Структура и свойства гидридных порошков системы Nd-Fe-B для анизотропных магнитопластов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Шумаков Дмитрий Александрович

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ГИДРИДНЫХ ПОРОШКОВ СИСТЕМЫ Ш-Ре-В ДЛЯ АНИЗОТРОПНЫХ МАГНИТОПЛАСТОВ

Специальность 01.04.07 — физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» и ООО «ЭРГА»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Котунов В.В.

Официальные оппоненты: профессор, доктор физико-математических наук

Лилеев А.С.

Ведущая организация: ФГУП «ВНИИНМ» им. академика А.А.Бочвара

Защита диссертации состоится 22 ноября 2006 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 248600, г.Калуга, ул. Баженова, 2. МГТУ имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал.

Кандидат технических наук Сеин В.А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал (г.Калуга, ул. Баженова, 2)

Автореферат разослан «18» октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Лоскутов С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. 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 Ис^енВ. Наряду с главным достоинством - высокой магнитной энергией, спеченные магниты обладают высокой хрупкостью, поэтому геометрия этих магнитов ограничена простыми формами. Указанных недостатков лишены магнитопласты (магнитотвердый порошок сплава системы Ш-Бе-В на полимерной связке). Применяемые порошки сплавов Ш-Ре-В, получаемые методами быстрой закалки из расплава, имеющие (ВН)тах = 10...15 МГс*Э, вследствие их изотропности, не позволяют получать магнитопласты с (ВН)тах более 6...8 МГс-Э. Высокие магнитные свойства магнитопластам обеспечивают способные к текстурованию анизотропные порошки Ыс1-Ре-В с (ВН)тах = 25...42 МГс-Э, получаемые по гидридной 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 Ис^Ре^В. Однако, кристаллографические механизмы протекания этих реакций до сих пор не выявлены, известны лишь некоторые ориентационные соотношения между фазами-участниками реакций гидрирования, диспропорционирования, дегидрирования и рекомбинации. -А без этого невозможно разработать технологию производства гидридных порошков Кс!-Ре-В с более высокими магнитными свойствами и степенью анизотропии.

Наиболее перспективным методом компактирования магнитопластов представляется процесс получения анизотропных магнитопластов литьем полимерных композиций под давлением. Именно этим методом возможно получение многополюсных постоянных магнитов с заданной магнитной текстурой. Обычным прессованием полимеров с магнитным наполнителем получать магниты сложной формы невозможно. Однако, малоизученным остается влияние состава и параметров литья под давлением высоконаполненной полимерной композиции на магнитные свойства готовых анизотропных магнитопластов. Этим определяется актуальность

настоящей работы, посвященной разработке гидридной технологии получения анизотропного порошка Ш-Ре-В для последующего изготовления из этого порошка магнитол ластов литьем под давлением. На основании обзора литературы были сформулированы цели и задачи работы.

Целью диссертационной работы является установление влияния параметров гидридной технологии исходных слитков ^-Ре-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 Кс1-Ре-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 Ш2РенВ.

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

5. Разработать технологические рекомендации по приготовлению магнитоанизотропных магнитопластов из гидридных порошков на основе борида Ы<32ре14В и провести опробование этих рекомендаций в условиях промышленного производства.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

• установлена связь магнитных свойств порошков сплавов системы Ыс1-Ре-В, полученных по гидридной технологии, со структурным состоянием этих порошков;

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

• показано, что кристаллическую структуру тройного борида Ис^Ре^В можно рассматривать как структурную реализацию конструкций проективной геометрии;

• предложено объяснение пластинчатой (перлитоподобной) морфологии трехфазной смеси а-Ре+ШН2+Ре2В, возникающей на стадии

диспропорционирования тройного борида NcbFenB, а также воспроизведение исходной ориентировки NdsFenB на стадии его рекомбинации, объяснение основано на использовании подходов современной обобщенной кристаллографии. Практическая значимость работы,

• Разработана гидридная технология производства порошка Nd-Fe-B с магнитными свойствами: Вг=1,21 Тл (12,1 кГс), jHc=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 расплава 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 гидридной обработки рекомендованы к применению в ГУП НТЦ «ВНИИНМ» им. A.A. Бочвара.

Положения, выносимые на защиту.

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 анизотропного порошка Nd-Fe-B, получаемого по гидридной технологии, с тонкой кристаллической структурой соединения NdaFeuB.

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 и текстуры литых магнитопластов от вязкости расплавленной композиции, регулируемой соответствующим модификатором текучести расплава (МТР) и параметрами литья под давлением.

Апробация работы и публикации. 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, 62 рисунков и 12 таблиц» заключения, общих выводов по работе, списка литературы, 11 приложений.

В первой главе представлен обзор научной литературы. Дана сравнительная характеристика основных материалов для постоянных магнитов. Рассмотрены гидридные технологии получения порошков системы Nd-Fe-B и технологии литья под давлением анизотропных магнитопластов, рассмотрены изменения кристаллической структуры NckFeuB в процессе гидрирования-дегидрирования.

Проведен анализ способов компактирования постоянных магнитов из порошков на основе борида Nd2FeuB, сделан вывод, что технологии магнитопластов во многих случаях экономически более выгодны, чем технологии спекания.

Проведенный анализ магнитных свойств порошков наполнителей показал, что для производства высокоэнергетичных магнитопластов наиболее подходят анизотропные порошки Nd^sFego^Gao.sNbo^Be^, полученные по гидридной технологии. Анизотропные порошки сплава Ndi^sFego.sGao^Nbo^B^í полученные по т.н. «динамической» гидридной технологии, обладают самым высоким на сегодняшний день значением (ВН)шах=42 МГс-Э.

Механизм возникновения кристаллической анизотропии Nd-Fe-B при обработке по гидридной технологии до сих пор неизвестен. Магнитные свойства готового порошка зависят от исходной структуры NdíFeuB и морфологии фаз продуктов её распада на смесь NdH¿+Fe2B+ct-Fe, эта морфология определяется параметрами гидридной технологии на стадии диспропорционирования. Лучшими свойствами обладают порошки, морфология фаз распада которых состояла из параллельных пластин NdH¿ с распределенными между ними частицами Fe2B, a-Fe. Размеры и расстояние между пластинами фазы NdH? зависят от температуры и времени, а их форма зависит от парциального давления водорода на стадии диспропорционирования. Оказалось, что важно не только получить продукты распада с нужной морфологией, но и провести их рекомбинацию так, чтобы получить текстурованные частицы Nd2Fei4B в пределах поликристаллической частицы порошка. Зависимость магнитных свойств порошков Nd-Fe-B от параметров гидридной технологии в литературе подробно не описана. В литературе отмечается, что свойства готовых порошков, в том числе их способность к текстурованию, очень чувствительны к вариациям режимов водородной обработки. Ясно, что это определяется среди прочих факторов, кристаллогеометрическими особенности протекания сложных цепочек реакций диспропорционирования фазы Nd2Fej4B при гидрировании и ее рекомбинации при дегидрировании. Однако традиционная кристаллография, основанная на теории пространственных (Федоровских) групп, не дает методов симметрийного 4

описания преобразования одной кристаллической структуры в другую, поскольку описывает только бесконечные кристаллические решетки, но не превращения между ними, которые протекают по механизмам зарождения и роста, т.е. сначала локально, а лишь затем охватывают превращением весь объем.

Очевидно, что исключительные магнитные свойства тройного борида Ш2Ре14В определяются особенностями структуры атомных кластеров, образующих его кристаллическую структуру. Традиционная кристаллография, основанная на теории пространственных групп, также не позволяет наиболее полно описать из общих принципов симметрию входящих в эту структуру кластеров. Указанные проблемы можно решить, если привлечь обобщенную кристаллографию, которая в качестве своего математического базиса использует не Евклидову, а алгебраическую (проективную) геометрию. Работы по использованию этого математического аппарата показали возможность описания структуры кристаллических и некристаллических конденсированных фаз, в том числе квазикристаллов, аморфных тел, жидких кристаллов и металлических расплавов, а также траекторий атомных смещений при полиморфных превращениях.

Опыт показывает, что самой высокопроизводительной технологией производства магнитол ластов, позволяющей изготавливать изделия сложной формы без операций механической обработки, является технология литья под давлением высоконаполненных композиций. В настоящее время влияние состава и параметров литья под давлением высоконаполненной полиамидной композиции на магнитные свойства магнитопластов описано в литературе крайне мало, в отечественной литературе такие публикации автору неизвестны.

Во второй главе описана методика получения образцов и техника эксперимента по исследованию структуры и магнитных свойств.

Выплавку слитков проводили в индукционной вакуумной печи емкостью 12 кг, в среде аргона. Состав сплавов указан в таблице. Слитки подвергали гомогенизирующим отжигам в среде аргона при 1000°С по одноступенчатому или двухступенчатому режимам.

Микроструктуру слитков исследовали в световом микроскопе типа Ыеор1ю1>2 с увеличением 250 крат в прямом свете. Травление шлифов проводили погружением в ниталь на 5 секунд.

Описана методика работы вакуумной печи для гидридной технологии получения порошков Ис1-Ре-В. Магннтопласты из гидридных порошков в форме призм 10x10x5 мм, с магнитной текстурой вдоль кратчайшего размера 5 мм, изготавливали прессованием и литьем под давлением.

Магнитные свойства порошков Кё-Ре-В измеряли на вибромагнитометре типа УБМ — 9300 (фирмы 1^.1, США), обеспечивающем оценку магнитной анизотропии благодаря вращению образца на 90°.

Химический состав сплавов системы Nd-Fe-B

№ плавки Содержание элемента, % (масс.)

Nd В Nb Ga Со Al Fe Другие

1 28-29 1,1-1,15 0,20-0,29 0,33-0,39 — — ост. Dy-0,5

2 30-31 1,1-1,15 — 0,3-0,46 14,8-15 0,1-0,2 ост. —

3 27-28 1,0-1,10 0,3-0,35 0,43-0,49 4,55-5,0 0,1-0,2 OCT. Dy-1,0

4 30-31 1,1-1,15 — — 2,2-2,5 — OCT. —

5 30-31 1,1-1,25 0,6-0,7 1-1,1 2,0-2,1 0,2-0,3 OCT. Dy-0,5 Cu-0,2

6 28-29 1,051,11 — 1-1,1 — 0,2-0,3 OCT. Zr-0,14

7 28-29 1,151,20 - 0,38-0,40 - - OCT. Zr-0,1 Ti-0,3

Количественный фазовый анализ гидридных порошков проводили рентгеновским методом на порошковых безтекстурных образцах с использованием дифрактометра ДРОН-3, в Со Ka-излучении, в интервале углов 29 = 30..Л20° с шагом 0,1°. Анализ дифрактограмм выполняли с помощью компьютерной программы, с использованием банка данных межплоскостных расстояний d/n. Ошибка фазового анализа составляла ±3%.

Кривые размагничивания магнитол ластов измеряли на гистерезисграфе типа «Magnet — Physic» в максимальном намагничивающем поле 3 Тл, с относительной погрешностью измерений по каналам поля и индукции не хуже 0,5%.

Показатель текучести расплава (ПТР) полимерной композиции измеряли на лабораторной установке ИИРТ-4. Измерения проводили по ГОСТ 1645-73, без пересчета массы материала в объемный показатель.

Кристаллографический анализ проводили на основании литературных данных о пространственной группе, периодах решетки и правильной системе точек для соединения Nd2Fei4B, боридов Fe3B, Fe2B, NdH2 и a-Fe с использованием кристаллографических компьютерных программ Diamond 2.1 и HyperChem-7 для визуализации кристаллических структур, их фрагментов и превращений кластеров.

В третьей главе представлены результаты исследований влияния параметров гидридной технологии получения анизотропных порошков Nd-Fe-B на их магнитные свойства.

Описана гидридная технология получения анизотропных порошков. Исследовано влияние химического состава и температуры

диспропорционирования гидридной технологии на магнитные свойства порошков. Установлено, что для дальнейших разработок гидридной технологии более всего подходят порошки состава Ш^.зРево.зОао^Ьо.гВб.г» полученные при температуре обработки на этапе диспропорционирования 810 С в диапазоне давлений водорода 20. ..80 кПа. На рис.1 приведена зависимость (ВН)тах гидридных порошков Ш^Резо^Сао^Ьо^Вбд от парциального давления водорода на этапе диспропорционирования.

Рис.1. Зависимость магнитной энергии (ВН)тах от значения парциального давления водорода на этапе диспропорционирования в гидридной технологии. Для некоторых режимов показаны участки рентгенограмм гидридных порошков N<112^80,80ао,зКЬодВ6^

Установлено, что микроструктура исходного слитка влияет на форму кривых размагничивания гидридных порошков (рис.2). Наилучшую форму имеют гидридные порошки, исходные слитки которых обработаны по двухступенчатому режиму гомогенизации. Предложены режимы для промышленной гидридной технологии производства анизотропных порошков Ис112,51ге8о,50ао^Ьо,2Вб^- Наибольшие значения магнитных свойств порошков Вг=1,21 Тл (12,1 кГс), ^=1040 кА/м (13 кЭ), (ВН)тах=216 кДж/м3 (27 МГс-Э) достигаются при парциальном давлении водорода 40 кПа на этапе диспропорционирования. Спроектирована и изготовлена вакуумная печь для промышленного производства высокоанизотропных порошков Иё-Ре-В по гидридной технологии.

1,Тл

Рис.2. Кривые размагничивания N612,5^0,зСаодЫЪо^Вбд гидридных порошков: 1 - после обычной гомогенизации, Вг=1,05 Тл (10,5 кГс), ;НС= 1120 кА/м (14 кЭ), (ВН)тах= 168 кДж/м3 (21 МГс-Э); 2 - после двухступенчатой гомогенизации, Вг=1,21 Тл (12,1 кГс), дНс=1040 кА/м (13 кЭ), (ВН)тах=216 кДж/м3 (27 МГс-Э)

В четвертой главе исследованы структуры гидридных порошков N<¿[2,5^80,80^0,з^о^Вб,2, полученных при различных значениях парциального давления водорода на этапе диспропорционирования. При сравнении дифрактограмм, полученных от порошков при различных значениях давления водорода на стадии диспропорционирования, была замечена корреляция величины (ВН)тах порошков с появлением/исчезновением некоторых отражений на рентгенограмме (см. рис.1). Например, появление линии №19" (322) всегда сопровождалось снижением (ВН)тах, а появление линии №26 (412) - ее улучшением. Из рис.1 видно, что наилучшими магнитными свойствами обладают порошки сплава N<512,5^^0,вСао^Ьо^В^г» после водородной обработки при парциальном давлении водорода 40 кПа. Значение парциального давления водорода на стадии диспропорционирования оказывает влияние только на величину остаточной индукции и максимальной магнитной энергии, коэрцитивная сила изменяется незначительно.

Эти данные показывают, что конечная кристаллографическая текстура определяется тонким строением фаз, участвующих в твердофазных реакциях диспропорционирования-рекомбинации. Зависимость тонкой структуры от давления водорода отражает атомный механизм изменения кинетики протекания этих твердофазных реакций. Эти изменения будут определяться в свою очередь атомным механизмом преобразования кристаллических структур в ходе гидридной технологии. Именно на это и указывают

наблюдаемые нами изменения дифракционной картины в зависимости от парциального давления водорода на этапе диспропорционирования.

Для объяснения причин возникновения кристаллической текстуры Nd-Fe-B в процессе гидридной технологии, была проанализирована кристаллическая структура фазы Nd2Fei4B и продуктов её распада, т.е. NdH¿, Fe2B, a-Fe, а также рассмотрены возможные пути взаимной реконструкции этих структур. На рис.За показан координационный многогранник атома неодима в позиции 4(g). Легко убедиться, что если кристаллическую структуру Nd2Fei4B разбить на такие кластеры (рис.Зб), то окажутся охваченными все атомы структуры.

Из рис.З.б видно, что параллельно плоскости {001} указанный координационный полиэдр объединяется соседними по общим ромбическим граням вдоль (110), по общим ребрам (параллельно <110>), заселенным атомами неодима (ребро 10-20), а также по общим атомам железа (1-2). Размножение полученного слоя 20-вершин ников, согласно симметрии пространственной группы Р4/тпт, выполняет всю структуру Nd2Fei4B. С учетом обобществления граней, ребер и вершин в структуре, 20-вершинник (рис.За) имеет химический состав Nd2Fei4B, т.е. его можно рассматривать в качестве молекулы этого борида.

В структуре Nd2FeuB имеется 14-вершинный координационный полиэдр атома железа в позиции 8(j). Этот 14-вершинный кластер топологически совпадает с 14-вершинным кластером Франка-Каспера. В структуре борида Nd2Fei4B эти кластеры Франка-Каспера с двумя атомами неодима в 6-кратных вершинах образуют цепочки вдоль [001], при этом каждый атом неодима принадлежит двум соседним кластерам в цепочке.

Если рассматривать течение реакции в направлении диспропорционирования борида Nd2Fei4B, то цепочки 14-вершинных кластеров можно рассматривать как зародыши будущей фазы a-Fe. При введении водорода неодим разрывает свои связи с атомами железа в этом кластере и образует гидрид неодима NdH2 со структурой типа флюорита CaF2. Оборванные связи насыщаются при попадании атома железа в бывшую позицию неодима 4(g), 14-вершинный кластер Франка-Каспера становится одноатомным (заселен атомами одного сорта). Полиэдр Франка-Каспера геометрически нестабилен, если во всех его вершинах и центре находятся атомы одной химической природы, поэтому одноатомный полиэдр Франка-Каспера скорее всего реконструируется (схлопнется) в обычный ромбододекаэдр ОЦК-структуры. При такой реконструкции вершины б-го порядка полиэдра Франка-Каспера становятся вершинами 3-го порядка ромбододекаэдра, т.е. оказываются лежащими вдоль одного из направлений <111> ОЦК-решетки.

(а)

(б)

Рис.3, (а) — 20-вершинный координационный полиэдр атома неодима в позиции 4^), (1-9, 13-19) - атомы железа, 10, 20- атомы неодима, 11, 12-атомы бора; (б) - структура Ыс12РеиВ в проекции на плоскость (001). Показан один слой 20-вершин ни ков в четырех ячейках

Координационный полиэдр атома бора в рассматриваемом бориде представляет собой тригональную призму с атомами железа в вершинах (см.рис.4б), где на каждой боковой прямоугольной грани этой призмы имеется полуоктаэдрическая шапочка (см.рис.4а), вершины полуоктаэдров заселены атомами неодима в позициях 4ф и 4(§). Тригональная призма с шапочками совпадает с 9-вершинным полиэдром Бернала в моделях структур металлических жидкостей и стекол, а также является фрагментом кристаллической структуры цементита Ре3С и фосфида железа РезР. Известно, что тетрагональная модификация метастабильного борида РезВ изоструктурна Ре3Р, а ромбическая модификация этого борида изоструктурна цементиту Ре3С. Обе модификации метастабильного борида Ре3В выделяются при кристаллизации металлических стекол системы Ре-В. В литературе отсутствуют экспериментальные данные об ориентационных соотношениях между решетками стабильного борида Ре2В и рекомбинированного тройного борида Ис^енВ. Возможное сохранение ориентационной связи между решетками двойного борида Ре2В и тройного борида ЫсЬРенВ в цикле диспропорционирования-рекомбинации может быть естественно объяснено на языке координационных полиэдров. В структуре Ре2В можно выделить ромбические грани (см.рис.4б), противоположные

вершины которых заселены попарно атомами бора и железа, подобная грань имеется в 20-атомном кластере структуры Ш2РеиВ.

(а) (б)

Рис.4, (а) — кластер структуры Ис^Ре^В, топологически совпадающий с полиэдром Бернала; (б) - тетраэдрическая звезда в структуре Ре2В (8-вершинное объединение тетраэдров по граням с атомом бора в центре)

Сопоставление этих граней из двух структур проведено на рис.5, где фрагмент структуры Ре2В представляет собой две тетраэдри чески е звезды (см.рис.5а) с общим ребром у центрированных тетраэдров (для ясности боковые тетраэдры звезд не показаны), фрагмент структуры Ш2Ре(4В представляет собой две тригональные призмы с общим ребром (3'-18').

В обоих боридах с тетрагональной структурой эти грани параллельны {110}. Возможность соблюдения ориентационных соотношений между фазой Ре2В как продукта диспропорционирования фазе и исходной фазой К<12Ре14В легко объясняется параллельностью описанных ромбических граней. Подобным образом можно объяснить эффект «структурной памяти», т.е. воспроизведение исходной ориентировки решетки диспропорциони-рованной фазы ^^е^В в процессе ее рекомбинации. Перлитоподобная структура трехфазной смеси продуктов диспропорционирования задает единую ориентировку боридной фазы Ре2В в этой смеси. В ориентировке ромбической грани фазы Ре2В с диагональю из атомов бора содержится информация об ориентировке диспропорционировавшей (т.е. исчезнувшей) фазы Ш^енВ, и одновременно задается будущая ориентировка рекомбинированной фазы Ш^е^В. Поскольку эта ориентировка единая, частицы порошка обладают осевой кристаллографической текстурой, чем и объясняется способность таких порошков к ориентации магнитным полем.

Рис.5, (а) - структурный элемент фазы Fe2B, содержащий 10 атомов железа и

ромб (3-12-18-11) с диагональю из атомов бора (11-12); (б) - структурный элемент фазы NckFeuB, содержащий 10 атомов железа и ромб (ЗМ2М8М Г)

с диагональю из атомов бора (1Г-12*)

Взаимное превращение фрагмента структуры Fe2B во фрагмент структуры Nd2Fei4B при рекомбинации с сохранением ориентировки ромба с диагональю из атомов бора можно представить следующими образом. Противоположные ромбические грани тетраэдрических звезд (см.рис.5а) 9,-17,-27*-29ч и SMe^e^S" вращаются в противоположных направлениях вокруг оси, проходящей через оба атомы бора. При повороте на угол 50° каждый из двух ромбов превращается в прямоугольник структуры Nd2Fei4B, как показано на рис.6 для одного из ромбов.

Здесь новые положения атомов в структуре Nd2Fei4B обозначены теми же цифрами со штрихом. Атом бора играет роль «шарнира», вокруг которого осуществляется вращение атомов железа, переводящее фрагмент Fe2B во фрагмент Nd2Fei4B. При этом сами атомы бора расходятся вдоль оси вращения так, что расстояние между ними увеличивается на 0,088 нм.

Одновременно с вращением ромбических граней звезд происходит объединение трех тетраэдров звезды в тригональную призму, т.е. процесс, обратный показанному на рис.6 процессу разбиения призмы на три тетраэдра. Подобная схема не противоречит экспериментально наблюдаемому выделению метастабильного борида РезВ с тетрагональной или ромбической модификацией кристаллической структуры, которая затем превращается в стабильный борид Fe2B. В обеих модификациях Fe3B строительной единицей является тригональная призма с тремя шапочками и атомом бора в центре призмы. Процесс преобразования призм в объединение трех тетраэдров начинается уходом трех атомов неодима на образование NdH2 и заселением освободившихся вершин атомами железа. При этом

нарушается механическое равновесие между ребрами исходной трехшапочной призмы (поскольку ребра — это химические связи), и призма реконструируется в объединение трех тетраэдров.

Рис.6. Схема перехода тригональной призмы в объединение трех тетраэдров

по граням («лодочку»)

В пятой главе исследовано влияние различных модификаторов текучести расплава (МТР) полимерной композиции на показатель текучести расплава (ПТР) и магнитные свойства литых магнитопластов. Исследовано влияние состава высоконаполненной композиции и параметров литья под давлением на магнитные свойства анизотропных магнитопластов. Определен оптимальный состав композиции для литья под давлением магнитопластов: гидридный порошок Шп.бРезо.вОао^Ьо.гВбд - 91 масс.%; полиамид (ПА-11) 7,6 масс.%; МТР - 1,4 масс.%. При таком составе получены следующие магнитные характеристики: Вг = 0,62 Тл (6,2 кГс), Д1С = 1200 кА/м (15 кЭ), ВНС = 440 кА/м (5,5 кЭ), (ВН)тах = 64 кДж/м3 (8 МГс-Э) при плотности магнитопластов р = 4,75 г/см3. Рассмотрен механизм формирования текстуры при литье под давлением расплавленной полимерной композиции в форму. Рассмотрены конструктивные особенности литьевых форм.

Проведенная оценка степени магнитной текстуры по кривым размагничивания (вдоль и поперек поля) литых и прессованных магнитопластов составила около 40%. Магнитная текстура свободно насыпанного порошка, ориентировка которого фиксируется без приложения давления только благодаря затвердеванию связки, имеет значение около 60%. Таким образом, потери текстуры благодаря сопротивлению повороту частиц со стороны вязкого полимера и других частиц (т.н. стерические препятствия) достигают около 20%.

При исследовании кристаллической текстуры магнитопластов рентгеновским методом заметно различие в значениях интенсивностей от плоскостей с большими значениями индекса I, например (214), (204), (314), (105). Это говорит о некоторой преимущественной ориентировке характерных плоскостей, т.е. о текстуре. Расчетная оценка степени кристаллической текстуры дала 40% для литых и 38% для прессованных магнитопластов.

На основании разработанных в диссертации технологических рекомендаций в предприятии «Эрга» освоено производство магнитопластов с (ВН)тах = 64 кДж/м3 (8 МГсЭ) в форме многополюсных колец, с рамерами от 4 мм до 140 мм.

Основные выводы

1. Методами магнитного и структурного анализов проведено исследование влияния условий приготовления порошков сплавов системы Ш-Ре-В по гидридной 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 Кс1-Ре-В с добавками Оу, ва и ЫЬ от условий гомогенизации и состава исходного слитка и парциального давления водорода на стадии диспропорционирования. 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), ЛНС=1040 кА/м (13 кЭ), (ВН)тах=216 кДж/м3 (27 МГс-Э) достигаются при парциальном давлении водорода 40 кПа на этапе диспропорционирования и при проведении двухступенчатого отжига исходного слитка состава К^г.зРево.вОаод^ГЬо.гВб^. Двухступенчатый отжиг слитка приводит к улучшению формы кривой размагничивания порошков сплава Ш12>5ре8о/Заоз№>о,2В6>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 Ис^Ре^В. Установлено, что кристаллическую структуру тройного борида Ш2РенВ можно рассматривать как структурную реализацию конструкций проективной геометрии.

5. Структуру Ис^енВ 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/шпш соединения Ис^Ре^В порождает 20-вершинный кластер со стехиометрией Ыс12РенВ, из

этих кластеров в свою очередь можно собрать всю структуру соединения ОДРемВ.

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 Ш2РенВ, 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 ШгРенВ как структуру пластинчатого ультрадисперсного перлита: роль цементита в ней играют трехшапочные тригональные призмы, являющиеся строительными единицами метастабильного борида РезВ, а роль а-фазы - стержни 14-вершинных кластеров Франка-Каспера, реконструируемые в 14-вершинные ромбододекаэдры ОЦК-структуры.

8. Описанное разбиение структуры Ис^Ре^В на 14-вершинные кластеры и тригональные призмы позволяет объяснить пластинчатую (перлитоподобную) морфологию трехфазной смеси а-Ре+КдРЬ+РегВ, возникающую на стадии диспропорционирования тройного борида Ш2Ре|4В, а также воспроизведение исходной ориентировки ОДгРемВ на стадии его рекомбинации. Соответственно, возможность получения порошка ЫсЬРеыВ с магнитноанизотропными 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 энергии (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

15

системы Nd-Fe-B в качестве наполнителя, которая реализована в условиях производства НПФ ООО «Эрга» (г. Калуга). Осуществлен выпуск промышленных партий постоянных магнитов в форме призм, дисков, колец и многополюсных роторов с диаметрами 4..Л40 мм с числом полюсов от 2 до 48.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Котунов В.В., Шумаков Д.А. Высокоанизотропные порошки сплавов системы Nd-Fe-B с магнитной энергией до 27 МГс-Э, полученные методом гидрирования-дегидрирования // Металловедение и термическая обработка металлов, - 2005. - №4. - С. 30-33.

2. Шумаков Д.А,, Котунов В.В. Магнитные свойства магнитопластов из порошков Nd2FeuB, получаемых по технологии HDDR. // Тез. докл. XV Международной конференции по постоянным магнитам. - Суздаль, 2005.-С. 90-91.

3. Связь между кристаллической структурой и магнитными свойствами порошков Nd2Fei4B, получаемых по технологии HDDR / Д.А. Шумаков, В.В. Котунов, B.C. Крапошин, К.О. Базалеева // Тез.докл. XV Международной конференции по постоянным магнитам. - Суздаль, 2005. - С. 50-51.

4. Патент РФ по заявке № 2005108040/02(009606). Способ получения материала для анизотропных магнитопластов / В .В.Котунов, Д.А. Шумаков, C.B. Котунов. - 2005.

5. Котунов В.В., Шумаков Д.А. Композиционный материал для анизотропных магнитопластов // Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов: Тез,докл. III Российско-Японского семинара. — М., 2005.-С. 456-475.

ШУМАКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Структура и свойства гидридных порошков системы Ыё-Ре-В для анизотропных магнитопластов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 11 октября 2006 г. Формат бумаги 60x80 1/16 Бумага типографская №2. Печать офсетная. Усл. печ. л.1.0 Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 15

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Калужский филиал 248600 г.Калуга, ул. Баженова, 2.

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.

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).

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.

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.