Разработка технологий изготовления порошковых магнитных материалов для электротехнических изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тимофеев Игорь Александрович

Москва 2008

Работа выполнена в Тверском государственном университете и в Московском энергетическом институте (техническом университете).

Научный консультант: Действительный член академии инженерных наук им. А.М. Прохорова, доктор физико-математических наук, профессор Кустов Евгений Федорович

Официальные оппоненты: Действительный член АЭН РФ, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Иньков Юрий Моисеевич

доктор технических наук, профессор Павлов Владимир Алексеевич

доктор технических наук, профессор Зайцев Юлий Владимирович

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством»

Защита диссертации состоится « » 2008 г. в часов в аудитории на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., 14.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан «____»_________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент М. В. Рябчицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработка новых материалов, необходимых для решения различных электротехнических задач, совершенствование уже известных материалов с целью получения более высоких эксплуатационных характеристик электротехнических изделий, являются важнейшими направлениями, определяющими развитие электротехники и электротехнической промышленности.

Магнитные материалы широко применяются в самых различных классах электротехнических изделий, их электромеханические характеристики в значительной мере определяют эксплуатационные характеристики электротехнических изделий, их механическую износостойкость, надежность, рабочую температуру и т. п.

Одним из прогрессивных методов формирования элементов изделий из магнитных материалов являются методы порошковой металлургии, которая на сегодня используется в основном для получения элементов конструкционных деталей, несущих в основном механические нагрузки.

Использование указанных технологических методов для рабочих элементов электротехнических конструкций (сердечников, магнитопроводов, магнитных шунтов и т. п.) поставило задачу проведения комплекса физических и технологических исследований по получению магнитных материалов с повышенными магнитными характеристиками.

Проведение исследований, результаты которых изложены в диссертации, осуществлялось в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации № 80 от 25 января 1998 г. «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998-2005 годы» и на основании Указа Президента РФ В. В. Путина № ПР-578 от 30 марта 2002 г. «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ и Перечень критических технологий РФ».

Созданию новой инновационной технологии получения магнитных материалов и посвящена настоящая работа и как показали проведенные исследования она позволяет сократить трудоемкость операций изготовления магнитных элементов, способствует снижению себестоимости изделий, экономии магнитных материалов, высвобождению прокатного, штамповочного, металлорежущего станочного оборудования, широко используемого в современной технологии производства элементов магнитных цепей.

Приведенная работа восполняет пробел, который имеет место в данной отрасли науки и техники.

Цель работы. Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Целью работы является установление реальной физической природы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков, создание теории и методов технологии изготовления магнитных материалов, позволяющих на основе энерго- и ресурсосбережения разработку новых конструкций электротехнических агрегатов и изделий с высокими электромеханическими характеристиками.

Анализ литературных источников свидетельствует, что исследованию процессов изготовления деталей методом порошковой металлургии, являющимся одним из новых прогрессивных технологий, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых и специалистов.

Вопросы теории и технологии, формообразования и спекания порошковых и гранулированных материалов, рассмотрены в работах Г.И.Аксенова, А.Б.Альтмана, Р.А.Андриевского, В.А.Анциферова, М.Ю.Бальшина, С.В.Белова, Б.А.Борок, Г.А.Виноградова, П.А.Витязя, Я.Е.Гегузина, Ю.Г.Дорофеева, С.С.Ермакова, В.Н.Еременко, Г.М.Ждановича, В.А.Ивенсена, В.П.Каташинского, О.А.Катруса, С.С.Кипарисова, М.С.Ковальченко, А.Г.Косторнова, Г.С.Креймера, Ю.В.Левинского, Г.А.Либенсона, Е.Б.Ложечникова, Н.В.Манукяна, Г.А.Меерсона, Н.Н.Павлова, В.Е.Перельмана, Я.Б.Пинеса, И.Д.Радомысельского, В.С.Раковского, А.И.Рудского, О.В.Романа, Г.В.Самсонова, В.М.Сегала, В.В.Скорохода, А.В.Степаненко, И.М.Федорченко, И.Н. Францевича и других, а также ученых дальнего зарубежья: Айзенкольба, Джеймса, Джонса, Кучинского, Ленеля, Ояне, Ристича, Хауснера и других.

В значительной мере теоретические положения физики и металловедения, электрических машин и аппаратов базируются на результатах работ современных отечественных и зарубежных ученых, к которым принадлежат: Г.Н.Александров, П.А.Арсеньев, В.Г. Баженов, А.М.Балбашов, О.А.Банных, К.А.Боярчук, Г.А.Бугаев, Б.К.Буль, А.М.Глезер, Ю.Н.Драгошанский, Ю.В.Зайцев, Ю.М.Иньков, А.В.Иванов-Смоленский, Г.С.Кандаурова, Н.Г.Колбасников, И.П.Копылов, В.М.Кондратов, В.Д.Кочетков, В.А.Кузнецов, П.А.Курбатов, И.О.Леушин, М.А.Любчик, Л.А.Макриденко, В.М.Матюнин, Б.М.Могутнов, В.А.Нестерин, А.Г.Никитенко, Н.И.Носкова, Ю.А.Осипьян, А.Г.Пастушенков, И.И.Пеккер, Ю.К.Розанов, С.В.Серебрянников, Г.П.Станулевич, В.М.Строев, В.П. Чепарин, Е.Н.Шефтель, В.Н.Шоффа, D.Broun, R.S.Tebble, T.Nozawa, T.Yamamoto и другие.

Научные труды этих ученых и специалистов в основном определили направление и характер теоретических и практических разработок, выполненных в настоящей работе.

Научная новизна.

1. Разработаны теоретические положения создания порошковых, магнитных материалов для магнитных сердечников электротехнических изделий с высокими свойствами.

2. В результате теоретических и экспериментальных работ исследованы физические основы получения порошковых магнитных материалов с комплексом максимальных магнитных свойств. Выявлены закономерности влияния взаимодействия доменных границ с дислокациями на максимальную магнитную проницаемость, коэрцитивную силу, удельные потери и удельное электрическое сопротивление для различных магнитных материалов.

3. Установлено влияние неоднородности распределения магнитного потока в спеченных сердечниках. С учетом особенностей распределения магнитного потока разработано конструкторское решение по выполнению оптимальной формы сердечников магнитных систем постоянного тока в виде усеченного параболоида.

4. В результате систематизированных исследований разработан многослойный магнитный материал с помощью дискретного прессования слоев на основе эквидистанционной и дифференциальной вариации приложения давлений по схеме математической матрицы, что позволило получить в многослойном материале физический эффект сдвига магнитных потоков по фазе.

5. Впервые создан новый класс композиционных магнитных материалов, состоящих из многослойных структур на основе сочетания дискретных слоев магнитомягких материалов (МММ) с различным содержанием кремния и магнитотвердых материалов (МТМ), и на этой основе предложена эффективная магнитная система синхронного двигателя с высокими энергетическими характеристиками.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- развитие теоретических положений намагничивания и перемагничивания магнитных материалов;

- методологические закономерности формообразования и спекания порошковых магнитных материалов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов изготовления магнитопроводов в отличие от известных технологических процессов;

- новые классы магнитных систем переменного тока

- методы оптимизации параметров магнитопроводов постоянного тока;

Практическая ценность и реализация результатов работы состоят в следующем: электротехнический агрегат ферромагнетик намагничивание

- во внедрении прессованных и спеченных магнитопроводов с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний на контакторах типа МПМК-1, изготовленных по чертежам ГЛЦИИ 757.235.002 в соответствии с представленными чертежами автора. Спеченные магнитопроводы изготавливаются на Кинешемском заводе «Электроконтакт» и используются на указанных контакторах с 1999 г. Внедрение разработанной технологии позволило повысить максимальную магнитную проницаемость, снизить коэрцитивную силу и повысить механическую износостойкость аппарата;

- во внедрении прессованных и спеченных магнитопроводов с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний на Броварском заводе порошковой металлургии. Спеченные магнитопроводы монтируются и комплектуются с другими деталями и затем собираются в кнопочные элементы типа ВП-51 (ЦМ 7774005), которые в последствии устанавливаются в порталах для автоматического управления высотными гражданскими лифтами типа У-0,71 МС. Спеченные магнитопроводы позволяют повысить физико-механические свойства, исключить трудоемкие операции обработки и получать сложные конструктивные формы деталей практически без потерь исходного сырья;

- в использовании технологического процесса изготовления спеченных слоистых магнитопроводов. Спеченные слоистые магнитопроводы используются для изготовления магнитных систем на реле типа РПУ-1 во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте релестроения (ВНИИР), что позволило снизить электрические потери до 0,5 Вт/кг для магнитной индукции 1,0 Т и частоте перемагничивания 50 Гц, увеличить относительную магнитную проницаемость до 17000 и уменьшить коэрцитивную силу до 7,9 А/м;

- во внедрении (ВНИИР) технологического процесса совмещенного способа изготовления антикоррозионного покрытия и пропитки магнитных систем в аппаратах переменного тока следующего типов РПУ-1, РПУ-4, РПК-1, ПМА-2000, что позволило защитить магнитные системы аппаратов от процессов коррозионного разрушения и повысить механическую износостойкость магнитных систем в 1,5-2 раза по сравнению с аналоговыми системами;

- в использовании разработанных спеченных магнитопроводов для трансформаторов напряжения малой мощности на основе безотходной технологии взамен аналогового магнитопровода для трансформатора напряжения малой мощности типа ТБС-2. Разработанные спеченные магнитопроводы используются на Сарапульском радиозаводе, что позволило по сравнению с магнитопроводами аналоговых трансформаторов малой мощности снизить расход потребляемой мощности на 23%, повысить КПД на 24% и поднять Cos на 27%;

- во внедрении спеченных магнитопроводов, изготовленных по чертежам автора, с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний. Спеченные магнитопроводы используются для изготовления магнитных систем синхронных двигателей типа ДВС-VI на Чебоксарском предприятии ОАО «Завод электроники и механики». Внедрение разработанной конструкции позволило уменьшить затраты стали на 33%, увеличить вращающий момент на 13% и повысить КПД на 14%.

Общий экономический эффект от внедрения спеченных магнитных систем для электротехнических агрегатов и изделий, разработанных в соответствии с предложенными в представленной работе технологическими процессами изготовления, составил 3976,9 тыс. руб. (в ценах 2002 года).

Научные положения диссертации используются в учебном процессе:

- при чтении лекций и подготовке лабораторных работ по курсам «Электродинамика», «Магнитные материалы и элементы», «Теоретическая физика», «Теоретическая электротехника»;

- при подготовке аспирантских и магистерских диссертаций, выпускных работ бакалавров, выполнении исследовательских курсовых и дипломных проектов;

- при издании двух учебных пособий.

Реферируемая работа является частью комплекса работ, проведенных автором на кафедре «Магнетизма» Тверского государственного университета и на кафедре «Физики и технологии электротехнических материалов и компонентов и автоматизированных электротехнических комплексов» Московского энергетического института (технического университета).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на международных и всероссийских конференциях, в том числе: международной научно-практической конференции «Современные технологические процессы и оборудование в машиностроении» (г.Чебоксары, 1999 г.), международной научно-практической конференции «Метрологическое обеспечение испытаний и сертификации» (г. Москва, 1999 г.), VIII международном семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 1999 г.), международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность» (г. Тула, 1999 г.), VI Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (г. Москва, 1999 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств» (г. Орел, 1999 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г. Пенза, 2004 г.), общероссийской юбилейной научной конференции с международным участием «Современные проблемы науки и образования» (г. Москва, 2005 г.), IV общероссийской научной конференции с международным участием «Новейшие технологические решения и оборудование» (г. Москва, 2006 г.), международной научной конференции «Современные проблемы науки и образования» (Болгария, г. София, 2006 г.), I международной научной конференции «Приоритетные направления развития науки» (США, г. Нью-Йорк, 2007 г.), III Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.), VIII Всероссийской научной конференции «Успехи современного естествознания» (г. Москва, 2007 г.).

Публикации. Общее количество опубликованных печатных работ по тематике диссертации составляет 59, в том числе монографий - 2, в реферируемых журналах - 49. Новизна и оригинальность разработок конструкций и технологических процессов изготовления спеченных магнитных материалов и электротехнических изделий защищена 15 авторскими свидетельствами и 3 патентами на изобретения.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту доктору физ.-мат. наук, проф. Е.Ф.Кустову, а также д.т.н., проф. М.В. Петрову, канд. физ.-мат. наук, доц. А.Ю. Мирошниченко за оказанную помощь при выполнении работы, критические замечания и рекомендации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и результатов работы, списка литературы из 253 наименований и включает 251 страницу машинописного текста, 146 рисунков, 42 таблицы. Общий объем работы 299 страниц.

Первая глава посвящена обзору современных данных железокремнистых материалов спрессованных, спеченных магнитопроводов, способам их получения и определены основные направления проведения исследования с целью широкого применения данных материалов.

В данной главе проанализирован обширный накопленный опыт, приведены результаты исследований различных авторов относительно влияния содержания кремния на физические свойства кремнистого железа. Показано, что с увеличением содержаний кремния уменьшается постоянная атомной решетки, снижается плотность материала, увеличивается удельное электросопротивление, кроме того уменьшаются коэффициенты магнитострикции коэффициент магнитной анизотропии. Увеличение содержания кремния приводит к постепенному уменьшению температурного коэффициента электрического сопротивления стали.

На магнитные и электрические свойства материалов влияют способы изготовления магнитопроводов: давление прессования, температура и время спекания, скорость охлаждения и термомагнитная обработка. Повышению свойств магнитных материалов в значительной степени способствовало развитие теоретических явлений физики и металловедения магнитных материалов.

В данной главе также дан анализ и отмечена актуальность экспериментальных и теоретических работ, посвященных влиянию дефектов кристаллической решетки на свойства магнитных материалов, критически обсуждены выводы советских, российских и зарубежных авторов и указаны причины несовпадения данных при сопоставлении экспериментальных и теоретических результатов. Проведенный анализ литературы показал, что отсутствуют какие-либо данные исследований по дислокационной и доменной структуре железокремнистых сталей, содержащих 6,5 % Si.

Вторая глава «Экспериментальные методы исследования» содержит описание подходов в постановке эксперимента, способов и стадий получения исходных порошков и аттестации исследуемых образцов.

Методика изготовления магнитных систем включает в себя следующие операции: приготовление шихты, дозирование порошковой шихты, формирование изделий из порошковой шихты, сушка прессованных изделий, спекание прессовок, термическая обработка магнитных систем и получение монокристаллических материалов. Диагностирование магнитных систем состояло в измерении пористости, определении влажности, оценке формуемости, измерении свойств ферромагнитных материалов и определении удельных электрических потерь.

Изготовление образцов в виде колец размером 34х25х510^-3 м производилось для измерения магнитных характеристик, приготовление П-, Ш-, Г-, Т-, С-, Б-, Н-образных и других типов магнитопроводов - для исследований и промышленных испытаний.

Прессование кольцевых образцов осуществляли на гидравлическом прессе типа П-472, позволявшем получить давление до 0,06 МН, а остальных типов магнитопроводов - на гидравлическом прессе колоннного типа 2ПГ-500 с максимальным давлением на всю контактную поверхность до 0,5 МН. Формование полых магнитопроводов осуществляли на магнитно-импульсной установке типа МИУ-80/10 с наибольшей запасаемой энергией, равной 80 КДж.

Спекание, термомагнитную обработку и отжиг кольцевых образцов производили в шахтной печи сопротивления типа СШВЛ-0,6.2/16 М01, рассчитанный на максимальную температуру спекания 1600°С и вакуум 13,310^-4 Па (10^-5 мм рт. ст.). Для проведения систематизированных исследований и промышленных испытаний различных вариантов магнитопроводов применяли камерную печь сопротивления типа СНВЛ-1.3.1/16-М2, а для спекания мелкосерийных партий изделий - СГВ 2-3/15-2.

Магнитные измерения в магнитопроводах переменного тока выполняли по ГОСТ 12119-80 методом амперметра-вольтметра, при этом в качестве амперметра применяли электронный амперметр типа Ф-563, а в качестве вольтметра - электронный вольтметр типа Ф-534. При необходимости результаты измерений контролировали феррометром типа Ц-50, а также ферротестером типа ТР-9801/А. Исследование магнитных свойств при перемагничивании с частотой от 50 до 2000 Гц проводилось с помощью звукового генератора ГЗ-34 и двух электронных вольтметров типа Ф-564. Контроль магнитной индукции в воздушном зазоре осуществляется тесламетром типа Ф-4354/1 с датчиком Холла, а для контроля малых величин магнитной индукции использовали миллитесламетр типа ЭМУ 2-20.

Определение кривых намагничивания и коэрцитивной силы материалов в постоянных магнитных полях производили баллистическим методом согласно ГОСТ 15058-79. По этому методу производили исследования магнитных образцов замкнутой формы (кольцо, тороид, квадрат).

Исследование распределения магнитного потока вдоль длины сердечника магнитопровода постоянного тока проводили с помощью милливеберметра типа М-1119. Для этого в места определения магнитного потока устанавливали датчики на расстоянии 110^-2 м друг от друга. Периодический отсчет магнитного потока производили по величине максимального отброса стрелки прибора.

Измерение удельных электрических потерь производили с помощью двухобмоточного аппарата Эпштейна, однако он требует для своего измерения большую массу исследуемого материала. Для уменьшения массы исследуемого магнитного материала был сконструирован и изготовлен малогабаритный аппарат. В комплект этого аппарата входят следующие измерительные приборы: электронный ваттметр типа Ф-585Г, звуковой генератор типа ГЗ-34, электронный милливольтметр типа ВЗ-38 и электронный вольтметр типа Ф-564.

Размеры измеряемых образцов:

1) длина полосы - 0,3 м;

2) ширина полосы - 0,03 м;

3) толщина полосы - 0,3510^-3; 0,510^-3 м, 110^-3;

4) количество полос в пакете - 1-3 шт.

Металлографические исследования и регистрацию дефектов проводили на микроскопе типа МИМ-8. Монокристаллические образцы получали
методом зонной плавки на установке типа «Кристалл - ДМ» и "Кристалл-
Е». Приготовление шлифов для наблюдения дислокационной и доменной
структур проводилось с применением алмазных паст с дисперсностью уменьшающихся частиц абразива от 2010^-6 до 0,310^-6 м.

Выявление дислокационной структуры на спеченных магнитопроводах производилось в химическом растворе состава:

80 % Н₃РО₄ + 13 % CrО₃ + 7 % Н₂О.

Выявление дислокационной структуру на монокристаллических образцах производилось в химическом растворе состава:

83,4 % Н₃РО₄ + 16,6 % CrО₃.

Выявление доменной структуры проводилось методом порошковых осадков с помощью магнитного коллоида.

Механические испытания сплавов на сжатие проводились на разрывной машине модели 2055P-0,5 по ГОСТ 25.503-80. Для определения предела прочности на сжатие применяли образцы цилиндрической формы с диаметром рабочей части, равным 2010^-3 м и высотой 4010^-3 м.

Испытание на кручение проводили на испытательной машине модели 2014МК-50 с наибольшим крутящим моментом 490 Нм (50 кГсм). Объектом испытания служили образцы цилиндрической формы с диаметром средней части 1010^-3 м и высотой 5010^-3 м. Испытание проводили по ГОСТ 3565-80.

Для проведения испытания на изгиб образец устанавливали на цилиндрические роликовые опоры, оси которых перпендикулярны продольной оси образца, и прикладывали сосредоточенную нагрузку посредине. Объектом испытания служили образцы прямоугольного сечения размером 10х8х5510^-3 м. Расстояние между опорами при испытании составляло 4010^-3 м.

Испытания на ударную вязкость проводили согласно ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре КМ-30, оборудованном шкалой, по которой отсчитывается энергия, затраченная на разрушение образца. Объектом испытания служили образцы прямоугольного сечения размером 10х10х5010^-3 м.

Твердость порошковых материалов определяли на приборе ТПП-2 с расчетным диапазоном измерения 8-1500 HV с испытательной нагрузкой 10Н (ГОСТ 2999-75).

Для определения механической износостойкости магнитные системы устанавливали на электрические аппараты (контакторы. реле. магнитные пускатели и т.д.). Задание режима работы производились мультивибратором, позволяющим регулировать частоту срабатывании от 0,04 до 16 циклов в секунду и ПВ от 25 до 80 %.

В третьей главе «Влияние структуры материалов, полученных методом порошковой металлургии (МПМ) на магнитные свойства» раскрыты физические методы формирования дислокационной структуры; позволившие управлять магнитными свойствами для получения качественных изделий.

Физической основой для получения максимальных магнитных свойств электротехнических материалов является формирование оптимальной дислокационной и доменной структур. Дислокации и их группировки возникают в процессе кристаллизации, механической и технологической обработки, при больших скоростях нагрева и охлаждения, а также при облучении ядерными частицами. Взаимодействие доменной и дислокационной структур не оказывает влияния на магнитную индукцию насыщения, но значительно влияет на начальную и максимальную магнитную проницаемости и коэрцитивную силу. Величина магнитной индукции насыщения определяется в основном химическим составом материала и не зависит от режима кристаллизации, механической и технологической обработки.

На рис. 1 представлены зависимости максимальной магнитной проницаемости (а), коэрцитивной силы (б) и скорости движения доменных границ (в) от плотности дислокаций для магнитных материалов из железа с различным содержанием кремния (1 - 0,05%; 2 - 1,9%; 3 - 4%; 4 -6,5%). С увеличением плотности дислокаций максимальная магнитная проницаемость уменьшается (см. рис. 1,а).



Рис. 1,а Влияние плотности дислокаций на максимальную магнитную проницаемость для различных магнитных материалов: 1 - Fe; 2 - Fe-1,9 % Si; 3 - Fe-4 % Si; 4 - Fe-6,5 % Si

С повышением содержания кремния от 0 до 6,5% максимальная магнитная проницаемость увеличивается, константа магнитной анизотропии и постоянная магнитострикции стремятся к нулю, а максимальное значение магнитной проницаемости увеличивается. Чем меньше плотность дислокаций и чем выше содержание кремния в сплаве, тем выше максимальная магнитная проницаемость.



Рис. 1,б Влияние плотности дислокаций на коэрцитивную силу для различных магнитных материалов: 1 - Fe; 2 - Fe-1,9 % Si; 3 - Fe-4 % Si; 4 - Fe-6,5 % Si

Рис. 1,в Зависимость скорости движения доменных границ от плотности дислокаций для различных магнитных материалов: 1 - Fe; 2 - Fe-1,9 % Si; 3 - Fe-4 % Si; 4 - Fe-6,5 % Si

Из рис. 1,б видно, что с увеличением плотности дислокаций коэрцитивная сила увеличивается. С повышением содержания кремния от 0 до 6,5% константа К магнитной анизотропии и следовательно коэрцитивная сила непрерывно снижаются в соответствии с формулой: Н_сКⁿ. Чем меньше плотность дислокаций и чем выше содержание кремния в сплаве, тем меньше коэрцитивная сила.

Из рис. 1, в видно, что с увеличением плотности дислокаций скорость движения доменных границ уменьшается.

Эксперименты показали, что скорость движения доменных границ адекватно уменьшается с понижением содержания кремния. Чем больше плотность дислокаций и чем меньше содержание кремния в сплаве, тем ниже скорость движения доменных границ.

Скорость перемещения доменов находится в прямой зависимости от подвижности доменных границ. С повышением содержания кремния в сплаве подвижность доменных границ существенно повышается. Такое повышение подвижности доменных границ в диапазоне полученных пределов изменения плотности дислокаций коррелирует с близким к нулю значением двух физических констант: постоянной кристаллической магнитной анизотропии и постоянной магнитострикции.

Физическая сущность повышения магнитных свойств состоит в том, что дислокации определяют кинематические характеристики движения доменных границ.

Не меньший интерес представляют зависимости коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости от концентрации доменов.



Рис. 2,а Влияние концентрации доменов на коэрцитивную силу для различных магнитных материалов: 1-Fe; 2-Fe-l,9%Si; 3-Fe-4%Si; 4-Fe-6,5%Si

Рис. 2,б Влияние концентрации доменов на максимальную магнитную проницаемость для различных магнитных материалов: 1-Fe; 2-Fe-l,9%Si; 3-Fe-4%Si 4-Fe-6,5%Si

На рис. 2,а представлены в логарифмическом масштабе результаты эксперимента по измерению коэрцитивной силы в зависимости от средней концентрации доменов для различных магнитных материалов.

Из рис. 2,а видно, что чем выше концентрация доменов и содержание кремния в сплаве, тем меньше коэрцитивная сила.

На рис. 2, б представлены в логарифмическом масштабе результаты эксперимента по измерению максимальной магнитной проницаемости от средней концентрации доменов для различных магнитных материалов.

Из рис. 2,б видно, что чем выше концентрация доменов и содержание кремния в сплаве, тем выше максимальная магнитная проницаемость.

Из анализа рис. 1 и 2 следует, что при увеличении концентрации доменов и уменьшении плотности дислокаций на один порядок скорость движения доменных границ увеличивается в 1,73 раза, что соответственно приводит к увеличению максимальной магнитной проницаемости в 5,1 раза и уменьшению коэрцитивной силы в 5,6 раза.

Характер движения доменных границ, зависящий от присутствия в кристаллите дислокаций, определяет величину коэрцитивной силы: чем ниже плотность дислокаций и чем выше концентрация доменов, тем меньше величина коэрцитивной силы.

В общем случае коэрцитивную силу с учетом взаимодействия доменной и дислокационной структур, предлагается описать с помощью следующего уравнения:

, (1)

где К - константа магнитной анизотропии;

- толщина доменной стенки;

₀ - магнитная постоянная, ₀ = 41 0^-7 Гн/м;

I_s - самопроизвольная намагниченность;

D - диаметр кристаллита;

N - текущая плотность дислокаций;

N_о - максимальная плотность дислокаций;

с₁ - постоянная для отношения плотности дислокаций;

n - текущая концентрация доменов;

n_о - максимальная концентрация доменов;

с₂ - постоянная для отношения концентрации доменов;

А и В - константы. Для образца из сплава Fe-6,5 % Si А= 3,7302 и В=0,9083.

Кроме того, характер движения доменных границ, зависящий от присутствия в кристаллите дислокаций, определяет уровень максимальной магнитной проницаемости: чем ниже плотность дислокаций и чем выше концентрация доменов, тем выше величина магнитной проницаемости.

Следовательно, формулу максимальной магнитной проницаемости предлагается записать следующим образом:

, (2)

где В - магнитная индукция;

Н - напряженность магнитного поля;

C₁ - постоянная для отношения плотности дислокаций;

C₂ - постоянная для отношения концентрации доменов;

A и В - константы. Для образца из сплава Fe-6,5%Si A= 8,0272 и В= 9,1912

Одной из главных задач является контроль магнитных характеристик, однако немаловажным фактором является также контроль удельных потерь.

Если удельные потери имеют завышенные величины, то использование магнитных материалов в электротехнических устройствах имеет ограниченное применение или вообще становится нецелесообразным. Наиболее конкурентоспособным становится то электротехническое изделие, магнитомягкий материал которого имеет высокие магнитные свойства и низкие удельные потери.

Практическую формулу для инженерных расчетов удельных потерь на вихревые токи предложил Круг. Он, суммируя множество замкнутых электрических контуров, учел потери по всем контурам и привел следующее выражение:

, (3)

где В_м - амплитуда магнитной индукции, Т;

f- частота переменного тока, Гц;

d - толщина пластин, мм;

k_f - коэффициент формы кривой магнитной индукции;

- плотность материала пластины, кг/м³;

- удельное электрическое сопротивление материала пластины, Омм.

Применяя формулу (3), результаты практических вычислений становятся существенно заниженными.

Однако, чтобы исключить большую погрешность в формуле (3), реальным показателям по потерям на вихревые токи, необходимо подставить в формулу толщину пластин в метрах и упразднить коэффициент 10^-10, т.е.:

. (4)

Из работы Дружинина В.В. известно, что потери на гистерезис пропорциональны площади статического цикла гистерезиса, частоте перемагничивания и обратно пропорциональны плотности материала пластины, и определяются из следующего выражения:

, (5)

где S - площадь статического цикла гистерезиса, Т а/м.

Преобразовав петлю гистерезиса в виде прямоугольника, можно площадь статического цикла гистерезиса приблизительно определить по следующей простой формуле:

S= 4В_мН_с, (6)

где Н_с - коэрцитивная сила.

Следовательно, удельные потери на гистерезис с учетом формулы (6) можно определить по следующей формуле:

. (7)

Определив составляющие потерь по формулам (4) и (7), можно найти общие удельные потери на перемагничивание магнитомягких материалов:

, (8)

где Н_с - значение коэрцитивной силы приведено без учета плотности дислокаций и концентрации доменов.

На коэрцитивную силу на основе дислокационной теории магнитных свойств материалов оказывает влияние взаимодействие доменной и дислокационной структур.

Следовательно, окончательно общие удельные потери с учетом формулы (1) предлагается писать следующей формулой.

. (9)

Удельное электрическое сопротивление магнитного материала является структурно чувствительной величиной, поэтому запишем уравнение для зависимости удельного электрического сопротивления от плотности дислокаций и концентрации доменов в следующем виде:

. (10)

где в - коэффициент, в=0,1…0,9;

q - постоянная для отношения плотности дислокаций;

- постоянная для отношения концентрации доменов.

Таким образом, на удельное электрическое сопротивление магнитного материала существенно влияет взаимодействие доменной и дислокационной структур.

Исследовано влияние режима спекания на магнитные свойства спеченного магнитопровода с содержанием кремнистого железа с 6,5 % кремния. Большое значение имеет температура спекания. Показано, что с повышением температуры спекания с 1570 до 1670 К магнитная индукция в поле 100 А/м увеличивается с 0,53 до 0,92 Т; а коэрцитивная сила уменьшается с 40 до 16 А/м. Изменение этих свойств в связи с изменением температуры спекания обусловлены дислокационной структурой, впервые обнаруженной на материале этого состава. Механизм изменения магнитных свойств связан с тем, что с уменьшением плотности дислокаций смещение доменных границ происходит при меньших магнитных полях, в противном случае смещение доменных границ задерживается интенсивнее на дефектах кристаллического строения металлов, что вызывает ухудшение магнитных свойств. Измерения удельных потерь показали, что они уменьшаются с увеличением температуры спекания. Убывание удельных потерь энергии образцов на перемагничивание в 2,5 раза для частоты 50 Гц и в 3,6 раза для частоты перемагничивания 400 Гц с увеличением температуры спекания также связано с уменьшением плотности дислокаций. Дислокационная структура, наблюдаемая методом избирательного травления на этих образцах, представляет собой хаотически распределенные дислокации. Для измерения дислокационных структур на образцах впервые применялось высокотемпературное спекание в специальной вакуумной печи с вакуумом 0,06510^-2 Па(510^-5 мм рт. ст.).

Другой важной операцией в технологии изготовления магнитопроводов является время выдержки при температуре спекания. С целью прогнозирования изменения магнитных свойств необходимо знать зависимость изменения концентрации дислокаций от времени спекания. С увеличением времени спекания плотность дислокаций уменьшается, что вызывает уменьшение удельных потерь. Так, например, для слоистого магнитопровода с толщиной слоев 0,3510^-3 м с увеличением времени спекания с 0,5 до 4 ч удельные потери для 1 Т и частоты 50 Гц снизились с 1,7 до 0,8 Вт/кг, т.е. удельные потери на 0,25 Вт/кг меньше чем для электротехнической стали марки 1513 для толщины листов 0,3510^-3 м. Слоистые спеченные магнитопроводы успешно конкурируют с электротехническими сталями.

В четвертой главе «Разработка технологического процесса для изготовления элементов магнитных систем на основе МПМ» исследованы технологические режимы и свойства спеченных магнитных систем. На характеристики магнитных материалов влияют не только температура спекания, время выдержки, скорость нагрева и охлаждения, но и скорость дискретного охлаждения, а также термомагнитная обработка спекаемого материала (ТМО). Это подтверждается большим числом экспериментов, проведенных в различных режимах.

Весьма существенный результат был достигнут при ступенчатой дискретной скорости охлаждения магнитных систем. По первому варианту термообработки магнитные системы охлаждали до температуры 1110 К со скоростью 0,116 К/с, затем до температуры 970 К со скоростью 0,108 К/с, далее до температуры 370 К со скоростью 0,124 К/с, после чего до температуры окружающей среды - с произвольной скоростью охлаждениям По последнему варианту термообработки магнитные системы охлаждали до температуры 1110 К со скоростью 0,096 К/с, затем до температуры 970 К со скоростью 0,083 К/с, далее до температуры 370 К со скоростью 0,104 К/с, после чего до температуры окружающей среды - с произвольной скоростью охлаждения. По первому варианту термообработки плотность дислокаций в среднем составляла 10¹¹ м^-2, а по последнему варианту термообработки плотность дислокаций в среднем составляла 1,510¹¹ м^-2, однако при этом магнитная проницаемость соответственно увеличилась с 6900 до 17300, а коэрцитивная сила уменьшилась с 56,4 до 6,36 А/м.

Еще более высокую эффективность имеют магнитные системы при совмещенном способе спекания и термомагнитной обработки. ТМО начинают производить с температуры 970 К при напряженности магнитного поля одного направления 500 А/м, длительности импульса 0,075 с и частоте повторения импульса 2 цикла в секунду до температуры 370-290 К со скоростью охлаждения 0,105-0,117 К/с. Применяя указанный технологический комплекс режимов обработки была получена максимальная относительная магнитная проницаемость, равная 18500, а коэрцитивная сила, равной 5,6 А/м.

Исследовано влияние электроизоляционных покрытий (оксида магния MgO, марганеццинкового феррита Mn-Zn и кварцевого стекла SiO₂) на магнитные свойства спеченных слоистых магнитопроводов). Установлено, что неплохими электрическими и высокими магнитными свойствами обладает магнитопровод с диэлектрическими прослойками из марганеццинкового феррита, у которого удельные потери несколько хуже, чем у магнитопроводов с диэлектрическими прослойками из оксида магния и кварцевого стекла, но магнитная индукция насыщения такого магнитопровода выше, чем у магнитопроводов, диэлектрические прослойки которых выполнены из оксида магния и кварцевого стекла, поскольку феррит является магнитным материалом.

Весьма успешно был применен совмещенный способ антикоррозийного покрытия и пропитки магнитных систем переменного тока для увеличения механической износостойкости и защиты магнитопровода от коррозии. Пропитку осуществляли чистым ингибированным маслом К-17 на ультразвуковой установке, состоящей из ультразвукового генератора УЗГ-10 и ультразвуковой ванны УЗВТ-3. Износостойкость слоистых магнитопроводов из кремнистого железа (6,5% Si ) для величины износа 810^-5 м при применении совмещенного способа обработки увеличилась в 3,7раза по сравнению с износостойкостью обычных магнитных систем. Испытания магнитопроводов, проведенные в тропических условиях, показали, что они выдерживают влажность, равную 94-100%, при общей продолжительности испытания в пределах 9 суток.

Особенно перспективным является метод магнитно-импульсного формирования изделий, который был впервые применен для магнитомягких материалов, изделия из которых обладают чрезвычайно структурно-чувствительными свойствами. Метод основан на воздействии сильных импульсных электромагнитных полей на порошковую заготовку на основе непосредственного преобразования электромагнитной энергии в механическую работу.

Таким методом были изготовлены магнитопроводы для ответственных узлов электроизмерительных приборов. Среди факторов, обуславливающих магнитные свойства порошковых магнитномягких материалов и влияющих на показание прибора, одно из главных мест занимает пористость. Пористость изменяется значительно - по экспоненциальному закону. Как показали испытания, при увеличении энергии разряда с 14,5 до 60 КДж, пористость снизилась с 27,5 до 1,8%. Это связано с тем, что в большинстве случаев при разностороннем приложении давления достигается более высокая плотность неспеченной прессовки по сравнению с односторонним и двухсторонним прессованием на прессе. Плотность неспеченной прессовки более однородна во всех направлениях и не зависит от размеров и формы изделий. Кроме того, на величину уплотнения не сказываются фрикционные эффекты.

Особенность критической технологии состоит в том, что сначала получают сплав ферросилиция Fe-20 % Si, затем способом распыления расплава получают порошок, после чего для получения необходимого состава сплава Fe-6,5 % Si смешивают его с железным порошком и производят прессование при высоком давлении (1,0-1,8)Р, вместо достигнутого ранее давления прессования Р=1500 МПа. Жидкофазное спекание проводят при высокой температуре (1,0-.1,11)Т_пл, вместо достигнутой ранее температуры спекания (0,67-1,0)Т_пл, где Т_пл - температура плавления легкоплавкой лигатуры (Т_пл = 1523 К).

Различают три последовательные стадии спекания: начальная - происходит образование жидкого металлического контакта между отдельными частицами, промежуточная - перенос через жидкость вещества тугоплавкой фазы, завершающая - твердофазное спекание и формирование кристаллической структуры.

Сравнительные данные магнитопровода для толщины слоя (листа) 0,510^-3 м, изготовленного из спеченного материала Fe-6,5 % Si с нулевой пористостью, и магнитопровода из материала марки 3412 (Э-320), применяемого в магнитных пускателях ПМ 12-040152, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные физические параметры магнитопровода, изготовленного из спеченного материала Fe -6,5 % Si, и из электротехнической стали марки 3412 (Э-320)

Материал	Нс, А/м	м	В100, Т	, мкОмм	Р1,0/50, Вт/кг	Р1,5/50, Вт/кг	, кг/м3
Fe-6,5 % Si 3412 (Э-320)	1,39 47,8	269450 11500	1,63 1,52	1,12 0,5	0,23 0,95	0,5 2,1	6930 4650

Из таблицы видно, что магнитные характеристики магнитопроводов, изготовленных из сплава Fe-6,5 % Si методом жидкофазного спекания по коэрцитивной силе и максимальной магнитной проницаемости имеют в несколько раз более высокие свойства по сравнению с магнитопроводами, изготовленными из холоднокатаной анизотропной стали марки 3412.

Физико-механические свойства магнитных материалов, применяемых в электротехнических изделиях, необходимо учитывать при проектировании деталей и разработке технологических процессов, при выборе сплавов и обосновании конструкторских разработок, при расчетах на прочность деталей и узлов, а также при анализе и сопоставлении условий эксплуатации деталей в различных режимах работы.

Для определения параметров механических свойств деталей электротехнических изделий и механизмов при действии различных видов нагрузок проводили статические и динамические испытания.

В табл. 2 представлены значения пределов прочности при статических деформациях сжатия, кручения, изгиба и растяжения, а также проверка твердости сплава, относительное удлинение и относительное уменьшение площади поперечного сечения. Кроме того, в этой таблице представлены значения ударной вязкости.

Таблица 2

Механические свойства сплава Fe-6,5 % Si

№№ п/п	Показатели	Температура спекания
		0,84Тпл	0,88Тпл	0,92Тпл
1	Предел прочности при сжатии, МПа	515	658	787
2	Пред прочности при кручении, МПа	372	503	619
3	Предел прочности при изгибе, МПа	94	122	137
4	Предел прочности при растяжении, МПа	73	102	118
5	Твердость, HV	140	210	250
6	Относительное удлинение, %	0	0	0
7	Относительное уменьшение площади поперечного сечения, %	0	0	0
8	Ударная вязкость КСИ, Дж/см2	2	3,8	6

Полученные результаты свидетельствуют о том, что сплав Fe- 6,5 % Si может быть успешно применен в качестве конструкционного материала для изготовления магнитопроводов электротехнических изделий.

Пятая глава «Разработка технологических методов изготовления элементов магнитных систем, полученных МПМ» посвящена в основном дискретным режимам прессования магнитных систем и экспериментальному исследованию серии П-, Ш-, Г-, С-, Т-, Б- и Н-образных магнитных систем. На основе сравнительного испытания магнитномягких спеченных и шихтованных магнитных систем показана возможность замены электротехнической стали на прессованный материал для изготовления магнитных систем электрических аппаратов следующих типов: РПУ-1-, ПМЕ-221, РПУ-4, ПМА-2000, ПМЕ-111, ПМ-12, РПК-1. Проведенные исследования показали, что для получения аналогичных характеристик электрических аппаратов с магнитными системами из прессованного магнитного материала и электротехнической стали необходимо для спеченной магнитной системы создавать напряженность магнитного поля в два раза меньше, и следовательно число ампер-витков должно быть заложено в два раза меньшей величины, что позволяет экономить обмоточную медь. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость спеченной магнитной системы в средних полях выше, чем для электротехнической стали.

На электромагнитах переменного тока проведено систематизированное исследование в зависимости от давления прессования следующих характеристик: магнитной индукции магнитопровода, кратности пускового тока катушки, коэффициента мощности, тяговой характеристики и времени срабатывания электромагнита. Показано, что с увеличением давления прессования величина магнитной индукции магнитопровода возрастает, кратность пускового тока увеличивается, коэффициент мощности снижается, тяговая характеристика повышается и время срабатывания уменьшается, что позволяет широко регулировать параметры электротехнических изделий.

Разработка новой технологии изготовления спеченных слоистых магнитопроводов показала, что данные магнитопроводы могут заменить магнитопроводы из листовой электротехнической стали. Это имеет особенно большое значение с точки зрения возможности упразднить трудоемкие операции по прокатке заготовок. резке листов, штамповке и изолированию листов, окончательной сборке и клепке, а также значительно уменьшить отходы и снизить стоимость изготовления магнитопроводов из спеченных материалов.

Разработаны матричные схемы прессования и расчета магнитных систем. Структурная матричная схема прессования универсальна, она применима как для призматической формы, так и для цилиндрической формы магнитопроводов. Важным достоинством структурных матричных схем прессования является возможность анализа общих свойств сложных конструкщий магнитных систем. Поэтому для облегчения расчета и анализа сложных конструкций магнитных систем необходимо производить расчеты с помощью компьютера, при этом достоинства матрично-топологических методов прессования проявляются в полной мере.

Начатая работа по исследованию дискретного способа прессования изделий позволит в будущем расширить функциональные возможности, выявить новые характеристики и раскрыть новые неизвестные свойства. Получены слоистые дискретные магнитопроводы с различными магнитными проницаемостями. Осуществляя монодискретный и полидискретный способы прессования магнитопроводов, получены электромагниты с постепенным сдвигом магнитных потоков по фазе. Для расчета и изготовления сложных магнитопроводов переменного тока могут быть применены матричные схемы прессования. Прессование слоев для магнитных систем переменного тока производилось в виде структурной матричной схемы следующего вида:

, (11)

Компоненты структурной матричной формы схемы представляют собой слои из магнитомягких материалов для магнитопроводов. Общее число строк в структурной матричной схеме равно числу пакетов магнитопроводов. Число столбцов структурной матричной схемы равно числу слоев из магнитомягких материалов для магнитопроводов.

Простое слоистое прессование магнитопровода осуществляется при следующих коэффициентах структурной матричной схемы:

Коэффициенты строк:

 (12)

Коэффициенты столбцов:

(13)

При монодискретном прессовании магнитопроводы выполняли в виде периодически прессованных пакетов, причем каждый слой, начиная с первого, прессовали с последовательным уменьшением усилия прессования таким образом, каждый последующий слой отличался от предыдущего на величину постоянного давления прессования. Давление прессования, соответствующую j-му дискретному слою, можно рассчитать по формуле:

...