Структура и свойства гидридных порошков системы Nd-Fe-B для анизотропных магнитопластов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Шумаков, Дмитрий Александрович

• Шумаков, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шумаков, Дмитрий Александрович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Тройной борид Ш2Ре!4В, как материал для постоянных магнитов.

1.2. Сравнительная характеристика постоянных магнитов на основе соединения Ш2Ре!4В, полученных по разным технологиям.

1.3. Магнитотвердые порошки для магнитопластов.

1.4. Гидридная технология.

1.4.1. Фазовые превращения в процессе гидрирования-дегидрирования соединения Ш-Ре-В.

1.4.2. Виды гидридных технологий.

1.4.3. Влияние легирующих элементов и параметров процесса на образование анизотропии и магнитные свойства гидридных порошков Ш-Ре-В.

1.4.4. Схема структурных превращений в гидридном процессе получения порошка Ш2Ре14В.

1.5. Особенности технологий получения магнитопластов.

1.6. Виды полимерных связующих для литьевых магнитопластов.

1.7. Виды и назначение полимерных добавок для литьевых композиций.

1.8. Составы полимерных композиций и технология литья под давлением магнитопластов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и свойства гидридных порошков системы Nd-Fe-B для анизотропных магнитопластов»

В приборах и устройствах, принцип действия которых основан на использовании постоянного магнитного поля, в качестве источника магнитного поля часто используют постоянные магниты (ПМ). Рекордными свойствами среди освоенных промышленностью магнитов обладают спеченные магниты на основе тройного борида Ш2Ре|4В. Наряду с главным достоинством - высокой магнитной энергией (ВН)тах, спеченные магниты обладают высокой хрупкостью, поэтому геометрия этих магнитов ограничена простыми формами. Указанных недостатков лишены магнитопласты (магнитотвердый порошок сплава системы Ш-Ре-В на полимерной связке). Применяемые порошки сплавов Ш-Ре-В, получаемые методами быстрой закалки расплава и имеющие (Вр[)тах = 10. 15 МГс-Э, вследствие их изотропности, не позволяют получать магнитопласты с (ВН)Шх более 6.8 МГс-Э. Высокие магнитные свойства магнитопластам обеспечивают способные к текстурованию анизотропные порошки Ш-Ре-В с (ВН)тах = 25.42 МГс-Э, получаемые по гид-ридной технологии, заключающейся в химико-термической обработке исходного слитка в среде водорода при сложном термическом цикле.

Однако, в РФ до настоящего времени гидридная технология производства анизотропных порошков Ш-Ре-В не нашла промышленного применения, что связано с недостатком информации о влиянии технологических параметров процесса получения порошка на образование наведенной магнитной анизотропии. Известная из литературы высокая чувствительность магнитных свойств анизотропного порошка, получаемого по гидридной технологии, в значительной мере определяется механизмами и кинетикой твердофазных реакций процессов диспропорционирования и рекомбинации основной магнитной фазы Ш^Ре^В. Однако, кристаллографические механизмы протекания этих реакций до сих пор не выявлены, известны лишь некоторые ориентационные соотношениями между фазами-участниками реакций гидрирования, диспропорционирования, дегидрирования и рекомбинации. А без этого невозможно разработать технологию производства гидридных порошков Ш-Бе-В с более высокими магнитными свойствами и степенью анизотропии.

Прессованием в металлических формах полимеров с магнитным наполнителем получать магниты сложной формы невозможно. Наиболее перспективным методом компактирования магнитов представляется процесс получения анизотропных магнитопластов литьем под давлением. Именно этим методом возможно получение многополюсных постоянных магнитов с заданной магнитной текстурой. Однако, малоизученным остается влияние состава и параметров литья под давлением на магнитные свойства готовых анизотропных магнитопластов из гидридных порошков Ш-Бе-В. Этим определяется актуальность настоящей работы.

Целью диссертационной работы является установление влияния параметров гидридной технологии исходных слитков Ш-Бе-В на структуру и магнитные свойства получаемых порошков, а также определение влияния состава полимерной композиции на магнитные свойства магнитопластов, и разработка технологического цикла промышленного производства анизотропных магнитопластов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние параметров гидридной технологии (температуры и парциального давления водорода) на структуру и магнитные свойства получаемых порошков Ш-Бе-В.

2. Исследовать влияние химического состава и условий подготовки исходного слитка на магнитные свойства порошков системы Ш-Бе-В, получаемых по гидридной технологии.

3. Разработать возможную модель механизма возникновения кристаллографической анизотропии (с использованием методов современной обобщенной кристаллографии) при твердофазных реакциях в ходе гидрирования-дегидрирования тройного борида Ш2Ре14В.

4. Установить зависимость текстуры и магнитных свойств анизотропных магнитопластов от состава полимерной высоконаполненной композиции.

5. Разработать технологические рекомендации по приготовлению маг-нитоанизотропных магнитопластов из гидридных порошков на основе борида ШгРеиВ и провести опробование этих рекомендаций в условиях промышленного производства.

Научная новизна полученных в работе результатов заключена в следующем:

• установлена связь магнитных свойств порошков сплавов системы Ш-Бе-В, полученных по гидридной технологии, со структурным состоянием этих порошков;

• установлено изменение формы кривой размагничивания гидридных порошков на основе сплавов системы Ш-Бе-В при проведении двухступенчатого гомогенизационного отжига исходного слитка;

• показано, что кристаллическую структуру тройного борида ШгРенВ можно рассматривать как структурную реализацию конструкций проективной геометрии;

• предложено объяснение пластинчатой (перлитоподобной) морфологии трехфазной смеси а-Ре+ШН2+Ре2В, возникающей на стадии диспропор-ционирования тройного борида Ш2Ре14В, а также воспроизведение исходной ориентировки ЫсЫ^е^В на стадии его рекомбинации, объяснение основано на использовании подходов современной обобщенной кристаллографии.

Практическая значимость работы заключена в следующем:

• Разработана гидридная технология производства порошка Ш-Бе-В с магнитными свойствами: Вг=1,21 Тл (12,1 кГс), ;НС=1040 кА/м (13 кЭ), (ВН)тах=216 кДж/м3 (27 МГс-Э). Предложена конструкция печи для гидридной технологии, позволившая повысить производительность цикла гидрирования-дегидрирования порошков в два раза.

• Разработана технология изготовления анизотропных магнитопластов литьем под давлением из гидридных порошков. Магнитные свойства литых магнитопластов Вг = 0,62 Тл (6,2 кГс), jHc = 1200 кА/м (15 кЭ), ВНС = 440 кА/м (5,5 кЭ), (ВН)тах = 64 кДж/м3 (8 МГс-Э) достигаются при содержании порошка-наполнителя 91 масс.%, полиамидного связующего 7,6 масс.%, модификатора текучести 1,4 масс.%;

• Результаты работы применяются в НПФ ООО «ЭРГА» (г. Калуга) для производства высокоэнергетичных магнитопластов четырехполюсных роторов для бесщеточного электромотора грузового автомобиля КАМАЗ.

• Технологические режимы гиридридной обработки рекомендованы к применению в ГУП НТЦ «ВНИИНМ» им. A.A. Бочвара.

Положения, выносимые на защиту следующие:

1. Зависимость магнитных свойств гидридных порошков Nd-Fe-B от химического состава, условий подготовки слитка, структуры и параметров процесса гидрирования-дегидрирования.

2. Корреляция оптимальных магнитных свойств порошка Nd-Fe-B, получаемого по гидридной технологии, с тонкой кристаллической структурой соединения Nd2Fe14B.

3. Геометрическая модель структурных превращений в циклах гидрирования-дегидрирования и формирования кристаллографической текстуры в частицах гидридного порошка Nd2Fei4B, основанная на представлениях обобщенной кристаллографии.

4. Зависимость содержания наполнителя, плотности, текстуры литых магнитопластов от вязкости расплавленной композиции, регулируемой соответствующим модификатором текучести расплава (МТР) и параметрами литья под давлениям.

Результаты работы доложены на III Российско-Японском семинаре «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов» (МИСИС, Москва, 2005); XV Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 2005).

По теме диссертации опубликована 1 статья и получен 1 патент РФ.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, 61 рисунка и 12 таблиц, заключения, общих выводов по работе, списка литературы, 8 приложений. В главе 1 дан обзор литературы по теме исследования, сформулированы цели и задачи исследования. В главе 2 описаны методы и техника исследований. В главе 3 проведено исследование влияния параметров гидридной технологии на магнитные свойства анизотропных порошков. В главе 4 исследована взаимосвязь между структурой и (ВН)тах гидридных порошков, а также исследованы структурные механизмы фазовых превращений в процессе гидрирования-дегидрирования борида ШгРеиВ. В главе 5 исследована зависимость магнитных свойств и текстуры магнитопластов от состава композиции и параметров литья под давлением. В приложениях приведены акты промышленной проверки результатов диссертации, копия патента, полученного по материалам диссертации, а также пояснения основных понятий проективной геометрии и теории 4-мерных полиэдров (политопов).

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Шумаков, Дмитрий Александрович

Общие выводы по работе По диссертации можно сделать следующие выводы:

1. Методами магнитного и структурного анализов проведено исследование влияния условий приготовления порошков сплавов системы Ш-Бе-В по гид-ридной технологии и режимов компактирования этих порошков на полимерной связке на магнитные свойства полученных из этих порошков анизотропных постоянных магнитов.

2. Обнаружена зависимость магнитных свойств порошков сплавов системы Ш-Ре-В с добавками Бу, Оа и №) от условий гомогенизации и состава исходного слитка и парциального давления водорода на стадии диспропорцио-нирования. Зависимость (ВН)тах гидридных порошков от парциального давления водорода на стадии диспропорционирования носит экстремальный характер. Наибольшие значения магнитных свойств порошков Вг = 1,21 Тл (12,1 кГс), Дс=1040 кА/м (13 кЭ), (ВН)тах=216 кДж/м3 (27 МГс-Э) достигаются при парциальном давлении водорода 40 кПа на этапе диспропорционирования и проведении двухступенчатого отжига исходного слитка состава ^^Рево^Оа^зТчГЬодВбд. Двухступенчатый отжиг слитка приводит к улучшению формы кривой размагничивания порошков сплава ^|2)5Ре80,80ао,зМЗо;2Вб,2.

3. Магнитные свойства порошка зависят от его структурного состояния: оптимальным магнитным свойствам, достигаемым согласно условиям п.2, соответствует исчезновение на дифрактограмме отражения (322) и появление отражения (412).

4. Для объяснения обнаруженной корреляции проведен теоретический анализ кристаллохимических особенностей фаз, участвующих в твердофазных реакциях диспропорционирования и рекомбинации в цикле гидрирования-дегидрирования соединения Ш2Ре14В. Установлено, что кристаллическую структуру тройного борида Ш2Ре14В можно рассматривать как структурную реализацию конструкций проективной геометрии.

5. Структуру Ш^е^ можно представить как параллельную упаковку стержней 14-вершинных полиэдров Франка-Каспера, ориентированных вдоль оси симметрии 4-го порядка, стержни совпадают с выпрямленной в 3-мерное пространство подструктурой политопа (четырехмерного полиэдра) {168}, порождаемого введением дисклинаций в политоп {3,3,5} (четырехмерный икосаэдр). Размножение стержней по двумерной квадратной решетке в соответствии с пространственной группой симметрии Р42/тпт соединения Ш2Ре]4В порождает 20-вершинный кластер со стехиометрией Ш^е^В, из этих кластеров в свою очередь можно собрать всю структуру соединения Ш2Ре]4В.

6. Упаковка стержней из 14-вершинных полиэдров Франка-Каспера в структуре Ш2Ре14В порождает 9-вершинное объединение тригональных призм с октаэдрическими шапочками (полиэдр Бернала), а тригональная призма центрирована атомами бора. Тройные оси призм параллельны оси [001] структуры Ш2Ре]4В, а сами призмы расположены слоями в плоскости (001).

7. Сочетание стержней 14-вершинников Франка-Каспера, ориентированных вдоль [001], с перпендикулярными этому направлению слоями центрированных бором тригональных призм позволяет рассматривать кристаллическую структуру Ш^е^В как структуру пластинчатого ультрадисперсного перлита: роль цементита в ней играют трехшапочные тригональные призмы, являющиеся строительными единицами метастабильного борида Ре3В, а роль а-фазы - стержни 14-вершинных кластеров Франка-Каспера, реконструируемые в 14-вершинные ромбододекаэдры ОЦК-структуры.

8. Описанное разбиение структуры Ш^е^В на 14-вершинные кластеры и тригональные призмы позволяет объяснить пластинчатую (перлитоподоб-ную) морфологию трехфазной смеси а-Ре+ШН2+Ре2В, возникающую на стадии'диспропбрционйрования тройного борида Ш2Ре] 4В, а также воспроизведение исходной ориентировки Ш2Ре14В на стадии его рекомбинации. Соответственно, возможность получения порошка Ш2Ре! 4В с магнитноанизо-тропными частицами методом гидрирования-дегидрирования, определяется кристаллохимическими особенностями протекания твердофазных реакций диспропорционирования-рекомбинации.

9. Установлены условия компактирования анизотропных порошков в магнитном поле с использованием полимерной связки, обеспечивающие наилучшие магнитные свойства при заданной геометрии изделия. Оптимальные магнитные свойства литых магнитопластов Вг = 0,62 Тл (6,2 кГс), ]НС = 1200 кА/м (15 кЭ), ВНС - 440 кА/м (5,5 кЭ), (ВН)тах = 64 кДж/м3 (8 МГс-Э) достигаются при содержании порошка-наполнителя 91 масс.%, полиамидного связующего 7,6 масс.%, модификатора текучести 1,4 масс.%. Прессованные анизотропные магнитопласты имели величину магнитной энергиии (ВН)тах около 15 МГс-Э при (ВН)тах исходного порошка около 27 МГс-Э.

10. Анизотропные литые и прессованные магнитопласты на основе сплава Ш-Ре-В имеют приблизительно одинаковую степень кристаллической и магнитной текстуры (около 40%), если напряженность магнитного поля, прикладываемого в процессе формования магнитопласта, составляет 1 Тл.

11. На основании установленных закономерностей разработана технология изготовления магнитопластов с гидридными порошками сплавов системы Ш-Ре-В в качестве наполнителя, которая реализована в условиях производства НПО «Эрга» (г. Калуга). Осуществлекн выпуск промышленных партий постоянных магнитов в форме призм, дисков и многополюсных роторов с размерами: 4. 140 мм, роторы электрических машин имели диаметр при числе полюсов от 2 до 48.

125

Заключение

Главный практический результат диссертации состоит в разработке гидридной технологии производства анизотропных порошков Ш-Ре-В и технологии изготовления из них текстурованных магнитопластов с высокими магнитными свойствами. Результаты работы применяются в НПФ ООО «ЭРГА» (г. Калуга) для производства высокоэнергетичных магнитопластов, в частности четырехполюсных роторов для бесщеточного электромотора грузового автомобиля КАМАЗ.

Основной научной проблемой гидридной технологии является отсутствие полного понимания механизма возникновения магнитной анизотро-пии.Это ограничивает технологические возможности усиления анизотропии в получаемых порошках Ш-Ре-В, соответственно ограничиваются возможности повышения магнитных свойств порошков и готовых изделий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шумаков, Дмитрий Александрович, 2006 год

1. Лифшиц Б.Г., Львов B.C. Высококоэрцитивные сплавы на железо-никель-алюминиевой основе. -М: Металлургия, 1968. 158 с.

2. Довгалевский Я.М. Легирование и термическая обработка магнитот-вердых сплавов. -М.: Металлургия, 1971. 176 с.

3. Поволоцкий Е.Г. Термомагнитная обработка магнитотвердых сплавов. Саратов: Изд.Сарат.ун-та, 1987. - 168 с.

4. Летюк Л.М., Журавлев Г.И. Химия и технология ферритов. -Л.: Химия, 1983.-256 с.

5. Быков Ю.А. Высокотемпературное деформирование и термическая обработка ферритов. М.: Металлургия, 1988. - 216 с.

6. Несбитт Е., Верник Дж. Постоянные магниты на основе редкоземельных элементов. М.: Мир, 1977. - 168 с.

7. Сергеев В.В., Бурыгина Т.И. Магнитотвердые материалы. М.: Энергия, 1980.-224 с.

8. Преображенский A.A., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. -М.: Высшая школа, 1986. 352 с.

9. Кекало И.Б., Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. М.: Металлургия, 1989. - 496 с.

10. Технология производства материалов магнитоэлектроники: Учебник для вузов / Л.М.Летюк, А.М.Балбашов, Д.Г.Крутогин и др. М.: Металлургия, 1994. - 416 с.

11. Постоянные магниты: Справочник / А.Б. Альтман, Э.И. Берниковский, А.Н. Герберг и др. / Под ред. М.Ю. Пятина. М.: Энергия, 1971. -376 с.

12. Миткевич A.B. Стабильность постоянных магнитов. Л.: Энергия, 1971.- 128 с.

13. Самарин Б.А. Материалы для постоянных магнитов. // Металловедение и термическая обработка. Сер. Металлургия. -1966.-Вып. 9.-С. 107-156.

14. Семенов Г.А. Магнитотвердые материалы, используемые в электронике и перспективы их развития // Обзоры по электронной технике. Сер. Материалы. 1982. - Вып.6. - С. 40.

15. Кудреватых Н.В., Тарасов Е.Н. Магнитотвердые материалы начала 21 века и их применение // Тез.докл. XIV Международной конф. по постоянным магнитам. Суздаль, 2003. - С. 28-29.

16. Luo Y. Current Status of Global NdFeB Magnets Industry // Proc. of the 18-th Int. Workshop on High Performace Magnets and There Applications. PEPMA'04. Annecy (France), 2004. - Vol. 1. - P. 28-39.

17. Liv J., Walmer M. Bonded rare earth magnets produced by hot pressing // Bonded magnets NATO Seminar. USA, 2003. - P. 55-72.

18. Yamashita F., Watanabe A. New preparation Method of NdFeB Based Bonded Magnets for Efficient Small motors // 2003 Intermag Conf. - Boston (USA), 2003.-P. 18-22.

19. Panchanathan V., Davis D.F. Extruded and calendered bonded magnets -an overview // Bonded magnets NATO Seminar. USA, 2003. - P.45-54.

20. Honkura Y. HDDR Magnets and There Potential use for automotive applications // Workshop on High Performance Magnets and There Applications. Annecy (France), 2004. - P. 559-565.

21. Голубков А.Г. Физические основы получения анизотропных изделий из магнитопластов // Тез.докл. XIII Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль, 2000. - С. 248-249.

22. Воскресенский A.M., Голубков И.А. Получение анизотропных полимерных магнитов с повышенными магнитными свойствами методом экструзии // Тез.докл. XIV Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль, 2003. - С. 122-123.

23. Голубков И.А. Получение изделий из магнитопластов на базе отходов постоянных магнитов // Тез.докл. XV Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль, 2005. - С. 124-125.

24. Беляев В.А., Лосото А.П. Перспективы промышленного производства магнитопластов // Тез.докл. XIV Международной конференции по постоянным магнитам. Суздаль, 2003. - С. 222-223.

25. Михайлин C.B., Житковский В.Д. Новые разработки в области изготовления постоянных магнитов из магнитопластов // Тез.докл. XV Международной конференции по постоянным магнитам. -Суздаль, 2005.-С. 120-121.

26. Бодров С.Г., Михалькова Г.П., Юзвак Н.П. Ферритовые порошки-наполнители и магнитопласты на их основе // Металлы. 1996. -№2.-С. 91-96.

27. Бодров С.Г., Кривошеев В.К., Михалькова Г.П. Изделия из магнитопластов с анизотропной структурой // Металлы. 1996. - №2. - С. 97102.

28. Injection molded Sm2Fe17N3 anisotropic magnet using reduction and diffusion mathod / S.Yoshizawa, T.Ishikawa, I.Kaneko et al. // IEEE Trans. Magn. 1999. - Vol. 35. - P. 3340-3342.

29. Современные тенденции в области разработки и производства магни-тотвердых магнитопластов / А.П. Лосото, И.В. Миляев, А.Н.Миронов, В.А. Сеин // Пластические массы. 1999. - №3. - С. 3-8.

30. Алексеев А.Г., Корнеев А.Е. Магнитные эластомеры. М.: Химия, 1987.-239 с.

31. Грузнов Г.Ф. Машины для переработки пластических масс. М.-Л.: Машиностроение, 1966. - 226 с.

32. Справочник по пластическим массам / Под.ред. М.И. Гарбара, М.С. Акунина, Н.М. Егорова. М.: Химия, 1967. -Т.1. - 462 с.33,34.