Микроструктура магнитно-мягкого композиционного материала на основе железа для работы в переменных полях

МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 621.762

МИКРОСТРУКТУРА МАГНИТНО-МЯГКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ РАБОТЫ В ПЕРЕМЕННЫХ ПОЛЯХ

© 2012 г. В.О. Кривощеков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрена микроструктура магнитно-мягкого композиционного материала. На растровом микроскопе проведены исследования микроструктуры и химический анализ данного материала. Результаты исследований подтвердили наличие диэлектрического изоляционного покрытия на поверхности частиц железа, позволили вычислить толщину данного покрытия, показали отсутствие химического взаимодействия диэлектрического покрытия с железом, а также подтвердили положительное действие термообработки на увеличение прочности покрытия.

Ключевые слова: магнитно-мягкий композиционный материал; микроструктура; растровая электронная микроскопия; диэлектрическое покрытие.

Microstructure of the magnetic-soft composite material is studied. On a raster microscope researches of a microstructure of the given material and the chemical analysis are conducted. Results of researches have confirmed presence of a dielectric insulating cover on a surface of particles of iron, have allowed to calculate a thickness of the given covering, have shown absence of chemical interaction of a dielectric covering with iron, and also have confirmed positive action of heat treatment on increase in durability of a covering.

Keywords: magnetic-soft composite material; microstructure; scanning electron microscopy; dielectric covering.

Использование методов порошковой металлургии для производства деталей из магнитно-мягких материалов - магнитопроводов и сердечников - обусловлено рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами их получения: литьем, прокаткой, штамповкой и т.д. Это, прежде всего, экономия материалов (до 50 %), отсутствие загрязнений, вызванных взаимодействием с материалом тигля и раскислителя-ми в процессе плавки, уменьшение трудоемкости изготовления, точность по составу и др. Однако, несмотря на указанные преимущества, производство элементов электрических машин малой мощности методами порошковой металлургии находят еще весьма ограниченное применение [1 - 3].

В последние годы появился большой интерес к так называемым магнитно-мягким композиционным материалам (ММК), которые представляют магнитно-мягкие частицы, обычно на основе железа, покрытые диэлектриком. Наибольшее распространение данные материалы получили при производстве электрических машин малой мощности для работы в переменных и постоянных полях с частотой до 400 Гц. Основными достоинствами ММК-материалов являются: 1) высокая степень свободы при проектировании ММК-деталей по сравнению с использованием наборов стальных пластин; 2) более простая и дешевая технология изготовления ММК-материалов и деталей из

них; 3) высокие магнитные свойства; 4) возможность ММК-материала переносить трехмерный магнитный поток.

На кафедре «Материаловедение и технология материалов» ЮРГТУ (НПИ) более 50 лет ведутся работы по изучению и разработке новых магнитно-мягких материалов, в том числе ММК-материалов [4]. Последним достижением стала разработка нового магнитно-мягкого материала на основе порошка железа с изолирующим неорганическим силикатсодержащим покрытием. Были проведены исследования магнитных свойств данного материала [5]. В ЦКП «Нанотехноло-гии» ЮРГТУ (НПИ) на растровом электронном микроскопе (РЭМ) «EDAX» были проведены исследования микроструктуры и химического состава данного материала на полированных (после термообработки (ТО)) образцах, а также на образцах, не подвергавшихся шлифовке и полировке (до и после ТО), результаты которых представлены на рис. 1.

Микроструктурный и химический анализ, проведенный на полированных образцах после ТО при Т = 500 °С (рис. 1 а), показал отсутствие химических элементов, входящих в состав изоляционного диэлектрического покрытия в частицах железа ММК-материала, что говорит об отсутствии химического взаимодействия между частицами порошка железа и диэлектрическим силикатсодержащим покрытием.

Был проведен микроструктурный и химический анализ холоднопрессованных образцов из ММК-материала в месте разлома (рис. 1 б). Данные исследования подтвердили наличие силикатсодержащего покрытия (силикат натрия) на поверхности частиц железа. Высокое содержание углерода объясняется добавлением в шихту органической смазки, содержащей углерод, которая в процессе ТО полностью выгорает, что подтверждается отсутствием углерода после ТО (рис. 1 в).

Как показали исследования магнитных и механических характеристик, а также микроструктурный анализ, ТО положительно влияет на прочность сцепления диэлектрического покрытия с частицами порошка железа и способствует равномерному обволакиванию частиц железа диэлектриком.

На основе принципа работы растрового электронного микроскопа предложен метод вычисления толщины диэлектрического покрытия.

к й -*' V У

SEI 1

f + ? ^

Hl /

>1 *

) ;

KV 30.0 MAG 5000 ЖТ0.0 MICRONSPERPiXV 0.050

Fe 1

X

б

Fe 1

X

Рис. 1. Микроструктура и химический состав ММК-материала: а - после ТО при Т = 500 °С и полировки; б - в месте разлома холоднопрессованного ММК-материала; в - после ТО при Т = 500 °

в

Так как атомный номер железа Z = 26 и толщина диэлектрического покрытия h в несколько раз меньше глубины взаимодействия электронов в частице Fe, то область взаимодействия электронов в частице ММК-материала можно рассматривать как шар с объемом У0 = У1 + У2 (рис. 2). В нашем случае исследования проводились при ускоряющем напряжении Цуск = 30 кВ, поэтому диаметр сферы D ~ 1,5 мкм [6].

Рис. 2. Модель области взаимодействия электронов в частице ММК-материала

Внутри области У0 число рентгеновских квантов N = При этом количество атомов в этой

области At = А/№+А/а+А/Ре= 100 %. Тогда =

= Ама+А/аУ100.

Объемы У0 и У2 пропорциональны числу N и N1, где N1= N^+N1. Тогда У2/ У0= N1/ N=(AtNa+Ats1)/100; объем сферы У0 = 4/3пЛ3, где R = D/2; объем шарового сегмента У2 = - h/3).

Поступила в редакцию

Из последнего равенства можно определить толщину диэлектрического покрытия.

В результате подстановки числовых значений, полученных методом растровой электронной микроскопии, установлено, что толщина диэлектрического изоляционного покрытия в нашем ММК-материале составляет 150 - 200 нм.

Литература

1. Панасюк О.А. Порошковые магнитомягкие материалы // Порошковые магнитные материалы. Киев, 1984. С. 90 -110.

2. Панасюк О.А. Порошковые магнитомягкие материалы для работы в постоянных и переменных полях // Порошковые магнитные материалы. Киев, 1987. С. 108 - 121.

3. Влияние способа изолирования частиц на характеристики магнитомягких композиционных материалов / А.Э. Ритсо [и др.] // Тр. Таллинского политехнического ин-та. 1984. № 506.

4. Пат. 2389099 РФ от 10.05.2010, МПК Н0Ш/24. Магнитно-мягкие композиционные материалы / Скорман Бьерн, Е. Чжоу, Янссон Патрисия.

5. Дорофеев Ю.Г., Михайлов В.В., Кривощёков В.О. Магни-то-мягкий композиционный материал на основе железа для работы в переменных полях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 6. С. 107 - 109.

6. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ / Дж. Гоулдстейн [и др] : в 2 кн. Кн. 1; пер. с англ. М., 1984. С. 21 - 95.

28 ноября 2011 г.

Кривощеков Валентин Олегович - аспирант, кафедра «Материаловедение и технология материалов», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255-4-09.

Krivoshchekov Valentin Olegovich - post-graduate student, department «Materials Science and Technology of Materials», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255-4-09.