Практика и дальнейшие перспективы промышленного использования высокопрочных наноструктурных магнитотвердых сплавов системы Fe-Cr-Co

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН (ИМЕТ РАН)

ФГУП «Спецмагнит»

ПРАКТИКА И ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАГНИТОТВЁРДЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ FE - CR - CO

Г.С. БУРХАНОВ, А.Г. ДОРМИДОНТОВ,

И.М. МИЛЯЕВ, В.С. ЮСУПОВ

Магнитотвёрдые материалы (МТМ) обычно подразделяют по области применения на три группы: для производства постоянных магнитов, для использования в гистерезисных двигателях и для магнитной записи. По структурному состоянию их можно разделить на четыре группы: сплавы, интерметаллические соединения, ферриты и композиции (магнитопласты, магнитоэласты). По уровню магнитных гистерезисных свойств (коэрцитивной силе Н_с, остаточной индукции B_r, максимальному энергетическому произведению (ВН)_макс. МТМ подразделяют на: высокоэнергоёмкие (на основе интерметаллических соединений SmCo₅, Sm₂Co₁₇, Nd₂Fe₁₄B), с высоким уровнем магнитных свойств (литые и металлокерамические сплавы на основе системы Fe-Ni-Al-Co, так называемые сплавы Алнико или ЮНДК), функциональные (магнитотвёрдые ферриты для применения в высокочастотной технике). МТМ заметно различаются по стоимости исходных сырьевых материалов: самые дешёвые - для производства магнитотвёрдых ферритов, самые дорогие - для производства высокоэнергоёмких магнитов. Именно дешевизна сырьевых материалов обусловили наибольший объём производства (в тоннаже) магнитотвёрдых ферритов. Однако наибольшее промышленное значение для современной техники имеют постоянные магниты из сплавов Алнико в связи с оптимальным сочетанием стоимости, уровня магнитных гистерезисных свойств и температурно-временной стабильности. Тем не менее, каждая группа МТМ имеет свою нишу применения и поэтому производится в промышленных масштабах.

Общим свойством всех МТМ, которое является основным их недостатком, является крайне низкий уровень механических (прочностных и пластических) свойств. Именно из-за низкого уровня механических свойств формообразование постоянных магнитов осуществляют либо путём литья расплава в формы (песчаные или корковые), либо путём прессования из порошков (т.е. методами металлокерамики) с последующей обработкой резаньем методом шлифования абразивным кругом. Именно поэтому высокопроизводительные методы обработки металлов давлением (прокатка, штамповка, прессование, волочение) и обработка резаньем лезвийным инструментом (токарная обработка, фрезерование и т.д.) неприменимы в производстве постоянных магнитов практически из всех промышленно-значимых МТМ.

Однако на рубеже конца ХХ века стало очевидным, что создание новых и совершенствование существующих приборов и систем управления различного вида объектов авиационной, космической, судостроительной техники, новых видов вооружения, в которых используются МТМ, становится затруднительным без повышения их механических свойств и других эксплуатационных свойств. Ранее механические свойства не лимитировали их применение, например, в производстве постоянных магнитов, т.к. основная задача постоянного магнита состоит в создании магнитного поля во внешнем пространстве. Тем не менее, увеличение мощности, скоростных и температурных перегрузок современных узлов, аппаратов и механизмов новых машин заставляет их магнитные элементы работать нередко в экстремальных условиях. Поэтому они должны обладать наряду с высоким уровнем магнитных гистерезисных свойств необходимым уровнем механических свойств (высокой статической и динамической прочностью, пластичностью в высококоэрцитивном состоянии, высокими значениями ударной вязкости и усталостной прочности), коррозионной устойчивостью и повышенными значениями других служебных характеристик.

В начале 80-х годов на основании правительственного постановления о разработке высокоточного оружия в области ствольной и реактивной артиллерии перед материаловедами была поставлена задача о разработке магнитотвёрдых материалов с уровнем магнитных свойств не хуже свойств литых сплавов ЮНДК24, но имеющих прочность на порядок большую (до 1000 МПа) и способных выдерживать инерционные перегрузки с ~ 10000 ед. g.

Также разработка новых типов гистерезисных двигателей, которые широко применяются в гироскопических системах наведения и управления летательными аппаратами, морскими судами и в ряде других областей современной техники, тоже требовала создания новых высокопрочных магнитотвёрдых материалов с коэрцитивной силой 40-50 кА/м, остаточной индукцией B_r > 1,1 Тл, низкой себестоимостью и высокой технологичностью.

Попытки отечественных и зарубежных исследователей улучшить механические свойства литых магнитотвёрдых сплавов ЮНДК, предпринятые в течение 50 - 60-х годов, не увенчались успехом [2] (незначительные изменения в химическом составе этих сплавов, например, при дополнительном легировании, приводили к резкому ухудшению их магнитных свойств). Стало совершенно очевидным, что решение проблемы следует искать на пути изыскания новых магнитотвёрдых сплавов на принципиально иной основе.

Перспективной новой основой создания магнитотвёрдых сплавов с высоким уровнем механических свойств стали магнитотвёрдые сплавы системы Fe-Cr-Co, о которых впервые было заявлено в 1936 году В.Кёстером [2](цитируется по [3]). Однако в то время интенсивно занимались разработкой и исследованиями сплавов на основе систем Fe - Ni - Al (сплавы Ални) и Fe - Ni - Al - Co (сплавы Алнико) после первых сообщений Т.Мисима в 1932 году [4] и его патента 1936 года [5] (цитируется по [6]). В последующие годы происходило победное шествие Алнико-сплавов для промышленного производства постоянных магнитов, а потенциальные возможности магнитотвёрдых материалов на основе системы Fe - Cr - Co остались тогда незамеченными и невостребованными промышленностью.

Вторичное «открытие», если так можно выразиться, новых магнитотвёрдых материалов на основе системы Fe - Cr - Co произошло в 1971 году, когда японские исследователи Х.Канеко, M.Хомма и K.Накамура сообщили [7], что на сплавах системы Fe - Cr - Co, содержащих 23 - 25 масс. % кобальта, 30 - 35 масс. % хрома и дополнительно легированных молибденом, ими были получены постоянные магниты с максимальным энергетическим произведением (ВН)_макс. > 40 кДж/м³ при остаточной индукции B_к > 1,1 Тл и коэрцитивной силе Н_св > 62 кА/м, т.е. были получены постоянные магниты по своим магнитным свойствам близкие к магнитам из наиболее широко используемого в технике сплава Fe - 14Ni - 8Al - 24Co - 3Cu (ЮНДК24 или Алнико 5). Было показано, что новые FeCrCo магнитотвёрдые сплавы, также как и сплавы ЮНДК, являются наноструктурными, поскольку высококоэрцитивное состояние в них обеспечивается формированием сильномагнитных частиц, обогащённых Fe и Со с размером 50 - 80 нм, расположенных в немагнитной (слабомагнитной) матрице, обогащённой Cr. Именно такой размер сильномагнитных частиц обеспечивает их однодоменное состояние, при котором осуществляется высокоэнергетический механизм перемагничивания. Также было сообщено, что FeCrCo сплавы в определённых структурных состояниях являются пластичными, в частности поддаются обработке давлением и лезвийным инструментом (точению, фрезерованию т д.). Фактически именно эта работа сразу показала, что система Fe - Cr - Co является той новой основой, на которой надо вести изыскания и разработки новых магнитотвёрдых сплавов.

Первоначально новые деформируемые магнитотвёрдые сплавы системы Fe-Cr-Co особого энтузиазма ни у исследователей, ни у производителей постоянных магнитов не вызвали. Во-первых, в эти годы почти все исследователи магнитотвёрдых материалов были заняты изучением редкоземельных сплавов на основе системы Sm - Co и изысканием новых высокоэффективных интерметаллических соединений 3d - 4f металлов. Во-вторых, необходимость проведения термомагнитной обработки (ТМО) новых FeCrCo сплавов в течение 40 - 60 минут однозначно вызвала неприятие этих сплавов у технологов, т.к. существовавшее оборудование и технология проведения ТМО технически не позволяли проводить ТМО в течение такого длительного периода. В-третьих, несмотря на высокие механические свойства новых сплавов, слитки весом более 20 кг уже при охлаждении на воздухе растрескивались из-за образования хрупкой -фазы, вызывающей возникновение в сплаве больших внутренних напряжений. Поэтому промышленное производство сортового проката из новых сплавов для производства постоянных магнитов на металлургических заводах было невозможным, не смотря на высокую пластичность в определённом структурном состоянии. Наконец, не стоит забывать, что по экономическим причинам в силу планирования производства в те годы по валовым показателям освоение более дешёвой продукции не стимулировало промышленность осваивать новые сплавы без весомых (точнее директивных) на то причин.

Тем не менее, тенденция постоянного роста потребности в малогабаритных постоянных магнитах (весом от одного до нескольких грамм) для различных систем управления и приборов (например, для магнитоуправляемых контактов (герконов), релейной техники и т.д.) и очевидные технологические преимущества новых сплавов, связанные с возможностью формообразования постоянных магнитов методами обработки металлов давлением (прокаткой, волочением, штамповкой и т.д.) послужили теми побудительными причинами исследования новых магнитотвёрдых материалов [8,9].

В рамках выполнения правительственного постановления о разработке высокоточного оружия, о котором говорилось выше, была разработано серия промышленных магнитотвёрдых сплавов системы Fe-Cr-Co, которые вошли в ГОСТ 24897-81. Сравнительная характеристика магнитных гистерезисных свойств литых магнитотвёрдых сплавов ЮНДК (ГОСТ 17809-72) и деформируемых магнитотвёрдых FeCrCo сплавов (ГОСТ 24897-81) приведена в таблице 1. Два магнитотвёрдых FeCrCo сплава (22Х15КА и 25Х15КА) освоены Электростальским металлургическим заводом под марками ЭК179 и ЭК33, который выпускает эти материалы в виде сортового и листового проката.

Таблица 1

Характеристика магнитных гистерезисных свойств литых сплавов ЮНДК и деформируемых сплавов системы Fe-Cr-Co

На рис. 1 приведены механические свойства магнитотвёрдого сплава 25Х15К [10], которые свидетельствуют, что прочность и пластичность этого сплава на порядок превосходит аналогичные показатели литого сплава ЮНДК24, практически не уступая ему по уровню магнитных свойств.

Рис. 1 Зависимость механических свойств деформированного сплава 25Х15К от температуры

сплав магнитотвердый деформируемый механический

Промышленный выпуск магнитотвёрдых деформируемых FeCrCo сплавов стал возможным в результате разработки и создания нового высокопроизводительного оборудования для термомагнитной обработки соленоидального типа [11], позволяющего проводить ТМО со скоростью более 3 кг магнитов в минуту.

С самого начала работ по разработке новых магнитотвёрдых материалов на основе системы Fe - Cr - Co предполагалось использовать их в качестве материала для производства постоянных магнитов (логика развития исследований этих сплавов, организация их производства подтверждают этот тезис). Однако опыт более 30-летнего периода совместных работ с Московским энергетическим институтом (МЭИ) по использованию новых магнитотвёрдых сплавов в гистерезисных и магнитоэлектрических преобразователях энергии показал, что промышленные сплавы 25Х15КА и 22Х15КА в зависимости от режима термической обработки заменяют не только все существующие промышленные сплавы для гистерезисных двигателей, но и обладают достоинствами, которые обеспечивают им неоспоримые конкурентные преимущества перед ними.

Отечественной промышленностью в гистерезисных и магнитоэлектрических преобразователях энергии применяют сплавы 4-х групп [12].

Из этих групп сплавов наиболее часто в производстве гистерезисного материала с высокой удельной магнитной энергией применяют кобальтовые сплавы типа Викаллой (52КФ). Сплавы типа Викаллой имеют наиболее высокие гистерезисные свойства, но они чувствительны к режимам термообработки, имеют высокое содержание остродефицитных компонентов (кобальта до 52 %, ванадия до 13 %) и низкую технологичность. Магнитотвёрдые сплавы системы Fe - Cr - Co по сравнению с Викаллоем содержат в 3 - 5 раз меньше кобальта, они примерно в 2,5 - 3 раза дешевле его. Путём подбора соответствующей термообработки им можно придать магнитные свойства, не уступающие свойствам лучших сплавов Викаллой. По уровню полей (2 - 30 кА/м), например, сплав 25Х15КА, имеющий высокие гистерезисные свойства [13] может заменить все существующие гистерезисные материалы 4-х групп.

Результаты применения сплава 25Х15КА в девяти типоразмерах гистерезисных двигателей, где он заменил сплав Викаллой, показали, что электромеханические характеристики двигателей улучшаются на 10 - 30 %, при этом трудозатраты при механической обработке и сборке роторов, а также брак по термообработке уменьшаются в 3 раза.

Опытно - промышленные испытания роторов из сплава 25Х15КА в электродвигателях постоянного тока ДПМ-35 взамен роторов из ЮНДК24, проведенные а ОАО «Псковэлектромаш», показали, что без ухудшения качества двигателя себестоимость его изготовления снижается на 20 - 25 %.

На наш взгляд с освоением выпуска новой высокотехнологичной продукции будет увеличиваться потребность в малогабаритных постоянных магнитах, имеющих самую произвольную форму, которые экономически целесообразно производить с использование высокопроизводительных и малоотходных методов обработки давлением. В этом случае приоритет магнитотвёрдых FeCrCo сплавов будет неоспорим. В пользу магнитотвёрдых FeCrCo сплавов следует учитывать ещё один аспект использования постоянных магнитов. Вследствие большой номенклатуры и относительно малой серийности производителю постоянных магнитов невыгодно выпускать малые партии (до 10 штук) относительно малогабаритных магнитов из литых сплавов ЮНДК из-за необходимости проводить большую технологическую подготовку производства, что требует больших материальных затрат, и в итоге такие магниты становятся исключительно дорогими для потребителя. В случае же использования FeCrCo магнитотвёрдых сплавов потребитель мог бы взять на себя изготовление требуемых ему магнитов из проката, выпускаемого металлургической промышленностью, путём обычной механической обработки, а специализированные предприятия, выпускающие постоянные магниты, проводили бы только их термомагнитную обработку.

В заключение ещё раз подчеркнём, деформируемые магнитотвёрдые сплавы системы Fe-Cr-Co на наш взгляд являются исключительно перспективным функциональным материалом и требуют к себе более пристального внимания как со стороны исследователей, так и со стороны производственников постоянных магнитов.

Литература

1. Изгородин А.К. «Исследование причин хрупкости высококоэрцитивных сплавов и изыскание путей её снижения». Автореферат диссертации. 1970, МИСиС, Москва, 23 стр.

2. Kцster W. Deutsches Patentamt DE PS 638652.

3. Ervens W. “Chrom - Eisen - Cobalt - Werkstoffe: Neue Verformbare Dauermagnete”. Techn. Mitt. Krupp Forsch. Berichte, 1982, band 40, No 3, s. 109 - 116.

4. Mishima T. «Никель алюминиевая сталь для постоянных магнитов». Ohm, 1932, 19, 353 стр.

5. Mishima T. U.S. Pat., 2 027 994 (Apr. 3/9/31),1936.

6. Бозорт Р. «Ферромагнетизм». Пер. с английского, 1956, Москва, издательство иностранной литературы, 784 стр.

7. Kaneko H., Homma M. and Nakamura K. “New Ductile Permanent Magnet of Fe - Cr - Co System”. AIP Conference Proceedings “Magnetism and Magnetic Materials”. 1971, No 5, p. 1088 - 1092.

8. Л.А.Кавалерова, И.М.Миляев, Н.И.Михеев «Деформируемые сплавы системы железо - хром - кобальт для постоянных магнитов». Приборы и системы управления, 1976, №6, 48-49.

9. Л.А.Кавалерова, И.М.Миляев, Н.И.Михеев, А.А.Прозоров «Новые сплавы для постоянных магнитов». Известия ВУЗов «Электромеханика», 1976, №6, 703-704.

10. Павлов И.М., Мехед Г.Н., Кавалерова Л.А., Миляев И.М., Ж.А.Васильева «Механические свойства сплавов системы Fe-Cr-Co в литом и деформируемом состоянии». Сб. «Пластическая обработка металлов и сплавов», АН СССР Институт металлургии им. А.А.Байкова, изд-во «Наука», Москва 1979, 208-213.

11. Рожков Н.Ф., Счётчикова Т.Г., Егоров В.В., Рогачёв В.М. и Миляев И.М. «Установка для термомагнитной обработки». Авторское свидетельство № 1133876, заявл. 24.06.83, опубл. 08.09.84.

12. Прецизионные сплавы. Справочник под ред. д.т.н., проф. Б.В.Молотилова. 2-е изд., перераб. и дополн. Москва. Металлургия, 1983, 439 стр.

13. Кавалерова Л.А., Малько И.А., Миляев И.М., Селезнёв А.П., Яковлев Б.А. «Сплавы для гистерезисных двигателей». Электронная промышленность, 1987, «Материалы», вып. 6(164), 40 - 42.

Размещено на Allbest.ru