2. Сравнительная характеристика типов материалов Nd-Fe-b для постоянных магнитов.
Перейдя от использования керамических магнитотвердых материалов к магнитным материалам на полимерной основе с порошкообразным РЗМ наполнителем, можно получить ряд новых положительных свойств. Для анизотропных редкоземельных магнитопластов такими свойствами являются: высокая устойчивость к размагничивающим полям, высоким температурам (до 160 °С) и механическим воздейтсвиям. Эти достоинства обеспечиваются
благодаря высоким магнитными свойствами анизотропного Nd-Fe-B порошка.
Анизотропные Nd-Fe-B магнитопласты сохраняют характерное для спеченных РЗМ магнитов - высокое значение коэрцитивной силы (см. табл. 2 и рис.3).
Табл. 2. Магнитные свойства постоянных магнитов Nd-Fe-B в зависимости от типа технологии их производства.
Некоторое снижение магнитных характеристик - остаточной индукции и максимального энергетического произведения, за счет уменьшения плотности вызванного наличием полимера, компенсируется улучшением магнитных характеристик материала на единицу объема за счет снижения массы [14].
Литьевые магнитопласты обладают меньшим моментом инерции, что делает их использование, например, в качестве активных роторов для быстро разгоняемых синхронных двигателей, весьма перспективным.
Малый размер частиц HDDR порошка и их взаимная изоляция полимером приводят к увеличению электрического сопротивления магнитопласта, в то время как в спеченных материалах (металлокерамике) отдельные зерна спекаются, и полученный материал мало отличается от металлического сплава. Высокое электросопротивление магнитопластов ведет к уменьшению потерь на вихревые токи, что вызывает уменьшение нагрева электрических машин, увеличивая их динамические характеристики и срок службы.
Рис. 3. Кривые размагничивания ПМ ( см. табл. 2): 1 – СПМ Nd-Fe-B, 2 – Анизотропные прессованые магнитопласты Nd-Fe-B ( эпоксидная матрица), 3 – Анизотропные литые магнитопласты Nd-Fe-B ( полиамидная матрица) [4].
Кратко рассмотрим основные технологические стадии производства Nd-Fe-B
анизотропного порошка для магнитопластов.
3. Технологические аспекты получения высокоэнергетичного, анизотропного порошка Nd-Fe-b методом гидрирования - дегидрирования (hddr) исходного слитка.
На сегодняшний день известна единственная технология производства анизотропного порошка Nd-Fe-B используемого в магнитопластах. За рубежом эту технологию называют HDDR- процессом, по первым буквам основных технологических этапов в порядке очередности: H - гидрирование, D - диспропорционирование, D - десорбция, R - рекомбинация. Подробно мы уже описывали в [4] технологию гидрирования - дегидрирования (HDDR), здесь же ограничимся только кратким изложением основных стадий процесса.
По своей сути HDDR - обработка представляет собой отжиг слитка Nd-Fe-B в среде водорода при определенной температуре и парциальном давлении с использованием циклов гидрирования - дегидрирования. Для наглядности весь цикл, как правило, представляют в виде диаграммы температура - время см. рис. 3.
Оборудование представляет собой откатную электрическую печь сопротивления и неподвижную камеру, подключенную к системе подачи водорода и к вакуумной системе. Слиток Nd-Fe-B (рис. 4 а) загружается в неподвижную камеру, которая вакуумируется при комнатной температуре, после чего в камеру напускают водород до атмосферного давления. Материал интенсивно поглощает водород, с образованием тригидрида неодима (NdH 3) по границам зерен (рис 4 б). В виду большого объемного эффекта этой реакции в слитке образуются микротрещины по границам зерен, и он разрушается образуя порошок (рис. 4 в). Нагрев порошка (этап I, рис. 3) в среде водорода и изотермическая выдержка (этап II) приводят к диспропорционированию (распаду) соединения Nd 2 Fe 14 B на смесь фаз NdH 2- х, ? -Fe, Fe 2 B (рис 4 г). Изотермическая выдержка (рис. 3.) на этапе II при определенном парциальном давлении (PH2) водорода, необходима для микроструктурного формирования фазы NdH 2 в виде колоний параллельных пластин, и определенных кристаллографических соотношений между диспропорционированными фазами NdH 2- х, ? -Fe, Fe 2 B (рис. 4 д).
Повышая или понижая парциальное давление водорода, соответственно увеличивается или уменьшается содержание водорода в дигидриде NdH 2- х, меняется его кристаллографическая топология и параметры решетки. Химическая реакция обратная диспропорционированию - реакция рекомбинации (этапы IV – V, рис. 3) проходит при вакуумировании системы с одновременной десорбцией водорода, после предварительного (этап III, рис. 3) уменьшения парциального давления водорода необходимого для уменьшения концентрации водорода в дигидриде и началеего распада с одновременной частичной рекомбинацией - зарождением " новой " фазы Nd 2 Fe 14 B. Образование зародышей происходит на определенных кристаллографических плоскостях - в местах стыка диспропорционированных фаз, на кристаллографические соотношения между которыми влияет количественное содержание водорода в дигидриде (рис. 4 е).
Температура
Рис. 4. Диаграмма температура - время, отражающая основные циклы HDDR - процесса.
Время этапа III также фиксировано, т. к. оно влияет на количество зародышей, число которых в объеме смеси должно быть оптимальным. При строгом выполнении описанных в [4] технологических требований на этапах I - III, рост зародышей Nd 2 Fe 14 B в пределах порошинки осуществляется однонаправлено и перпендикулярно параллельным пластинам дигидрида неодима (рис. 4 ж).
Таким образом, после этапа V порошинка представляет собой поликристалл (рис. 4 з), состоящий из зерен Nd 2 Fe 14 B с параллельными кристаллографическими [001] осями. Направление осей в зернах поликристалла сохраняется тем же, каким было в зернах слитка до HDDR обработки. Мелкозернистая анизотропная микроструктура порошинки образуется в результате наведенной кристаллографической анизотропии роста зародышей Nd 2 Fe 14 B на стыках фаз NdH 2- х, ? -Fe, Fe 2 B имеющих определенные кристаллографические соотношения, непосредственно влияющие на морфологию зарождения и роста.
На рисунке 4 а схематично изображена микроструктура исходного слитка Nd-Fe-B. Стрелками показаны направления [001], являющиеся осями легкого намагничивания в соединении Nd 2 Fe 14 B. Литая микроструктура слитка - грубая крупнозернистая, с явно выраженными дендритами. После HDDR обработки вместо слитка мы имеем порошок, причем каждая порошинка обладает равноосной мелкозернистой структурой (рис 4 з).
Рис. 5. Схематичное представление изменения микроструктуры материала а - до обработки, б – этап 0, в – этап I, г – этап I (t > 680 C), д – этап II, е - этап III, ж – этап IV, з – этап V, и – ориентация частичек во внешнем магнитном поле.
Причем каждая порошинка обладает кристаллографической анизотропией и как следствие магнитной анизотропией. Немного забегая вперед, кратко рассмотрим основное применение РЗМ порошков. Смешаем HDDR- порошок с расплавленной пластмассой (в определенной пропорции). При литье такой композиции в магнитном поле, анизотропные РЗМ порошинки (частицы) ориентируются (разворачиваются) в расплавленном полимере (в матрице) осью легкого намагничивания параллельно внешнему магнитному полю (см. рис. 4 и), создавая магнитную текстуру, сохраняющуюся после затвердевания полимера и благодаря которой анизотропные магнитопласты обладают более высокими магнитными свойствами, чем изотропные.
Ситовый анализ полученного порошка соответствует фракциям: 50...300 мкм, а размер зерен в порошинке 3...8 мкм, что соответствует однодоменному состоянию Nd 2 Fe 14 B. Магнитные измерения HDDR - поршка на вибромагнитометре [17] дают следующие результаты Br =11.9 кГс, H ci =13.4 кЭ, (BH) max =26.8 МгсЭ. HDDR - порошок Nd 2 Fe 14 B не окисляется ни на воздухе, ни в процессе производства магнитопластов.