СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF RECEIVING OF HARD MAGNETIC COMPOSITE MATERIAL WITH NANOCRYSTALLINE STRUCTURE

Изобретение относится к области получения постоянных порошкообразных магнитов с нанокристаллической структурой и может быть использовано при производстве высокоэнергетических постоянных магнитов на основе природного железосодержащего порошкообразного материала.
Изобретение может найти применение в электротехнике, в частности в электросчетчиках, генераторах тока и напряжения, электродвигателях, записывающих и воспроизводящих устройствах акустических и телевизионных приборов, а также в различных электробытовых приборах.
Известен способ получения магнитотвердого композиционного материала, включающий обработку исходного железосодержащего материала в мельнице (US 5482573 А, МПК7 Н01F 1/055, 09.01.1996).
Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава нанокристаллической структуры с высокими магнитными свойствами.
Известен также способ получения магнитотвердого композиционного материала, включающий обработку исходного железосодержащего материала в мельнице (JP 4-22011 B1, 25.10.83, кл. H01F 1/06).
Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава нанокристаллической структуры с высокими магнитными свойствами.
Известен способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, включающий обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах (US 5403407 А, МПК7 Н01F 1/053, 04.04.1995).
Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава с высокими магнитными свойствами с использованием в качестве исходного сырья природного железосодержащего материала.
2
3
2
3
4
2
Прототипом изобретения является способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, обладающего высокими магнитными свойствами. Способ включает обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах. В качестве исходного железосодержащего материала используют природный порошковый железосодержащий материал следующего фазового состава, мас.%: FеO 93,00-99,3, FeO 0,20-2,00, SiO 0,20-3,00, сопутствующие примеси остальное. В результате вышеуказанных операций получают магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой следующего фазового состава: FеO, α-Fe, FeO, SiO, сопутствующие примеси. Техническим результатом изобретения является получение магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой (RU 2203515 С1, опубл. 2003.04.27).
Недостатком указанного способа является невозможность получения материала с анизотропией магнитных свойств.
В изобретении достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности формирования в магнитотвердом композиционном материале кристаллической и магнитной текстур при сохранении высоких магнитных свойств.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой включает обработку исходного порошкового железосодержащего материала следующего фазового состава, мас.%:
α-Fe - 25-50%
2
3
FеО - 30-75%
FeO - 0,20-2,00
сопутствующие примеси - остальное,
в высокоэнергетической мельнице. В мельницу загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, обработку проводят при величине энергонапряженности, равной 12-20 Вт/г, в течение времени, необходимого для преобразования исходного порошкового железосодержащего материала в промежуточный порошковый железосодержащий материал следующего фазового состава, мас.%:
FeO - 50-80%,
α-Fe - 10-35%,
аморфная фаза - 10-30%,
сопутствующие примеси - остальное.
-1
Затем проводят прессование промежуточного порошкового железосодержащего материала при изменении давления в диапазоне 300-600 МПа с получением компактных образцов. После чего осуществляют термомагнитную обработку полученных компактных образцов в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10 мм рт.ст., при температуре отжига, равной 200-400°С, в течение времени не менее 1 ч и при значении напряженности магнитного поля от 3 кЭ до 7 кЭ. В результате получают магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой следующего фазового состава, мас.%:
3
4
FеO - 65-80%,
α-Fe - 35-20%,
сопутствующие примеси - остальное.
3
4
Для ускорения процесса измельчения в исходный порошковый железосодержащий материал добавляют СоO в количестве 3-20 мас.%.
Обработку исходного железосодержащего материала проводят в высокоэнергетической центробежной мельнице с двумя герметизируемыми барабанами, в которые загружаются измельчаемый материал и рабочие тела.
Обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 3-7 ч.
При этом рабочие тела выполнены из стали марки ШХ40 и имеют диаметр 2-4 мм.
Соотношение масс исходного измельчаемого материала и рабочих тел составляет 1:20.
Оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.
3
Прессование промежуточного порошкового железосодержащего материала проводят в ручном прессе, при изменении давления в диапазоне 300-600 МПа с получением компактных образцов кубической конфигурации 10×10×10 мм.
Пресс-форма ручного пресса выполнена из сплава на основе титана.
I
c
В предложенном способе в результате обработки в высокоэнергетической мельнице природного порошкообразного крупнозернистого материала, например, имеющегося в отходах железосодержащих месторождений, получают измельченный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой и измененным фазовым составом. Полученный таким образом материал обладает хорошими магнитными свойствами (коэрцитивная сила по намагниченности (H) порядка 400 Э).
3
4
Дальнейший рост магнитных свойств достигается посредством термомагнитной обработки измельченного материала, при котором происходит практически полный распад FeO и аморфной фазы на две магнитные фазы: магнетит FеO и α-Fe.
I
c
s
г
В итоге полученный материал обладает высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила по намагниченности (H) около 800 Э, намагниченность насыщения (4πI) около 10,0 кГс, остаточная намагниченность (4πI) около 5,0 кГс.
3
4
Для ускорения процесса измельчения в исходную смесь возможно добавление оксида кобальта СоO в количестве 3-20%.
3
4
Создание в материале кристаллической и магнитной текстур достигается проведением термомагнитной обработки, при которой происходит направленный распад аморфной фазы и метастабильной фазы FeO, с образованием магнетита FеO и α-Fe, приводящий к анизотропии магнитных свойств.
Пример выполнения способа.
2
3
Исходный железосодержащий материал в следующем составе: α-Fe - 35%, FeО - 63%, FeO - 1%, остальное - сопутствующие примеси, а также рабочие тела - шарики из стали марки ШХ40 диаметром 2-4 мм загружают в высокоэнергетическую центробежную мельницу с двумя герметизируемыми барабанами.
Соотношение масс исходного измельчаемого материала и стальных шариков составляет 1:20.
Обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 8 часов.
Оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.
3
4
В результате такой обработки происходит преобразование исходного железосодержащего материала в промежуточный железосодержащий материал, в фазовом составе которого имеются FeO, α-Fe, аморфная фаза и сопутствующие примеси, в которых также может присутствовать FеO.
I
c
г
В результате обработки природного порошкообразного материала в высокоэнергетической мельнице получают композиционный материал с нанокристаллической структурой. Размер областей когерентного рассеяния материала (блоков) порядка 10,0 нм. В отличие от исходного этот порошок имеет свойства, характерные для магнитотвердых материалов: коэрцитивная сила по намагниченности (H) около 400 Э, остаточная намагниченность (4πI) около 1,5 кГс.
-1
Далее проводят термомагнитную обработку промежуточного железосодержащего материала в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10 мм рт.ст. и напряженности магнитного поля 4 кЭ. Температура отжига в интервале от 200°С до 400°С. Отжигают материал в печах в течение времени не менее 1 часа до получения в результате магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой и анизотропными свойствами следующего фазового состава: α-Fe - 30%,
3
4
FеO - 68%, сопутствующие примеси - остальное.
3
4
На этой стадии обработки материала происходит практически полный распад фазы FeO и аморфной фазы на две ферромагнитные фазы: магнетит FеO и α-Fe, т.е. формируется благоприятный фазовый состав железосодержащего материала для дальнейшего роста его магнитных свойств.
В итоге полученный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой обладает высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила по намагниченности до 800 Э, намагниченность насыщения порядка 10,0 кГс, остаточная намагниченность порядка 5,0 кГс.
Магнитное поле, приложенное в процессе термической обработки, способствует тому, что при распаде аморфной фазы и фазы FeO образование кристаллитов: фаз
3
4
FеO и α-Fe - происходит ориентированно, когда оси легкого намагничивания кристаллитов направлены в основном вдоль силовых линий магнитного поля. Этим достигается образование в материале кристаллической и, соответственно, магнитной текстур.
О наличии магнитной текстуры можно судить по отношению величин остаточной намагниченности, измеренных в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно оси текстуры .
2
3
В таблице приведены значения остаточной намагниченности образцов и ее анизотропия  для следующего исходного состава материала: α-Fe - 35%, FеО - 63%, FeO - 0,5%, остальное - сопутствующие примеси. Как видно из таблицы отношение  (анизотропия остаточной намагниченности) с увеличением магнитного поля, приложенного во время термомагнитной обработки, растет и при напряженности магнитного поля 7 кЭ достигает значения 2,2.
В результате использования термомагнитной обработки полученный магнитотвердый композиционный порошковый материал близок по свойствам к ряду промышленных сплавов Fe-Al-Ni, Fe-Al-Ni-Co и может быть использован достаточно широко в различных областях электротехники: производстве счетчиков электрической энергии, электромагнитных приборов, электродвигателей малой энергии и изделиях широкого потребления.
Таблица
Параметры термомагнитной обработки
Остаточная намагниченность вдоль поля, <img file="00000003.tif" he="6" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />, кГс
Остаточная намагниченность поперек поля, <img file="00000004.tif" he="6" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />, кГс
Анизотропия остаточной намагниченности <img file="00000002.tif" he="6" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
Отжиг без магнитного поля
2,3
2,3
1,0
Отжиг в магнитном поле3 кЭ
3,0
2,1
1,43
Отжиг в магнитном поле4 кЭ
3,3
2,0
1,65
Отжиг в магнитном поле7 кЭ
4,0
1,8
2,2