СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОМЯГКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2007 года по МПК H01F1/22 B22F3/12 C22C33/02 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к производству материалов для магнитопроводов, работающих в постоянных и переменных полях низкой частоты, в частности для бытовой электротехники.

В порошковой металлургии известно положительное влияние фосфора на магнитные свойства магнитомягких материалов на основе железа. Имеется технология (аналог 1) получения материалов системы Fe-P (А.П.Большаченко и др. Отработка промышленной технологии изготовления металлокерамических магнитопроводов. - Порошковая металлургия, 1972, №12, с.38-41), в которой рассматриваются, наряду с другими, следующие технологические параметры: 1) температура спекания в области (1170-1250)°С; 2) атмосфера спекания: водород, конвертированный газ. Авторы делают вывод, что наилучшими свойствами обладают материалы, спеченные в водороде при максимальной температуре (1250°С), имеющие максимальную плотность (7,54 г/см³). Безусловно, такие материалы будут обладать хорошими свойствами, однако изготовление их требует больших материальных и энергетических затрат. Так образцы, имеющие наилучшие магнитные и механические свойства, получали следующим образом: после смешивания порошка железа и феррофосфора, смесь прессовали и спекали в атмосфере водорода при 900°С в течение 2 ч. После отжига образцы вторично прессовали и отжигали при температуре 1250°С в течение 4 ч в атмосфере водорода. Альтернативно в работе предлагался другой технологический вариант (технология 2): спекание в водороде при 1170°С в течение 4 ч. Служебные характеристики такого материала несколько хуже, чем по предыдущему технологическому режиму, но значительно дешевле. Для обеих технологий имеется один существенный недостаток - водород, как атмосфера спекания, является дорогой и взрывоопасной, что требует строгого соблюдения техники безопасности.

Для замены дорогостоящей атмосферы спекания на более дешевую и безопасную проводился сравнительный анализ влияния пяти различных сред спекания (водорода, азотного газа (96%N₂+4%H₂), вакуума, аммиака и аргона) на служебные характеристики магнитомягкого материала системы Fe-P (аналог 2) (Г.А.Дорогина, В.К.Чистяков, В.Ф.Балакирев, О.Б.Коробка Структурно-чувствительные характеристики порошковых материалов системы Fe-Р - Физика металлов и металловедение, 2001, т.92, №6, с.32-36). Отжиг образцов проводили при температуре 1150°С в течение 2,5 часа. Анализ показал, что наилучшей средой спекания является азотный газ. Причем служебные свойства материала, в частности коэрцитивная сила, была несколько лучше, чем у материалов, полученных по технологии 2 работы (А.П.Большаченко и др. Отработка промышленной технологии изготовления металлокерамических магнитопроводов. - Порошковая металлургия, 1972, №12, с.38-41). Авторы рассмотрели два случая: 1) концентрация фосфора в материале соответствует 0,65 мас.%; 2) концентрация фосфора в материале соответствует 1%. В обоих случаях структурно-чувствительные характеристики - максимальная магнитная проницаемость и коэрцитивная сила после спекания в азотном газе были лучше, чем после спекания в водороде.

Известен способ получения магнитомягкого материала (прототип) (Патент №2040810, дата подачи 1992.08.27, дата опубликования 1995.07.25), в котором исследовали физические свойства системы Fe-P в концентрационной области (0-1,3)%Р и показали, что свойства материалов с концентрацией в области (0,8-1,3)% Р, спеченных в азотном газе, не хуже, чем спеченных в водороде, при тех же условиях.

Таким образом, в работах (Г.А.Дорогина, В.К.Чистяков, В.Ф.Балакирев, О.Б.Коробка Структурно-чувствительные характеристики порошковых материалов системы Fe-P - Физика металлов и металловедение, 2001, т.92, №6, с.32-36) и (Патент №2040810, дата подачи 1992.08.27, дата опубликования 1995.07.25) показано, что магнитомягкие материалы системы Fe-P возможно спекать в азотном газе (96%N₂+4%H₂) без ухудшения служебных характеристик. Он не только более чем в 10 раз дешевле водорода, но и безопасен. Причем этот факт позволяет использовать для изготовления магнитомягких материалов печи конвейерного типа, что никогда не делалось ранее.

Недостатком данного способа является небольшой интервал концентрации фосфора в феррофосфоре, используемом как легирующая добавка к порошку железа, и высокая температура спекания магнитомягких материалов.

Задачей представленного технического решения является снижение затрат на самую дорогую технологическую операцию - спекание магнитомягких материалов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение служебных характеристик магнитомягких материалов (коэрцитивной силы) за счет расширения концентрационной области по фосфору, а также уменьшение температуры спекания магнитомягких материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения магнитомягкого материала, включающего смешивание порошков железа и феррофосфора, их прессование, спекание в азотном газе и охлаждение, согласно изобретению спекание проводят при температуре (1000-1100)°С циклическим методом путем чередования спекания и охлаждения. При этом циклический метод осуществляют путем: два часа спекания с последующим охлаждением и два часа спекания. Либо циклический метод осуществляют путем: два часа спекания с последующим охлаждением, еще два часа спекания с последующим охлаждением и четыре часа спекания, в зависимости от необходимости достижения требуемых характеристик магнитомягких материалов. В первом случае основная служебная характеристика магнитомягких материалов - коэрцитивная сила достигает значений в интервале (100-135) А/м, в зависимости от температуры спекания; во втором - (90-120) А/м. Удельное электросопротивление в указанном интервале температур в основном изменяется от концентрации фосфора, а не от температуры. Для материала, содержащего 1% фосфора, удельное электросопротивление достигает значений (30±5)·10^-8 Ом·м.

Как сказано в (Патент №2040810, дата подачи 1992.08.27, дата опубликования 1995.07.25), важную роль в получении хороших свойств магнитомягкого материала играет концентрация фосфора в порошке феррофосфора, которая обуславливает температуру спекания материала. Однако в работе рассмотрен интервал, ограниченный 1,3% Р и концентрация фосфора в феррофосфоре соответствует узкому диапазону (10-13)%.

Диаграмма состояния системы Fe-Р, где при нагревании наряду с α-Fe может образовываться Fe₃P (фаза, являющаяся ферромагнитной), показывает гораздо более широкий интервал концентрации фосфора в железе (при 1050°С он составляет от 2,8% до 15% Р). Таким образом, концентрация фосфора в феррофосфоре может достигать, по крайней мере, 15%.

Проведенные исследования по кинетике спекания материалов системы Fe-P показали, что при циклическом спекании: 2 ч спекания - охлаждение, 2 ч спекания - охлаждение, 4 ч спекания - охлаждение, свойства материалов становятся лучше при более низкой температуре, чем в работе (Патент №2040810, дата подачи 1992.08.27, дата опубликования 1995.07.25). Контролем спекания была коэрцитивная сила, как наиболее структурно-чувствительная характеристика, которая является при этом служебной для магнитомягких материалов.

Пример 1. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и феррофосфора (содержание фосфора 15 мас.%), который был получен методом измельчения сплава, смешивали в смесителе 1,5 ч. Процентное содержание фосфора в смесях было 0,8; 1; 1,5% (мас.). Прессование проводили в твердосплавной пресс-форме при односторонней нагрузке 700 МПа. После прессования образцы спекали при 1000°С циклическим методом: 2 ч спекания с последующим охлаждением и 2 ч спекания с последующим охлаждением с печью. Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, материалы, спеченные в азотном газе, имеют меньшие значения коэрцитивной силы при добавке фосфора (0,8-1,5)% (мас.), чем для железа, нелегированного фосфором, у которого Нс=228 А/м. При спекании железа в водороде Нс=159 А/м.

Пример 2. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и феррофосфора (содержание фосфора 15 мас.%), который был получен методом измельчения сплава, смешивали в смесителе 1,5 ч. Процентное содержание фосфора в смесях было 0,8; 1; 1,5% (мас.). Прессование проводили в твердосплавной пресс-форме при односторонней нагрузке 700 МПа. После прессования образцы спекали при 1000°С циклическим методом: 2 ч спекания - с последующим охлаждением; 2 ч спекания - с последующим охлаждением; 4 ч спекания с последующим охлаждением с печью. Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, аналогично примеру 1, коэрцитивная сила при добавке фосфора в железо имеет меньшие значения при спекании материала в азотном газе, чем при спекании в водороде. Причем эти значения меньше, чем у материалов, спеченных по режиму примера 1, что обусловлено гомогенизацией материалов и уменьшением пористости за счет длительности спекания.

Пример 3. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и феррофосфора (содержание фосфора 15 мас.%), который был получен методом измельчения сплава, смешивали в смесителе 1,5 ч. Процентное содержание фосфора в смесях было 0,8; 1; 1,5% (мас.). Прессование проводили в твердосплавной пресс-форме при односторонней нагрузке 700 МПа. После прессования образцы спекали при 1100°С циклическим методом: 2 ч спекания - с последующим охлаждением; 2 часа спекания с последующим охлаждением с печью. Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 3. Как видно из таблицы 3, при добавке (0,8-1,5)% Р (мас.) в железо спекание в азотном газе благоприятно влияет на наиболее структурно-чувствительную характеристику - коэрцитивную силу, аналогично примеру 1 и 2.

Пример 4. Смесь порошка железа марки ПЖР 3 и феррофосфора (содержание фосфора 15 мас.%), который был получен методом измельчения сплава, смешивали в смесителе 1,5 ч. Процентное содержание фосфора в смесях было 0,8; 1; 1,5% (мас.). Прессование проводили в твердосплавной пресс-форме при односторонней нагрузке 700 МПа. После прессования образцы спекали при 1100°С циклическим методом: 2 ч спекания - с последующим охлаждением; 2 ч спекания - с последующим охлаждением; 4 ч спекания с последующим охлаждением с печью. Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 4. Как видно из таблицы 4, тенденция улучшения свойств материалов сохраняется, подобно примерам 1-3. Коэрцитивная сила при спекании в азотном газе меньше или в пределах ошибки измерения, соответствующей 3%, не более чем при спекании в водороде.

Таким образом, из рассмотренных таблиц можно вывести общие положения: 1) спекание в азотном газе улучшает служебные характеристики магнитомягких материалов на основе железа с добавкой (0,8-1,5)% Р, по сравнению с материалами, спеченными в водороде; 2) дополнительный цикл в технологическом процессе, соответствующий 4 часа спекания, улучшает свойства магнитомягкого материала, при этом положение 1 сохраняется; 3) повышение температуры спекания на 100°С (с 1000 до 1100°С) улучшает свойства материала, при этом положение 1 и 2 сохраняются; 4) коэрцитивная сила материалов по предложенным режимам лучше во всех 1-4 примерах, чем в прототипе (Патент №2040810, дата подачи 1992.08.27, дата опубликования 1995.07.25) и (А.П.Большаченко и др. Отработка промышленной технологии изготовления металлокерамических магнитопроводов. - Порошковая металлургия, 1972, №12, с.38-41). Наиболее близкое значение коэрцитивной силы у представленных материалов соответствует технологическому режиму спекания: 2 ч спекания и 2 ч спекания при температуре 1000°С в азотном газе и соответствует концентрации 1,5% Р в железе. При более высокой температуре спекания и большей длительности из предлагаемых режимов значения Нс материалов, спеченных в азотном газе, гораздо ниже, чем у аналогов и прототипа (таблица 5). Как видно из таблицы 5, сравнение результатов коэрцитивной силы заявляемого патента и прототипа свидетельствует в пользу патента: Нс материалов, спеченных при 1100°С по режиму 2 ч спекания и еще 2 ч многим меньше, чем в прототипе. Однако сравнение с аналогом 2 не дает такого явного эффекта, так как в аналоге 2 и в заявляемом патенте Нс=100 А/м. Возможно это связано с формой образцов. В аналоге 2 образцы были кольцевой формы, тогда как в патенте - в виде параллелепипеда, форма которого не имеет замкнутого магнитного момента. Выбор технологического режима зависит от баланса экономической выгоды и необходимого уровня служебных характеристик.

Для магнитомягких материалов важную роль играет также удельное электросопротивление, так как оно определяет потери на вихревые токи при перемагничивании в переменных полях.

Как видно из чертежа, среднестатистические значения удельного электросопротивления (ρ) материалов, спеченных в азотном газе, линейно увеличиваются от концентрации фосфора, причем коэффициент корреляции R²=0,99. Поскольку удельное электросопротивление порошкового материала зависит от плотности, на чертеже также приведен диапазон изменений значений ρ, зависимый от этой характеристики. В этот диапазон укладываются все значения удельного электросопротивления исследуемых материалов, спрессованных от 600 до 800 МПа: чем больше нагрузка прессования, тем больше плотность и тем меньше удельное электросопротивление. Как видно из чертежа, удельное электросопротивление с увеличением концентрации фосфора в железе линейно увеличивается, по крайней мере, до 1,5% Р. Такие материалы вполне могут использоваться как магнитомягкие в переменных полях низкой частоты.

Представленный способ позволит, с одной стороны, снизить энергозатраты на перемагничивание магнитопроводов, работающих в переменных полях низкой частоты (до 50 Гц), по сравнению с железом. С другой стороны, снизить затраты на самую дорогую технологическую операцию - спекание, за счет применения более дешевой, чем водород, атмосферы спекания, и обезопасить этот процесс.

Таблица 1
Результаты сравнительного анализа спекания магнитомягких материаловСвойствоУсловие спеканияв водороде при 1000°С, 2+2 часав азотном газе при 1000°С, 2+2 часа%, Р00,811,500,811,5Нс, А/м159158161164228146136154Таблица 2
Результаты сравнительного анализа спекания магнитомягких материаловСвойствоУсловие спеканияв водороде при 1000°С, 2+2+4 часав азотном газе при 1000°С, 2+2+4 часа%, Р00,811,500,811,5Нс, А/м150165165169168127120140Таблица 3
Результаты сравнительного анализа спекания магнитомягких материаловСвойствоУсловие спеканияв водороде при 1100°С, 2+2 часав азотном газе при 1100°С, 2+2 часа%, Р00,811,500,811,5Нс, А/м123112105114138107100103Таблица 4
Результаты сравнительного анализа спекания магнитомягких материаловСвойствоУсловие спеканияв водороде при 1100°С, 2+2+4 часав азотном газе при 1100°С, 2+2+4 часа%, Р00,811,500,811,5Нс, А/м1109189105122939596

Таблица 5.
Результаты сравнительного анализа спекания магнитомягких материалов с аналогом и прототипом Режим спеканияКонцентрация фосфора, мас.%Нс, А/мАтмосфераТемпература и времяАналог 1Конвертированный газ1170°С, 4 ч0,7191Водород1170°С, 4 ч0,86151ПатентАзотный газ1100°С, 2+2 ч0,8107Аналог 2Азотный газ1150°С, 2,5 ч1100ПатентАзотный газ1100°С, 2+2 ч1100ПрототипАзотный газ1150°С, 2,5 ч0,781781,3151ПатентАзотный газ1100°С, 2+2 ч1,5103

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению магнитомягких материалов. Может использоваться для изготовления магнитопроводов, работающих в постоянных и переменных полях низкой частоты, например бытовой электротехники. Способ получения магнитомягкого материала включает смешивание порошков железа и феррофосфора и прессование. Полученную прессовку спекают в азотном газе при 1000-1100°С циклическим методом путем чередования спекания и охлаждения. Техническим результатом является снижение температуры спекания и улучшение служебных характеристик материала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл.

1. Способ получения магнитомягкого материала, включающий смешивание порошков железа и феррофосфора, прессование, спекание в азотном газе и охлаждение, отличающийся тем, что спекание осуществляют циклическим методом путем чередования спекания и охлаждения при температуре спекания 1000-1100°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание проводят циклическим методом, включающим 2 ч спекания - охлаждение и 2 ч спекания с последующим охлаждением с печью.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание проводят циклическим методом, включающим 2 ч спекания - охлаждение, 2 ч спекания - охлаждение и 4 ч спекания с последующим охлаждением с печью.