параллелепипеда при 800 МПа и спекали в вакууме при 1300°С в течение 3 часов. Элементом сравнения является образец, выполненный в тех же условиях, но не подвергавшийся дроблению в вибромельнице. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3
Получение	Плотность, г/см3	НС, А/м	MS, А/м	ρ·108 Ом·м	Прочность, МПа
элемент сравнения (3)	6,3	122	121·104	116	600
Аналогично (3), 3 ч дробления порошков	7,2	102	144·104	78	1770
Аналогично (3), 4 ч дробления порошков	7,3	112	143·104	79	1575

Дробление порошков в вибромельнице типа ИВ-микро и последующее спекание при 1300°С значительно увеличивает плотность, намагниченность насыщения и прочность материалов, а также уменьшает коэрцитивную силу по сравнению с элементами сравнения (3). Это обусловлено увеличением процесса активации, который приводит к большей усадке образцов.

Пример 4. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и кремния марки Кр1 в соотношении 93,3:6,1 соответственно подвергали дроблению в вибромельнице типа ИВ-микро в течение 3 и 4 часов. Порошки предварительно отжигали в вакууме при 500°С в течение 2 часов для удаления адсорбированного при дроблении кислорода. После этого из порошков прессовали образцы в виде параллелепипеда при 800 МПа и спекали в вакууме при 1300°С в течение 3 часов. Элементом сравнения является образец, выполненный в тех же условиях, но не подвергавшийся дроблению в вибромельнице. Результаты представлены в таблице 4.

Аналогично примеру 3, дробление порошков в вибромельнице типа ИВ-микро и последующее спекание при 1300°С значительно увеличивает плотность, намагниченность насыщения и прочность материалов по сравнению с элементами сравнения (4). При этом уменьшает коэрцитивную силу. Как и при спекании образцов при 1150°С, дополнительная операция - отжиг порошка при 500°С после дробления, не улучшает свойства по сравнению с характеристиками образцов из порошка, не подвергавшегося отжигу.

Таблица 4
Получение	Плотность, г/см3	НC, А/м	MS, А/м	ρ·108 Ом·м	Прочность, МПа
элемент сравнения (4)	6,3	122	121·104	116	600
Аналогично (4), 3 ч дробления порошков и их отжига при 500°С	7,3	111	144·104	78	1605
Аналогично (4), 4 ч дробления порошков и их отжига при 500°С	7,3	104	143·104	79	1498

Пример 5. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и кремния марки Кр1 в соотношении 92:8 соответственно подвергали дроблению в центробежно-планетарной мельнице в течение 20-60 минут. После этого из порошков прессовали образцы в виде параллелепипеда при 600 МПа и спекали в вакууме при 1150°С в течение 3 часов. Элементом сравнения является образец, выполненный в тех же условиях, но не подвергавшийся дроблению в мельнице. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5
Получение	Плотность, г/см3	НC, А/м	MS, А/м	ρ·108 Ом·м	Прочность, МПа
элемент сравнения (5)	5,6	169	102·104	152	355
Аналогично (5), 20 мин дробления	5,7	120	101·104	179	369
Аналогично (5), 30 мин дробления	5,9	126	111·104	137	630
Аналогично (5), 60 мин дробления	6,3	157	112·104	124	941

Из таблицы 5 видно, что дробление в центробежно-планетарной мельнице увеличивает плотность, прочность и уменьшает коэрцитивную силу по сравнению с элементом сравнения (5).

Таким образом, на рассмотренных примерах 1-5 показано положительное влияние механической активации порошков на ряд служебных характеристик спеченных магнитомягких порошковых материалов системы Fe-Si. Спекание материалов при 1150°С после дробления увеличивает плотность, намагниченность насыщения и прочность для всех рассмотренных примеров. Повышение температуры до 1300°С улучшает не только названные характеристики, но и уменьшает коэрцитивную силу, что наиболее важно для магнитомягких материалов. В дополнительной операции - отжиге порошка при 500°С после дробления нет необходимости, так как было показано, что она не улучшает свойства материалов. Хотя удельное электросопротивление уменьшается с увеличением плотности (относительно элементов сравнения), но оно имеет высокие значения по сравнению с прототипом (в 2 и более раз) и аналогами.

Создание механической активации зависит от механического агрегата, в котором активизируют порошок. Показано, что при использовании вибромельницы типа МВ-микро (примеры 1-4) механическая активация достигается при 3-4 часах дробления, тогда как при использовании центробежно-планетарной мельницы (пример 5) достаточно 20-60 минут.

Использование центробежно-планетарной мельницы позволяет значительно уменьшить коэрцитивную силу материалов по сравнению с элементом сравнения (5) после спекания при 1150°С, тогда как использование вибромельницы позволяет уменьшить коэрцитивную силу только при спекании материалов при 1300°С. С другой стороны, использование вибромельницы позволяет значительно увеличить намагниченность насыщения после спекания при 1150°С.

Способ получения магнитомягкого материала на основе железа, содержащего кремний, включающий смешивание порошков исходной шихты, прессование заготовки и последующее спекание, отличающийся тем, что исходную шихту подвергают предварительной механической активации путем совместного дробления порошков железа и кремния в механическом энергонапряженном агрегате типа вибромельница в течение 3-4 ч или центробежно-планетарной мельнице в течение 20-60 мин, а спекание проводят при температуре в интервале 1150-1300°С в вакууме.