Файл: Экзамен.docx

1. Введение.

Пожалуй, не стоит говорить о той важной роли, которая отводиться использованию постоянных магнитов в современном электромашиностроении. Производители электрических машин, как правило, используют керамические (спеченные) постоянные РЗМ магниты на базе интерметаллического соединения Nd ₂ Fe ₁₄ B (читается как: неодим - железо - бор). Спеченные постоянные магниты (СПМ) производят по традиционной технологии порошковой металлургии (керамическая технология). Кроме того, небольшой размер и простые формы СПМ (призма, диск, полый цилиндр, кольцевой сектор), исключает изготовление из них сплошных многополюсных магнитных систем сложной формы. Например, многополюсный

магнитный ротор на базе СПМ будет состоять из отдельных кольцевых секторов по числу пар полюсов (2p), наклеенных на арматуру корпуса ротора. При такой конструкции, производство ротора крайне не технологично. Повысить технологичность ротора можно, заменив СПМ на РЗМ магнитопласты.

Магнитопласт – это постоянный магнит, относящийся к группе композиционных

материалов, состоящий из магнитно - твердого (РЗМ) порошка и немагнитного связующего, в качестве которого используют эпоксидные смолы или термопластичные массы. Способность композициина термопластичном связующем, переходить в вязко текучее состояние при нагревании, позволяет применять то же оборудование и технологии переработки, что и для обычных термопластичных масс. Использование литьевой (инжекционной) технологии для стандартных термопластавтоматов позволяет практически полностью автоматизировать технологический процесс производства постоянных магнитов и повысить производительность труда в 7-10 раз по сравнению с керамической технологией. Еще одно неоспоримое преимущество ЛПД - технологии - возможность повторной переработки отходов, литников, облоя и др. Так, например за один цикл литья на термопластавтомате, длительностью 3-10 секунд, можно получить от 1 до 16 изделий (магнитопластов), в зависимости от пресс - формы.

Полученная отливка представляет собой геометрически законченный магнитопласт, окончательная обработка для которого - намагничивание. Далее будем рассматривать только литьевую (ЛПД) технологию, как самую высокопроизводительную и экономичную.

В области производства постоянных магнитов, направление магнитопластов является наиболее динамично развивающимся. Проследить изменение динамики темпов производства РЗМ магнитопластов можно по диаграмме на рис. 1, отражающей мировое производство соответствующего порошка Nd-Fe-B по годам, начиная с 1994 по 2008 год. Из диаграммы (рис. 1) видно, что по сравнению с 2003 годом, мировое производство РЗМ порошка для магнитопластов, к 2008 году удвоиться.

Рис. 1. Мировое производство РЗМ порошка для магнитопластов в тоннах по годам [1].

На диаграмме рис. 2 представлены доли в процентном содержании применения РЗМ магнитопластов в промышленности Японии.

Рис. 2. Использова( )

[1]. Где I - (68%) Электрические моторы.

II - (16%) Оргтехника, периферийные устройства, мониторы, телевизоры.

III - (1%) Медицинские приборы.

IV - (2%) Кондиционеры, сотовые телефоны, бытовые приборы.

V - (1%) Акустические системы.

VI - (6%) Автомобили.

VII - (6%) Приводы CD-ROM, DVD, HDD др.

Очевидно, что наиболее приоритетное применение РЗМ магнитопласты находят в производстве электрических моторов.

Мировое ценообразование на РЗМ магнитопласты представлено в таблице 1.

Табл. 1. Цена за 1 кг магнитопл ( за 2003 год) [1].

Из табл. 1. видно, что цена на РЗМ магнитопласты довольно высока, это связано с высокой себестоимостью производимого РЗМ порошка. Кроме того производимые за рубежом [2] и(в России [3, 5] РЗМ порошки обладают изотропными свойствами. Исключением являются РЗМ порошки выпускаемые НПФ «Эрга» [4] (табл. 1, столбец 6). Порошок типа ENB-A обладает анизотропией магнитных свойств и значительно превосходит указанные выше аналоги по магнитным характеристикам. Анизотропный Nd-Fe-B порошок разработан специально для литьевой (инжекционной) технологии магнитопластов. Для достижения высоких магнитных характеристик магнитопластов, необходимо вводить максимально возможное количество Nd-Fe-B порошка. Однако для полимеров существуют предельные значения степени наполнения, выше которых материал теряет когезионную прочность, т. е. рассыпается, не образуя сплошную массу, и переработка его в изделия становиться невозможной [14]. Содержание наполнителя в высоконаполненной литьевой композиции, как правило, колеблется от 85% до 93% по массе. Рассматриваемый композиционный материал имеет маркировку ENBI-10A, где E - Erga, N - neodimum, B - bonded, I - injection, A - anisotropic, 10 - максимальное энергетическое произведение в МГсЭ. Композиция имеет следующий состав: анизотропный Nd-Fe-B порошок 91% (по масс.), полиамид 8.5% (по масс.), технологические полимерные добавки 0.5% (по масс.).

Цель данного обзора: познакомить конструкторов и производителей электрических машин и механизмов, с новым композиционным материалом (ENBI-10A) и изделиями из него - анизотропными магнитопластами, обладающими высокими магнитными свойствами: остаточной индукцией B r =5.5-6.2 кГс, коэрцитивной силой по намагниченности Hci=13-15 кЭ, максимальным энергетическим произведением (BH)max=10-11 МГсЭ.

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).