Способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению постоянных порошкообразных магнитов с нанокристаллической структурой. Может использоваться при производстве высокоэнергетических постоянных магнитов на основе природного железосодержащего порошкообразного материала. Исходный порошковый материал, содержащий, мас.%: α-Fe 25-50, Fе2О3 30-75, FeO 0,2-2, сопутствующие примеси - остальное, обрабатывают в высокоэнергетической мельнице, в которую загружены рабочие тела в виде стальных шариков. Обработку проводят при величине энергонапряженности, равной 12-20 Вт/г, в течение времени, необходимого для преобразования исходного порошкового материала в промежуточный порошковый материал, содержащий, мас.%: FeO 50-80, α-Fe 10-35, аморфная фаза 10-30, сопутствующие примеси - остальное. Промежуточный материал прессуют при 300-600 МПа с получением компактных образцов и проводят термомагнитную обработку полученных образцов в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10-1 мм рт.ст., при температуре отжига, равной 200-400°С, в течение времени не менее 1 ч и при значении напряженности магнитного поля от 3 кЭ до 7 кЭ. Полученный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой, содержащий, мас.%: Fе3O4 65-80%, α-Fe 35-20%, сопутствующие примеси - остальное, имеет магнитную и кристаллическую текстуру при сохранении высоких магнитных свойств. 8 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения постоянных порошкообразных магнитов с нанокристаллической структурой и может быть использовано при производстве высокоэнергетических постоянных магнитов на основе природного железосодержащего порошкообразного материала.

Изобретение может найти применение в электротехнике, в частности в электросчетчиках, генераторах тока и напряжения, электродвигателях, записывающих и воспроизводящих устройствах акустических и телевизионных приборов, а также в различных электробытовых приборах.

Известен способ получения магнитотвердого композиционного материала, включающий обработку исходного железосодержащего материала в мельнице (US 5482573 А, МПК7 Н01F 1/055, 09.01.1996).

Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава нанокристаллической структуры с высокими магнитными свойствами.

Известен также способ получения магнитотвердого композиционного материала, включающий обработку исходного железосодержащего материала в мельнице (JP 4-22011 B1, 25.10.83, кл. H01F 1/06).

Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава нанокристаллической структуры с высокими магнитными свойствами.

Известен способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, включающий обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах (US 5403407 А, МПК7 Н01F 1/053, 04.04.1995).

Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава с высокими магнитными свойствами с использованием в качестве исходного сырья природного железосодержащего материала.

Прототипом изобретения является способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, обладающего высокими магнитными свойствами. Способ включает обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах. В качестве исходного железосодержащего материала используют природный порошковый железосодержащий материал следующего фазового состава, мас.%: Fе2O3 93,00-99,3, FeO 0,20-2,00, SiO2 0,20-3,00, сопутствующие примеси остальное. В результате вышеуказанных операций получают магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой следующего фазового состава: Fе3O4, α-Fe, FeO, SiO2, сопутствующие примеси. Техническим результатом изобретения является получение магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой (RU 2203515 С1, опубл. 2003.04.27).

Недостатком указанного способа является невозможность получения материала с анизотропией магнитных свойств.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности формирования в магнитотвердом композиционном материале кристаллической и магнитной текстур при сохранении высоких магнитных свойств.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой включает обработку исходного порошкового железосодержащего материала следующего фазового состава, мас.%:

α-Fe - 25-50%

2О3 - 30-75%

FeO - 0,20-2,00

сопутствующие примеси - остальное,

в высокоэнергетической мельнице. В мельницу загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, обработку проводят при величине энергонапряженности, равной 12-20 Вт/г, в течение времени, необходимого для преобразования исходного порошкового железосодержащего материала в промежуточный порошковый железосодержащий материал следующего фазового состава, мас.%:

FeO - 50-80%,

α-Fe - 10-35%,

аморфная фаза - 10-30%,

сопутствующие примеси - остальное.

Затем проводят прессование промежуточного порошкового железосодержащего материала при изменении давления в диапазоне 300-600 МПа с получением компактных образцов. После чего осуществляют термомагнитную обработку полученных компактных образцов в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10-1 мм рт.ст., при температуре отжига, равной 200-400°С, в течение времени не менее 1 ч и при значении напряженности магнитного поля от 3 кЭ до 7 кЭ. В результате получают магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой следующего фазового состава, мас.%:

3O4 - 65-80%,

α-Fe - 35-20%,

сопутствующие примеси - остальное.

Для ускорения процесса измельчения в исходный порошковый железосодержащий материал добавляют Со3O4 в количестве 3-20 мас.%.

Обработку исходного железосодержащего материала проводят в высокоэнергетической центробежной мельнице с двумя герметизируемыми барабанами, в которые загружаются измельчаемый материал и рабочие тела.

Обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 3-7 ч.

При этом рабочие тела выполнены из стали марки ШХ40 и имеют диаметр 2-4 мм.

Соотношение масс исходного измельчаемого материала и рабочих тел составляет 1:20.

Оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.

Прессование промежуточного порошкового железосодержащего материала проводят в ручном прессе, при изменении давления в диапазоне 300-600 МПа с получением компактных образцов кубической конфигурации 10×10×10 мм3.

Пресс-форма ручного пресса выполнена из сплава на основе титана.

В предложенном способе в результате обработки в высокоэнергетической мельнице природного порошкообразного крупнозернистого материала, например, имеющегося в отходах железосодержащих месторождений, получают измельченный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой и измененным фазовым составом. Полученный таким образом материал обладает хорошими магнитными свойствами (коэрцитивная сила по намагниченности (IHc) порядка 400 Э).

Дальнейший рост магнитных свойств достигается посредством термомагнитной обработки измельченного материала, при котором происходит практически полный распад FeO и аморфной фазы на две магнитные фазы: магнетит Fе3O4 и α-Fe.

В итоге полученный материал обладает высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила по намагниченности (IHc) около 800 Э, намагниченность насыщения (4πIs) около 10,0 кГс, остаточная намагниченность (4πIг) около 5,0 кГс.

Для ускорения процесса измельчения в исходную смесь возможно добавление оксида кобальта Со3O4 в количестве 3-20%.

Создание в материале кристаллической и магнитной текстур достигается проведением термомагнитной обработки, при которой происходит направленный распад аморфной фазы и метастабильной фазы FeO, с образованием магнетита Fе3O4 и α-Fe, приводящий к анизотропии магнитных свойств.

Пример выполнения способа.

Исходный железосодержащий материал в следующем составе: α-Fe - 35%, Fe2О3 - 63%, FeO - 1%, остальное - сопутствующие примеси, а также рабочие тела - шарики из стали марки ШХ40 диаметром 2-4 мм загружают в высокоэнергетическую центробежную мельницу с двумя герметизируемыми барабанами.

Соотношение масс исходного измельчаемого материала и стальных шариков составляет 1:20.

Обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 8 часов.

Оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.

В результате такой обработки происходит преобразование исходного железосодержащего материала в промежуточный железосодержащий материал, в фазовом составе которого имеются FeO, α-Fe, аморфная фаза и сопутствующие примеси, в которых также может присутствовать Fе3O4.

В результате обработки природного порошкообразного материала в высокоэнергетической мельнице получают композиционный материал с нанокристаллической структурой. Размер областей когерентного рассеяния материала (блоков) порядка 10,0 нм. В отличие от исходного этот порошок имеет свойства, характерные для магнитотвердых материалов: коэрцитивная сила по намагниченности (IHc) около 400 Э, остаточная намагниченность (4πIг) около 1,5 кГс.

Далее проводят термомагнитную обработку промежуточного железосодержащего материала в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10-1 мм рт.ст. и напряженности магнитного поля 4 кЭ. Температура отжига в интервале от 200°С до 400°С. Отжигают материал в печах в течение времени не менее 1 часа до получения в результате магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой и анизотропными свойствами следующего фазового состава: α-Fe - 30%,

3O4 - 68%, сопутствующие примеси - остальное.

На этой стадии обработки материала происходит практически полный распад фазы FeO и аморфной фазы на две ферромагнитные фазы: магнетит Fе3O4 и α-Fe, т.е. формируется благоприятный фазовый состав железосодержащего материала для дальнейшего роста его магнитных свойств.

В итоге полученный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой обладает высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила по намагниченности до 800 Э, намагниченность насыщения порядка 10,0 кГс, остаточная намагниченность порядка 5,0 кГс.

Магнитное поле, приложенное в процессе термической обработки, способствует тому, что при распаде аморфной фазы и фазы FeO образование кристаллитов: фаз

3O4 и α-Fe - происходит ориентированно, когда оси легкого намагничивания кристаллитов направлены в основном вдоль силовых линий магнитного поля. Этим достигается образование в материале кристаллической и, соответственно, магнитной текстур.

О наличии магнитной текстуры можно судить по отношению величин остаточной намагниченности, измеренных в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно оси текстуры .

В таблице приведены значения остаточной намагниченности образцов и ее анизотропия для следующего исходного состава материала: α-Fe - 35%, Fе2О3 - 63%, FeO - 0,5%, остальное - сопутствующие примеси. Как видно из таблицы отношение (анизотропия остаточной намагниченности) с увеличением магнитного поля, приложенного во время термомагнитной обработки, растет и при напряженности магнитного поля 7 кЭ достигает значения 2,2.

В результате использования термомагнитной обработки полученный магнитотвердый композиционный порошковый материал близок по свойствам к ряду промышленных сплавов Fe-Al-Ni, Fe-Al-Ni-Co и может быть использован достаточно широко в различных областях электротехники: производстве счетчиков электрической энергии, электромагнитных приборов, электродвигателей малой энергии и изделиях широкого потребления.

Таблица
Параметры термомагнитной обработки Остаточная намагниченность вдоль поля, , кГс Остаточная намагниченность поперек поля, , кГс Анизотропия остаточной намагниченности
Отжиг без магнитного поля 2,3 2,3 1,0
Отжиг в магнитном поле
3 кЭ
3,0 2,1 1,43
Отжиг в магнитном поле
4 кЭ
3,3 2,0 1,65
Отжиг в магнитном поле
7 кЭ
4,0 1,8 2,2

1. Способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, включающий загрузку в высокоэнергетическую мельницу исходного порошкового железосодержащего материала следующего фазового состава, мас.%:

α-Fe 25-50
2O3 30-75
FeO 0,20-2,00
сопутствующие примеси остальное,

и рабочих тел в виде стальных шариков и обработку при величине энергонапряженности, равной 12-20 вт/г, в течение времени, необходимого для получения промежуточного порошкового железосодержащего материала следующего фазового состава, мас.%:
FeO 50-80
α-Fe 10-35%
аморфная фаза 10-30
сопутствующие примеси остальное,

прессование полученного промежуточного порошкового железосодержащего материала при давлении 300-600 МПа с получением компактных образцов и термомагнитную обработку полученных компактных образцов в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10-1 мм рт.ст., при температуре отжига, равной 200-400°С, в течение времени не менее 1 ч и при значении напряженности магнитного поля от 3 до 7 кЭ с получением магнитотвердого композиционного материала следующего фазового состава, мас.%:
3О4 65-80%
α-Fe 35-20%
сопутствующие примеси остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ускорения процесса измельчения при обработке в высокоэнергетической мельнице в исходный порошковый железосодержащий материал добавляют Со3О4 в количестве 3-20 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке исходного порошкового железосодержащего материала используют высокоэнергетическую центробежную мельницу с двумя герметизируемыми барабанами.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что обработку исходного порошкового железосодержащего материала проводят в течение 3-7 ч.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что обработку исходного порошкового железосодержащего материала проводят при оптимальной скорости вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы, составляющей 1235 об/мин.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке в высокоэнергетической мельнице используют рабочие тела, выполненные из стали марки ШХ40 с диаметром 2-4 мм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходного порошкового железосодержащего материала и рабочие тела загружают в высокоэнергетическую мельницу при соотношении 1:20.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование промежуточного порошкового железосодержащего материала проводят в ручном прессе с получением компактных образцов кубической конфигурации 10×10×10 мм3.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют пресс-форму ручного пресса, выполненную из сплава на основе титана.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению редкоземельного постоянного магнита системы R-Fe-B. .

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к материалам для изготовления компонентов радиоэлектронных приборов, таких как датчики магнитного поля, электрически перестраиваемые фильтры СВЧ, линии задержки СВЧ и др.
Изобретение относится к получению магнитных жидкостей, а также к синтезу основного компонента магнитной жидкости феррофазы - высокодисперсного магнетита. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к созданию нетекстурированного электротехнического стального листа, улучшенного по потерям в сердечнике.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к созданию нетекстурированного электротехнического стального листа, улучшенного по потерям в сердечнике.

Изобретение относится к технологии изготовления электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой, и может найти применение в электротехнической промышленности.

Изобретение относится к технологии приготовления фотографических эмульсий для кинофотоматериалов. .

Изобретение относится к способу получения дисперсно-упрочненных наночастицами покрытий и может быть использовано при упрочнении инструментов и деталей машин, в том числе авиационно-космического назначения.
Изобретение относится к деформационно-термической обработке сплавов с эффектом памяти формы на основе интерметаллического соединения титан-никель и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине.
Изобретение относится к медицине, в частности к кальцийфосфатным керамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях.
Изобретение относится к обработке наночастиц алмаза - продукта детонации взрывчатых веществ и может быть использовано в электрохимической и химической промышленности, в областях, в которых на эффективность применения наноалмазов влияет положительный заряд их частиц в водных суспензиях (получение композиционных гальванических и электрофоретических покрытий, композиционных материалов по золь-гель технологиям).

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении сорбентов, лекарственных препаратов и композитных материалов. .
Изобретение относится к металлургии редких тугоплавких металлов, а именно к способам получения нанодисперсных порошков молибдена из его соединений восстановлением с использованием газообразных восстановителей.
Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано для эффективного изменения физико-химических свойств образованной на поверхности наночастиц неорганической природы лигандной оболочки.
Изобретение относится к медицине, в частности к офтальмологии и трансплантологии, и касается способа приготовления биологических материалов, измельченных до аморфного порошка.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из порошков с покрытием. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению постоянных порошкообразных магнитов с нанокристаллической структурой

Наверх