СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЁННЫХ МАГНИТОТВЁРДЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-ХРОМ-КОБАЛЬТ Российский патент 2014 года по МПК B22F3/12 H01F1/08 C22C33/02 B22F1/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии в части технологии получения постоянных магнитов из магнитотвердых сплавов на основе системы железо-хром-кобальт методами порошковой металлургии.

Известны способы получения магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт методами порошковой металлургии, включающими смешение как элементарных порошков железа, хрома, кобальта, так и их сплавов (прекурсоров) с легирующими добавками, частичную активацию полученной шихты, формование для получения порошковых заготовок постоянных магнитов, их спекание в вакууме (или в защитной атмосфере) при температурах 1350-1420°C, термическую обработку, включая термомагнитную, для получения окончательных магнитных гистерезисных свойств.

Известна технология получения постоянных магнитов из порошковых магнитотвердых сплавов системы Fe-Cr-Co, подробно описанная в статье, которая свидетельствует, что оптимальной температурой спекания является температура 1400-1420°C, которая достаточно высока для спекания металлических сплавов и требует наличия специализированного оборудования (J. Appl. Phys. M.L. Green, R.C. Sherwood and C.C. Wong “Powder metallurgy processing of Cr-Co-Fe permanent magnet alloy containing 5-25 wt. % Co” 1982, v.53, No 3, pp.2398-2400).

Известен способ получения магнитных изделий, содержащих Fe, Cr, Co, из порошков с элементарными или предварительно сплавленными частицами. Порошок смешивают с нанодисперсным органическим связующим в количестве до 10 масс.%, которое затем удаляют при температурах до 600°C перед спеканием (US 4401482 A, 30.08.1983).

Недостатком этого способа получения порошковых магнитотвердых материалов системы Fe-Cr-Co является само использование органических связующих добавок, которые при выжигании загрязняют сплав углеродом, являющимся сильным γ-образующим элементом, приводящим к резкому уменьшению остаточной индукции и максимального энергетического произведения магнитотвердых Fe-Cr-Co сплавов.

Известен способ изготовления магнитов из порошковых материалов на основе системы железо-хром-кобальт, основанный на использовании порошков ферросплавов легирующих элементов (ферросилиция и ферромолибдена, взятых в количестве 0,5-5 мас.%), обеспечивающих жидкофазное спекание и тем самым повышающих плотность получаемых постоянных магнитов. Способ включает приготовление шихты, содержащей порошки железа, хрома, кобальта, феррокремния и ферромолибдена или молибдена, прессование полученной шихты, спекание, термообработку и термомагнитную обработку (RU 2334589 C2, 27.09.2008).

К сожалению, этот способ изготовления магнитов из порошковых материалов на основе системы железо-хром-кобальт не обеспечивает снижения температуры спекания отформованных порошковых заготовок и тем самым не позволяет снизить энергозатраты на производство постоянных магнитов.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения спеченных порошковых магнитотвердых Fe-Cr-Co сплавов, сущность которого состоит в том, что для интенсификации процесса спекания проводят механоактивацию как исходных порошков шихты, так и порошков сплавов прекурсоров, вводимых в шихту (US 4601876 A, 22.07.1986).

К недостаткам этого способа получения порошковых постоянных магнитов следует отнести необходимость использования порошков прекурсоров высокохромистых и высококобальтовых Fe-Cr-Co сплавов, обработанных на сигму-фазу, что существенно усложняет весь технологический процесс получения порошковых магнитов.

Техническим результатом изобретения является снижение времени и температуры спекания.

Технический результат изобретения достигается тем, что способ получения спеченных магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт включает приготовление шихты, содержащей порошки железа, хрома, кобальта и легирующих элементов, механоактивацию и последующее формование полученной шихты, спекание, термообработку, в т.ч. термомагнитную, при этом механоактивацию шихты проводят путем мокрого помола в среде этилового спирта в течение 2-15 минут с последующей сушкой полученной шихты. Кроме того, механоактивацию шихты могут проводить с добавлением поверхностно-активных веществ в количестве 0,1-0,8 масс.%, в качестве которых используют преимущественно стеариновую кислоту.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в процессе механоактивации шихты происходят различные как физико-химические, так и чисто физические процессы. К первой группе процессов относятся процессы изменения физических структур исходных порошков (увеличения их дефектности за счет повышения концентрации различных линейных и точечных дефектов), образуются новые метастабильные промежуточные соединения и т.д., что в конечном счете переводит систему в состояние, далекое от равновесия. Чем дальше от равновесия система отстоит, тем скорее и при более низких температурах она приходит в равновесие в процессе спекания. Ко второй группе процессов относится процесс изменения формы самих частиц исходных компонентов за счет пластической деформации, в результате которой они приобретают хаотически беспорядочную форму, которая обеспечивает лучшую формуемость и плотность сырых порошковых изделий перед спеканием, что, опять-таки, приводит к уменьшению температуры и времени спекания готовых изделий. Механоактивацию шихты проводят путем мокрого помола в среде этилового спирта. Оптимальный временной интервал мокрого помола 2-15 минут. При более коротких временах помола эффект повышения магнитных гистерезисных свойств практически не проявляется, а при более длительных временах помола они снижаются. Так, в табл. 1, 2 приведены примеры, в которых время механоактивации составляет 20 мин. Из этих примеров видно, что магнитные гистерезисные свойства понижаются. После механоактивации производят сушку полученной шихты. Введение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в количестве 0,1-0,8 масс.%, преимущественно стеариновой кислоты, в жидкую среду помола позволяет несколько увеличить остаточную индукцию Fe-Cr-Co магнитотвердого сплава при некотором снижении коэрцитивной силы при сохранении значения максимального энергетического произведения на одном и том же уровне. Целесообразность введения ПАВ диктуется конкретными требованиями потребителя постоянных магнитов. При меньшем количестве поверхностно-активных веществ не происходит повышения магнитных гистерезисных свойств, а при большем значении они начинают снижаться.

Сущность изобретения подтверждается примерами, которые сведены в таблицах 1 и 2.

Пример 1.

Во всех приведенных примерах 1 (таблица 1) элементарные промышленные порошки Fe, Cr, Co, Mo и W смешивают в турбосмесителе. Металлические компоненты берут в соотношении: 30 масс.% хрома, 20 масс.% кобальта, 2 масс.% молибдена, 2 масс.% вольфрама, остальное - карбонильное железо. Проводят механоактивацию полученной шихты в течение 5 мин путем мокрого помола в среде этилового спирта в высокоэнергетической планетарной мельнице с использованием в качестве мелющих тел шаров диаметром 8 и 10 мм из закаленной стали ШХ15. Соотношение веса шихты к весу мелющих шаров составляет 1:10. Осуществляют сушку полученной шихты и проводят формование образцов высотой 20 мм путем прессования шихты на ручном гидравлическом прессе в разъемной матрице с внутренним отверстием 13,5 мм при давлении 600 МПа. Спекание проводят в вакуумной шахтной печи в вакууме 10^-2 Па, а затем термическую обработку в установке, которая позволяет осуществлять термомагнитную обработку (ТМО) в температурном интервале 680-600°C в магнитном поле H=3500 эрстед. Контролируемое охлаждение (старение) образцов после проведения ТМО проводят как в этой же установке, так и в отдельной муфельной печи с программируемым регулятором температуры.

Пример 2.

Во всех приведенных примерах 2 (таблица 2) элементарные промышленные порошки Fe, Cr, Co, Mo и W смешивают в турбосмесителе. Металлические компоненты берут в соотношении: 26 масс.% хрома, 16 масс.% кобальта, 2 масс.% молибдена, 2 масс.% вольфрама, остальное - карбонильное железо. Далее проводят процессы механоактивации шихты путем мокрого помола в течение 5 мин в среде этилового спирта, осуществляют сушку полученной шихты и формование из нее образцов. Спекание и термическую обработку образцов, включая термомагнитную, проводят также, как и в примерах таблицы 1.

Данные таблиц 1 и 2 однозначно свидетельствуют о том, что механоактивация шихты порошковых высококоэрцитивных Fe-Cr-Co магнитотвердых сплавов путем мокрого помола в среде этилового спирта как с добавлением ПАВ, так и без добавления, повышает магнитные гистерезисные свойства, снижает оптимальную температуру спекания на 100-120°C при уменьшении времени спекания в 2 раза.

Таблица 1 Обработка Температура и время спекания, °C (ч) Время механоактивации, мин Содержание ПАВ,% B_r, Тл Н_сИ, кА/м (ВН)_макс, кДж/м³ 1 2 3 4 5 6 7 Без механоактивации 1420 (4 ч) - - 0,985 72,0 34,2   1350 (4 ч) - - 0,89 68,0 27,4   1300 (4 ч) - - 0,71 66,5 18,1 Механоактивация (мокрый помол в среде этилового спирта) 1420 (4 ч) 5 - 0,98 71,0 33,8 1300 (4 ч) 5 - 1,0 75,0 36,2 1270 (4 ч) 5 - 1,0 69,8 34,4 1250 (4 ч) 5 - 0,91 69,0 29,6 1300 (2 ч) 5 - 1,0 73,0 38,0 1300 (2 ч) 2 - 0,95 68,3 30,1 1300 (2 ч) 3 - 0,98 69,8 35,1 1300 (2 ч) 10 - 1,0 70,5 36,8 1300 (2 ч) 15 - 0,99 74,0 37,1 1300 (2 ч) 20 - 0,90 70,2 28,0 Механоактивация (мокрый помол в среде этилового спирта с добавками ПАВ). В качестве ПАВ использованы стеариновая и олеиновая кислоты. 1300 (2 ч) 5 0,05 (стеарин.) 1,0 72,9 37,9 1300 (2 ч) 5 0,1 (стеарин.) 1,02 70,8 38,0 1300 (2 ч) 5 0,5 (стеарин.) 1,05 69,1 38,1 1300 (2 ч) 5 0,5 (олеин.) 0,98 69,4 35,2 1300 (2 ч) 5 0,8 (стеарин.) 1,0 65,2 38,2 1300 (2 ч) 5 0,8 (олеин.) 0,975 74,0 32,6 1300 (2 ч) 5 0,9 (стеарин.) 0,98 74,3 36,1 1300 (2 ч) 5 0,9 (олеин.) 0,95 61,2 29,8

Таблица 2 Обработка Температура и время спекания, °C(ч) Время механоактивации, мин Содержание ПАВ, % B_r, Тл Н_сВ, кА/м (ВН)_макс, кДж/м³ 1 2 3 4 5 6 7 Без механоактивации 1420 (4 ч) - - 1,15 54,0 33,2 1350 (4 ч) - - 1,08 52,0 28,4 1300 (4 ч) - - 0,71 50,5 12,1 Механоактивация (мокрый помол в среде этилового спирта) 1300 (2 ч) 5 - 1,20 56,0 36,1 1300 (2 ч) 2 - 1,15 54,5 33,5 1300 (2 ч) 3 - 1,18 54,5 34,0 1300 (2 ч) 15 - 1,17 54,8 35,5 1300 (2 ч) 20   1,13 53,0 31,0 Механоактивация (мокрый помол в среде этилового спирта с добавками ПАВ). В качестве ПАВ использованы стеариновая и олеиновая кислоты. 1300 (2 ч) 5 0,1 (стеар.) 1,22 55,6 36,0 1300 (2 ч) 5 0,5 (стеар.) 1,25 52,6 36,8 1300 (2 ч) 5 0,8 (стеар.) 1,26 52,6 36,9 1300 (2 ч) 5 0,9 (стеар.) 1,24 48,5 32,8

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению постоянных магнитов из магнитотвердых сплавов на основе системы железо-хром-кобальт. Готовят шихту, содержащую порошки железа, хрома, кобальта и легирующих элементов, и проводят ее механоактивацию в планетарной шаровой мельнице в среде этилового спирта в течение 2-15 минут, с последующей сушкой. Полученную шихту формуют, спекают и подвергают термообработке, в т.ч. термомагнитной. Обеспечивается снижение времени и температуры спекания. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

1. Способ получения спеченного магнитотвердого сплава системы железо-хром-кобальт, включающий приготовление шихты, содержащей порошки железа, хрома, кобальта и легирующих элементов, механоактивацию и последующее формование полученной шихты, спекание, термообработку, в том числе термомагнитную, отличающийся тем, что механоактивацию шихты проводят путем мокрого помола в шаровой планетарной мельнице в среде этилового спирта в течение 2-15 минут, с последующей сушкой полученной шихты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механоактивацию шихты проводят с добавлением поверхностно-активных веществ в количестве 0,1-0,8 мас.%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активных веществ используют, преимущественно, стеариновую кислоту.