В начало Написать нам Карта сайта | RSS
Уральский рынок металлов


Предлагаем Вам разместить информацию в бегущую строку - 1000 рублей в месяц - за каждые 10 слов | Ежедневно посетители сайта смогут видеть информацию о Вашем предприятии. | Минимальные затраты - максимальный результат!!!
Новости Журнал О компании Статьи Аналитика Тендеры Рекламодателям Подписчикам Форумы Бизнес-навигатор Карта сайта Мероприятия Вопросы-ответы
В начало // Журнал / Все номера / УРМ №4 (апрель 2008) / Как закалялся магнит
← оглавление номера

Ориентиры развития:

Как закалялся магнит

Татьяна Емелина, Алексей Волегов, Юрий Верещагин 

Магнитотвердые материалы и изготовленные из них постоянные магниты давно уже стали незаменимым элементом самых разнообразных приборов и устройств, которые применяются во всех областях науки и техники. Они относятся к материалам, которые во многом определяют научно-технический прогресс и современную технологическую цивилизацию.

Существует множество разновидностей постоянных магнитов (ПМ). В данном обзоре речь пойдет о ПМ, полученных на основе сплавов 3d-элементов с элементами лантаноидной группы (неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) и самарий-кобальт (SmCo)). Для конкретных областей требуется свой тип ПМ, характеризующийся определенным уровнем не только магнитных, но и механических и температурных характеристик. Поэтому производители, ориентируясь на потребителя, выпускают магниты с большим количеством градаций.

Магнитные свойства определяются тремя главными характеристиками:

  • Остаточная индукция (обозначается символом Br, единица измерения - Гаусс или Тесла). Эта величина показывает, насколько сильное магнитное поле может создавать магнит (чем больше Br, тем сильнее поле).

  • Коэрцитивная сила (обозначается символом Hc, единица измерения - Эрстед или ампер на метр, А/м). Эта величина показывает, насколько трудно размагнитить магнит (величина обратного магнитного поля, в котором намагниченность равна 0).

  • Максимальное энергетическое произведение (обозначается символом (BH)max, единица измерения - Гаусс*Эрстед или кДж/м3). Максимальная энергия, запасенная в магнитном материале (чем больше (BH)max, тем более миниатюрные магниты можно получить).

Для магнитотвердых материалов помимо высоких значений остаточной магнитной индукции, коэрцитивной силы, максимального энергетического произведения важны:

- высокая температура Кюри Тс и, как следствие, стабильность магнитных свойств в более широком температурном интервале;

- временная стабильность;

- коррозионная стойкость.

Помимо перечисленных физических характеристик важна стоимость конечного продукта.

Одна из наиболее важных характеристик ПМ - коэрцитивная сила, формируется структурой материала, которая, в свою очередь, определяется применяемой технологией. Помимо этого, структура оказывает не менее важное влияние и на величину остаточной намагниченности.

Высокие значения коэрцитивной силы формируются в различных материалах в результате действия разных факторов. Существует несколько механизмов перемагничивания, определяющих природу коэрцитивной силы и в итоге ее величину. Необратимое вращение намагниченности является лучшим механизмом гистерезиса для реализации наибольшей коэрцитивной силы. Помимо механизма перемагничивания существуют и другие факторы, влияющие на величину Нс. Речь идет, в частности, об уровне магнитной анизотропии материала. Для создания постоянного магнита надо либо использовать сверхвысокоанизотропный материал, либо создавать такую микроструктуру, при которой перемагничивание будет происходить необратимым вращением вектора намагниченности. Также необходимо свести к минимуму количество дефектов на поверхности зерен.

В течение последних десяти лет магнитологи говорят об обменно-связанных материалах как о наиболее перспективном направлении развития магнитов системы Nd-Fe-B. Применение компьютерных методов моделирования таких систем показывает, что возможен синтез магнитотвердых материалов с максимальным энергетическим произведением (BH)max=100 МГсЭ.

Разработка сплавов на основе РЗМ для постоянных магнитов началась во второй половине прошлого столетия (подробнее об истории возникновения различных типов магнитных материалов и об областях их применения см. в УРМ ? 7-8, 2007 г.).

Многие из существующих сегодня технологий получения магнитов были известны гораздо раньше открытия соответствующих сплавов и материалов. Примером могут служить наиболее популярные - металлокерамическая, или порошковая, технология и технология быстрой закалки.

Металлокерамическая технология

Порошковая технология стала первой схемой производства постоянных магнитов на основе сплавов Sm-Co. Сегодня эта технология применяется также при производстве магнитов системы R-Fe-B (R - редкоземельный элемент). Этапы этой схемы приведены на рис. 2.

На первом этапе происходит наиболее важное - формирование микроструктуры сплава. Контролируя скорость охлаждения сплава, можно получить зерна (кристаллиты) определенного размера. После этого из слитка необходимо получить порошок. Раньше после выплавки слиток помещался в дробилку (шнековая мельница), затем в шаровую мельницу. Сейчас используют так называемую HD (Hydrogen Decrepitation - водородное растрескивание) технологию, суть которой в нагревании слитка в водородной атмосфере. Идет реакция взаимодействия водорода с межзеренной прослойкой, в результате которой происходит растрескивание по границам зерен. После HD порошок попадает в шаровую мельницу, а затем в струйную. После размола порошок представляет собой монокристаллы размером несколько микрон с весьма существенными поверхностными дефектами, поэтому коэрцитивная сила такого порошка очень низкая. За размолом следует прессование в магнитном поле и спекание. Для получения высоких значений коэрцитивной силы проводят ряд низкотемпературных отжигов, в результате которых удается значительно снизить количество дефектов. Потом магнит покрывают защитным слоем и намагничивают.

Технология быстрой закалки

Применительно к сплавам системы Nd-Fe-B метод быстрой закалки из расплава был разработан корпорацией General Motors в 1983 г. и получил название Magnequench-process (рис. 3). Этот метод применяется и для Sm-Co-магнитов. Быстрая закалка из расплава - один из этапов производства магнитов. Однако этот этап и есть принципиальная составляющая метода, поэтому часто этот термин относят ко всему технологическому процессу.

При быстрой закалке формируется особая структура. При достаточно высоких скоростях закалки (~106 К/с) охлаждение расплава происходит настолько быстро, что структура расплава «замораживается» и кристаллизация не происходит. Такое «замороженное» состояние называется аморфным. Оно характеризуется наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего.

Существует несколько разновидностей метода закалки из расплава. Методы выстреливания, молота и наковальни, экстракции расплава, центробежного распыления позволяют получать тонкие пластинки аморфного металла массой до грамма. Закалкой на диске, на внутренней поверхности цилиндра (метод центрифуги), прокаткой расплава между двумя валками получаются непрерывные длинные ленты.

Метод выстреливания

Этот метод предложили в 1960 г. Дювез, Вилленс и Клемент. Метод выстреливания дает наивысшую скорость охлаждения расплава. Капля расплавленного металла выстреливается из тигля с околозвуковой скоростью на теплоотводящую подложку. В полете капля дробится на еще более мелкие капельки со средним размером 1-50 мкм. Это позволяет получать в самых тонких участках образующейся пленки скорость охлаждения до 108-1010 К/с. Проведение операции в вакууме дает возможность предотвратить окисление расплава.

Метод экстракции расплава

Этот метод похож на метод выстреливания с той лишь разницей, что высокую скорость капля приобретает благодаря центробежной силе, действующей на вращающийся тигель, а не импульсу высокого давления, как в методе выстреливания.

Метод молота и наковальни (метод «схлопывания»)

Жидкая капля расплавленного металла с помощью двух теплоотводящих пластин расплющивается в тонкую пленку. Существуют две разновидности метода: в первом случае движется одна пластина (метод молота и наковальни), во втором движутся обе пластины навстречу друг другу (метод двойного молота). Этим методом можно получать фольгу равномерной толщины, но его используют ограниченно, так как появились методы с более высокой производительностью. В настоящее время плавка образцов производится во взвешенном состоянии (электромагнитная левитация), а весь процесс проводится в вакууме или инертной среде.

Спиннингование расплава (литье расплава на внешнюю поверхность вращающегося диска)

Расплавленный металл выталкивается из тигля через сопло инертным газом на поверхность вращающегося с высокой скоростью диска-холодильника и затвердевает на ней в виде тонкой (10-100 мкм) ленты (рис. 4). Под действием центробежной силы лента отрывается от диска и попадает в сборник. Скорости охлаждения достигают 106 К/с, но ввиду непродолжительного контакта расплава с диском лента слетает достаточно горячей, что приводит к нежелательной кристаллизации. Метод пригоден для получения аморфных или аморфно-кристаллических композиционных материалов, а также для получения порошков.

Метод центрифуги

Расплав выдавливается через тонкое отверстие в тигле и приводится в контакт с внутренней поверхностью вращающегося цилиндра (рис. 5). Центробежные силы способствует хорошему тепловому контакту между расплавом и холодильником в течение продолжительного времени. Толщина и ширина получаемых лент регулируется изменением геометрии сопла, давлением инертного газа в тигле, скоростью вращения и температурой расплава. Скорость охлаждения оценивается в 106 К/с.

Прокатка расплавленного металла

Подача капли или струи расплавленного металла в зазор между двумя вращающимися навстречу друг другу роликами (валками) позволяет получать ленту и чешуйчатый порошок.

Для повышения скорости охлаждения при затвердевании желательно, чтобы расплав попал точно в зазор между валками. Необходимо, чтобы эти валки были достаточно твердыми и очень точно механически обработаны для равномерности получаемого изделия.

Данный метод обеспечивает сравнительно небольшие скорости охлаждения, порядка 105-106 К/с.

Strip casting

Это довольно новый метод. Особенностью является то, что закалочный диск вращается с гораздо меньшей скоростью, чем, например, при спиннинговании (линейная скорость вращения охлаждаемого медного диска составляет 1 м/с).

Скорость охлаждения невысокая - порядка 102-103 К/с. При этом лента состоит из удлинённых кристаллитов, вытянутых вдоль направления от поверхности закалочного колеса к свободной поверхности.

Strip casting занимает промежуточное состояние между равновесной кристаллизацией сплава в печи и быстрой закалкой.

Методы выстреливания, экстракции расплава, молота и наковальни получили распространение только как лабораторные методы, поскольку для промышленного применения они имеют чрезмерно низкую производительность. Однако этими методами можно получать аморфное состояние на трудноаморфизуемых сплавах без введения специальных добавок. Метод молота и наковальни полезен с точки зрения получения очень чистых материалов: применение турбомолекулярных насосов позволяет создавать высокий и даже сверхвысокий вакуум, а закалка левитирующей капли исключает попадание в расплав атомов или молекул вещества, из которого сделан тигель.

Промышленное распространение получили закалка на диске, на внутренней поверхности цилиндра (метод центрифуги), прокатка расплава между двумя валками ввиду больших объемов производства БЗ-сплава (при применении шлюзовых камер для постоянного подвода сплава и удаления БЗ-лент). В этом случае скорости закалки ниже, поэтому зачастую приходится вводить аморфизующие добавки, чтобы избежать неконтролируемого роста кристаллитов.

Метод Strip Casting позволяет производить порошок в больших количествах с однородным размером зерен. По мнению М. Сагава (первооткрыватель тетрагональной фазы R2Fe14B) и Х. Нагата, этот метод с последующим RIP-прессованием (прессование в резиновой втулке) является наилучшим на сегодня технологическим процессом для создания спеченных постоянных магнитов системы Nd-Fe-B. Это объясняется однородностью размера зерен и низким уровнем содержания дефектов.

После быстрой закалки сплав имеет субмикро- и нанокристаллическое или аморфное структурное состояние. Аморфные ленты подвергают прецизионному отжигу для получения оптимальной микроструктуры. После этого ленточки или чешуйки размалывают в струйной мельнице. Следом идет либо прессование в магнитном поле, последующая осадка, механическая обработка и намагничивание, либо порошок смешивают с полимерным наполнителем. Во втором случае получают магнитопласты или магнитоэласты, которые нашли довольно широкое применение из-за возможности простого, быстрого и дешевого создания сложных многополюсных магнитных систем, используемых в электродвигателях различного назначения.

HDDR-технология

В конце 80-х - начале 90-х гг. прошлого века в Японии и России независимо была разработана так называемая HDDR (Hydrogenation Disproportionation Desorption Recombination) технология. Основа метода HDDR - химическая реакция, протекающая в присутствии водорода Nd2Fe14B+(2±x)H2?2NdH2±x+12Fe+Fe2B±?H. Ее направление определяется внешними условиями: давлением и температурой водорода.

На первом этапе из камеры откачивается воздух и запускается водород, после чего происходит повышение температуры до 700-9000С. При этом происходит реакция водорода с межзеренной областью и слиток растрескивается. На втором этапе водород взаимодействует с основной магнитотвердой фазой R2Fe14B с образованием продуктов реакции, приведенной выше. Наиболее существенный интерес представляет гидрид РЗМ, поскольку, как полагают ученые, именно благодаря ему сохраняется структура исходных зерен.

На третьем этапе водород откачивают, и направление реакции меняется на противоположное. На том месте, где было исходное зерно, образуются новые, меньшие по размерам, зерна с анизотропией исходного зерна. И, наконец, на последнем этапе порошок остужают. После HDDR порошок прессуют в магнитном поле и спекают либо используют в качестве наполнителя для производства магнитопластов или магнитоэластов. Схематическое изображение исходного слитка и результат HDDR-обработки представлены на рис. 8.

Если водород напускать не на первом этапе, а на втором, то есть когда слиток уже горячий, то можно избежать декрепитации и получить прочный слиток со структурой HDDR. Этот метод получил название Solid-HDDR. Он применяется в тех случаях, когда зерна исходного слитка уже обладают необходимой текстурой.

Таким образом, наиболее распространены три технологии производства РЗ-магнитов - металлокерамика, быстрая закалка и HDDR-метод. Самые высокие свойства сегодня получают при помощи порошковой технологии. Другие два метода чаще применяют при производстве магнитопластов и магнитоэластов. Однако только методы быстрой закалки, за исключением Strip Casting`а, позволяют создавать такую микроструктуру, при наличии которой возможно создавать наиболее перспективные так называемые обменно-связанные материалы.

 

В следующих статьях подробнее будут рассмотрены методы получения других типов постоянных магнитов - магнитопластов, магнитоэластов, ферритов, альнико и др.

При подготовке статьи были
использованы материалы сайтов:
www.imuse.ru, www.freepatentsonline.com, www.valtar.ru

Журнал

   
Ваше имя:  
Пароль:     
  запомнить меня
  Регистрация  Забыли пароль?

Бизнес-навигатор

   Меткомплекс
   Наука и образование
   Органы власти
   Отраслевые союзы
   Смежные отрасли


Атомстрой комплекс
ЛитМаш
ЗаводЭкоТехнологий
 
Отраслевая наука 


 
        ООО «УралИнфо»
   Телефон/факс: (343) 350 71 71
   г.Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58, офис 601        
            urm@urm.ru
пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
«РЎСѓРјРјР° технологий» «Сумма технологий»
продвижение сайта