автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления порошковых цельнопресованных многополюсных магнитотвердыхроторов с повышенными свойствами

На правах рукописи

»"т .---о

Растегаев Борис Владимирович

Разработка технологии изготовления порошковых цельнопресованных многополюсных магнитотвердых роторов с повышенными свойствами

Специальность 05.16.06 - «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1998

Работа выполнена на кафедре физики Ивановской государственной текстильной академии.

Научные руководители: - доктор технических наук, профессор Изгородин А.К.; - доктор технических наук Беляев И.В.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Дорофеев В.Ю. - кандидат технических наук, начальник технического отдела АО «Магнит» Стопчепко А.Ю.

Ведущее предприятие: Институт металлургии им. Байкова А.А. РАН г. Москва

Защита состоится « 2. » апреля 1998 г. в часов на заседании совета

К 063.30.10 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном техническом университете по адресу:

346400, Ростовской обд., г.Новочеркасск, ул. Просвещения, 132. С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотетке университета. Автореферат разослан « <2 У » ^¿■¿Гло--/-?_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

С.А. Горшков

ВВЕДЕНИЕ

Мировой практикой установлено, что повышение эксплуатационных характеристик электродвигателей в основном зависит от уровня магнитных свойств магнитотвердых сплавов и соединений, используемых для магнитных систем. В настоящее время в этих целях в основном используют спеченные постоянные магниты на основе магнитотвердых ферритов, литые магниты типа алышко, сплавы типа 8тСо5 и БтгСоп, а также системы Ш-Ре-В. Магниты из ферритов являются наиболее дешевыми, но имеют невысокие значения остаточной магнитной индукции Вг и максимального энергетического произведения (ВН)„12Х, вследствие чего магнитные системы из них получаются чрезмерно массивными. Кроме этого для ферритов характерно низкое значение температуры точки Кюри и температурная нестабильность. Сплавы типа альнико имеют самое высокое значение точки Кюри, но для них характерно невысокое значение коэрцитивной силы (Не) и нелинейность характеристик размагничивания. Магниты на основе соединений типа йтСо5 и 8т2Со17 по своим характеристикам удовлетворяют практически всем требованиям, предъявляемым к магнитным системам электротехнических устройств, но они очень дороги, объем их производства ограничен из-за дефицитности основных компонентов, входящих в сплав. Магниты из сплава Ш-Ре-В значительно дешевле магнитов из сплавов на основе 8т и Со и обладают при этом уникальными магнитными свойствами: Вг более

з

1,4Тл, Н^ до 2000 КАУм, (ВН)тах более 400 кДж/м .Использование магнитов из сплавов типа Не1-Рс-В позволяет получать магнитные системы не уступающие по своим свойствам системам из сплавов самарий и кобальт.

Актуальность работы. В настоящее время наиболее эффективными магнитными системами при изготовлении роторов являются многополюсные системы с концентрацией магнитного потока, что убедительно показано в экспериментальных и теоретических работах А.И. Гриднева, М.П. Стадника с соавторами. Роторы, состоящие только из постоянных магнитов с криволинейной текстурой, и не содержащие магнитомягкого материала, обладают рядом преимуществ: удельный магнитный момент возрастает до 0,7 Нм/кг, динамичность со-

2

ставляет 0,14-0,19 Н м/кг см , в большом диапазоне токов наблюдается пропорциональное изменение момента и силы тока, пониженное значение потерь на пе-ремагничивание и, следовательно, снижение температуры разогрева ротора. Сборные роторы из элементов с криволинейной текстурой по магнитным параметрам существенно лучше всех остальных конструкций.

Высококоэрцитивные материалы находятся в хрупком состоянии, поэтому крепление достаточно миниатюрных элементов на роторе возможно только путем их склеивания. В итоге сборка роторов оказывается в значительной мере ручной сложной работой, а трудоемкость изготовления сборных роторов в сравнение с цельными возрастает. Кроме этого при повышенных температурах, которые возникают при работе ротора, клеевые соединения разрушаются. Для обеспечения нужной прочности элементы магнитной системы дополнительно скрепляют бандажом, увеличивая при этом зазор между ротором и статором.

Снизить трудоемкость изготовления роторов из элементов с криволинейной текстурой можно путем изготовления цельнопрессованных многополюсных магнитов с криволинейной текстурой, наводимой в ходе прессования внешней многопроводниковой магнитной системой. Однако технология их изготовления практически отсутствует. В частности, не выяснены особенности струкгурообра-зования и фазовых превращений в материале магнита на всех этапах его изготовления, не установлены причины расслоений и трещинообразования в роторах, не разработаны надежные методы защиты поверхностного слоя магнитов от окисления.

Данная работа выполнена в соответствии с темой целевой программы «Энергосберегающая электротехника», утвержденной Правительством РФ (Постановление № 341 от 23.03.93 г.): "Разработка технологии формирования, спекания, сборки и намагничивания роторов из высококоэрцитивных материалов с многополюсной текстурой для управляемых электрических машин".

Цель и задачи работы. Целью исследования являлось получение порошковых цельнопрессованных многополюсник магнитных систем из сплава Ш-Бу-Ре-Со-А1-3 с повышенными магнитными и механическими характеристиками. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Выявить особенности механизмов структурообразования при кристаллизации сплава, содержащего 32% N(1, 25% Пу, 3% Со, 0,4% А1, 1,2% В, ост. Бе, в различных термокинетических условиях и усовершенствовать технологию изготовления слитков из этого сплава с целью получения благоприятной трехфазной структуры сплава в любой части слитка при максимальном содержании фазы типа (К1с1,Оу)2(Ре,Со)14В.

- Выяснить причины возникновения трещин и расслоений прессованных заготовок в процессе их изготовления и рассчитать предельно допустимые размеры прессуемых многополюсных магнитных систем из порошка исследуемого сплава.

- Разработать совмещенный процесс термообработки и получения защитного покрытия на магнитах из исследуемого сплава.

Научная новизна. Установлены закономерности формирования структуры слитка и влияние этой структуры на технологические и магнитные свойства полученного из него порошка и готовых изделий. Показано, что увеличивая скорость охлаждения сплава исследуемого состава до 15°С/с и выше, можно подавить выпадение первичных кристаллов железа и протекание перитектических реакций. Процесс кристаллизации при этом состоит в выделении первичных кристаллов основной фазы (К,(1,Ву)2(Рс,Со)цВ и затем в протекании двойной и тройной эвтектических реакций с образованием в слитке оптимального, для получения высококоэрцитивного состояния, сочетания фаз.

Выявлены основные факторы, влияющие на трсщинообразова1ше роторов: анизотропия и температурная зависимость коэффициента линейного расширения сплава, а также неоднородность напряженно-деформационного состояния. Проведен теоретический анализ напряжений и деформаций в многополюсных рото-

pax, в частности, приняв за критерий образования расслоений в прессуемых изделиях неравенство divlJ(x)>(), обоснованы допустимые изменения геометрии пуансона.

В неспеченных прессованных заготовках обнаружена значительная нестабильность физических свойств (модуль Юнга, относительная плотность) в различных зонах. После спекания упругие свойства роторов возрастают в 15-20 раз.

В спеченных многополюсных целыюпрессованных магнитных системах роторов наблюдается существенное рассеяние криволинейной текстуры [001], особенно в зонах полюсов и поверхностных областей роторов: значение функции ориентации в разных зонах равно от 2,3 до 21,1%.

Установлено, что при проведении термической обработки в ваннах из Sn-Al-Ga на поверхности магнитов образуется защитный слой, содержащий соединения Л1 с Fe, обеспечивающий высокую коррозионную стойкость магнитов и повышающий механические свойства.

Практическая значимость. Выявлены особенности структурообразо-вания сплава, содержащего 32%Nd+2,5%Dy+3%Co+0,4%Al+l,2%B+ Ре(ост.) в различных термокипетических условиях и усовершенствование технологии изготовления слитков из этих сплавов с целью получения благоприятной трехфазной структуры сплава в любой части слитка при максимальном содержании фазы (Nd,Dy)2(Fe,Co)14B.

Разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены чугунные неводоохлаж-даемые изложницы в форме параллелепипеда, позволяющие в промышленных условиях получать слитки массой 20 кг с оптимальным содержанием фаз, необходимых для получения высококоэрцитивного состояния сплава. Оптимизированы параметры прессования многополюсных магнитных систем из порошка исследуемого сплава. Разработаны параметры совмещенного процесса термообработки и получения защитного покрыли на магнитах из исследуемого сплава. Рекомендован наиболее технолопгчный является состав жидкометаллических ванн Sn+10%Al+15%Ga, так как при обработке в нем практически отсутствует загус-теванне расплава и на поверхности не образуется корковый слой. Технологические процессы изготовления литых заготовок, прессования магнитных систем роторов, термообработки их и антикоррозийного покрытия в жидкометаллических ваннах внедрены в производственных условиях ОАО "НПО Магнетон".

Автор защищает. Научно и экспериментально обоснованную технологию получения в чугунной щелевой изложнице слитков, массой до и более 20 кг, сплава 32%Nd+2,5%Dy+3%Co+0,4%Al+l,2%B+ остальное Fe оптимального, для получения высококоэрцитивного состояния сплава, фазового состава по всему объему.

Теоретическое и экспериментальное обоснование технологии прессования и термообработки целыюпрессованных четырехполюсных магнитных систем для роторов вентильных электродвигателей с повышенными трещиностойкостыо и выходом годных изделий.

Теоретическое решение задач напряженно-деформационного состояния в магнитах при их прессовании и вращении в разных режимах.

Впервые экспериментально установленные для данного типа изделия из исследуемого сплава: закономерности изменения в разных зонах магнитных систем роторов плотности, упругих свойств, твердости и прочности на изгиб как в спрессованном, так и в спеченном состояниях; температурное изменение коэффициента линейного расширения; закономерности рассеяния криволинейной текстуры [001] в разных зонах магнитных систем роторов.

Технологию термообработки цслыюпрессованпых магнитных систем в две стадии: (выдержка в жидкометаллической ванне и в расплаве солей) позволяющую сформировать в материале высококоэрцитивное состояние и создать на поверхности коррозионно- стойкую и механически прочную пленку.

Апровация работы. Результаты работы неоднократно доложены на заседаниях кафедры физики, а также научного семинара лаборатории физики материалов Ивановской текстильной академии. Материалы диссертации были заслушаны на заседаниях: научно-технического совета ОАО "НПО Магнетон"; XI Всесоюзной конференции по постоянным магнитам (1994 г.); X международном симпозиуме по микроманшиам и серводвигателям М18-96(Польша, 1996 год); ХИ Международной конференции по постоянным магнитам (1997 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 публикациях. Получено положительное решение Госкомизобретений о выдаче патента на совмещенный процесс термообработки и нанесение защитного покрытия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста и включает 40 рисунков, 37 таблицы и список использованной литературы из 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

в ВВЕДЕНИИ и разделе "технологические особенности изготовления многополюс11ых роторов из мапгитотвегдых материалов" проанализированы конструкции многополюсных магнитных систем для роторов вентильных электродвигателей и используемые для их изготовления магнитот-вердые материалы. Показано, что наилучших эксплуатационных характеристик можно добиться, если многополюсные магнитные системы изготавливать цель-нопрессованными с криволинейной магнитной текстурой, используя сплав Ш-Бе-В. При этом удается увеличить удельный момент в 1,4 раза, магнитный поток в 1,5 раза, снизить потери на гистерезис и вихревые токи. Изготовление целыюпрессованных многополюсных магнитных систем роторов с криволинейной текстурой сопряжено с необходимостью решить комплекс задач: получение слитков однородных по составу и нужным, для высококоэрцитивного состояния, соотношением фаз; определение для данного сплава в спрессованном и спеченном состоянии при разных температурах физико-механических свойств; исследование особенностей формирования криволинейной текстуры в различных зонах роторов; анализ напряжешю-деформационного состояния материала и тре-щинообразованис в нем; разработка мер, предотвращающих коррозию магнитов.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и научно-обоснованные задачи исследования.

Методики проведения исследований. С целью концентрации внимания на проблемах технологии получения многополюсных цельнопрессован-ных магнитных систем состав сплава не варьировали. Был выбран состав освоенный и серийно выпускаемый в ОАО "НПО Магнетон": 32%Nd+2,5%Dy+3%Co+0,4%Al+l,2%B+Fe(ocT.). Этот сплав отличается высокомагнитными свойствами и сравнительно неплохой коррозионной стойкостью. Технология изготовления магнитов была обычно такова: выплавка сплава, получение порошка, засыпка прессформы и текстурование, прессование, размагничивание, выпрессовка, спекание и термообработка, механическая обработка, намагничивание и контроль свойств. Исследование проводили в различных зонах четырехполюсных роторов: полюс, межполюсное пространство, верх и низ образца ( относительно прилагаемой нагрузки), наружная и внутренняя цилиндрические поверхности.

Состав сплава определяли химическими методами: комплексно-метрический, потенциометрический, тригонометрический с уратропином, а также рентгенофлуоресцентным на.установке VRA-20 фирмы "Karl Zeiss Yenna". Относительные по1решности определения содержания различных элементов сплава составляли от 0,4 до 1,8%.

Использовали промышленную термообработку: спекание при 1050-1100°С с выдержкой 0,2 часа + охлаждение до 900-910°С с выдержкой 1,5 часа, отпуск при 540-5 80°С п течение 50 мин. В зоне расположения магнитов создавали вакуум ЮЗПа, а затем в нее подавали аргон до избыточного давления 2-104Па. Температуру измеряли потенциометром КСП-ЗП.

Микроструктуру изучали методами оптической электронной микроскопии. Образцы травили 6%-ным спиртовым раствором азотной кислоты. Линейные размеры структурных составляющих определяли методом секущих, а объемное содержание фаз - методом стереометрической металло]-рафии.

Дифференциально-термический анализ проведен в атмосфере аргона на установках ДТА-7М конструкции ИМЕТ им. A.A. Байкова и TAG-24 фирмы "Setaram". Измерительную систему градуировали через каждые 10 циклов, используя чистые алюминий, медь и никель. В качестве эталона использован никель марки НО. Скорости нагрева и охлаждения были в пределах 3-96°С /мин, термограммы расшифровывали с помощью ЭВМ.

Фазовый состав, структуру и текстуру сплава исследовали путем анализа рентгенограмм и дифрактограмм, получаемых на установках ДРОН-3 и УРС-2,0 в Fe-Ka и Cu-Ka излучениях. Текстуру оценивали по гномостереографическим проекциям кристаллов фазы типа (Nd,Dy)2(Fe,Co)14B. Вес (Р) нормалей к кристаллографическим плоскостям вычисляли по степени совпадения нормалей к кристаллографическим плоскостям с нормалями к плоскости среза. В качестве эталона использовали порошок исследуемого сплава. Локальный микрорентгенострук-турный анализ проведен на микроанализаторе "СашеЬах", при ускоряющем напряжении 20кВ и токе зонда 2,5мА. Локальность зонда Змкм. Содержание эле-

ментов вычисляли на ЭВМ с учетом атомн-го номера, абсорбции и флуоресценции. Количественные данные получены п, данным при неподвижном зонде. Проведена съемка в железном и неодимово.' характеристическом излучении, а также в поглощенных электронах.

Измерение коэффициента линейного расширения осуществлено на установке "Г)спуаищгар!1-1500" с дилатометрической приставкой. Использованы образцы сечением (ЮхЮ)мм2 и длиной 40 мм, измерение проведено в интервале температур (0-500)°С со скоростью нагрева 10°С /мин с помощью программируемого рыулятора. Калибровка дилатометрической приставки проведена на образцах монокорунда. Погрешность измерения удлинения составляла ±0,06%.

Параметры прочности на изгиб получены путем квазистатического нагру-жения (511/мин) и получения кривой деформации. Модуль Юнга определяли пропусканием через образец ультразвука по формуле Е=ри2 (р - плотность образца, о - скорость распространения ультразвука). Прибор с помощью ЭВМ работал в автоматическом режиме, проводя необходимое число измерений. Плотность (р) материала определена гидростатическим взвешиванием в спирте. Магнитные свойства Вг, Не и (ВН)шах определены на установке ОАО "НПО Магнетон".

стгуктурообразованив при кристаллизации слитков из сплава Ш-Ру-Со-Аь-В-Ре. Для тройных сплавов ма-Бс-В в условиях равновесной кристаллизации имеются диаграммы состояния, а гякже политермические и изотерические разрезы. Для сплава, используемого в данной работе, такой диаграммы нет. В таких случаях температуру ликвидуса (солидуса) глы сплава рассчитывают но формуле:

и

ТЛ(С) = ТЛ(с) ±

/=1

где Т^с) - температура ликвидуса (солидуса) для элемента ЫсШенВ основы сплава; С| - концентрация 1-го элемента в сплаве; q - угловой коэффициент линии ликвидуса в системе добавка-элемент А.

В соответствии с расчетом, по данной формуле для рассматриваемого в работе сплава Тл = 1245°С, а Тс = 636°С. Экспериментальные значения Тл и Тс, полученные на установке ТАО-24 при скорости охлаждения 3°С/мин оказались равными: Тл ~ 1225°С, а Тс = 620°С. Таким образом, обнаружено удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений. В дальнейшем в работе использованы экспериментальные значения Тл и Тс. При увеличении скорости охлаждения расплава с 3 до 96°С/с температура окончания кристаллизации сплава снижается на 50°С.

Используемые на предприятиях России слитки обычно представляют собой бруски или цилиндры. Требований к форме и размерам слитков не существует. В слитках, получаемых на ОАО "НПО Магнетон", были обнаружены 2 зоны: зона столбчатых кристаллов (1 зона) на глубине до 25мм от наружной поверхности и зона равноосных кристаллов (2 зона). В первой зоне сплав состоит из 3-х фаз:

(Ыс1Г)у)2(РеСо)14В, (НсЮу)]1(РеСо)4В4 и высоконеодимовая фаза, во 2 зоне кроме них присутствует фаза, представляющая из себя кристаллы твердого раствора кобальта в железе. В отдельных объемах 2 зоны эта фаза занимает до 20% объема. Магнитные свойства образцов, изготовленных из сплава 2 зоны на (15-20)% ниже в сравнении со свойствами образцов, изготовленных из сплава 1 зоны.

Исследованы образцы массой 3-5г, полученные на установках ДТА-7М и ТАО-24. Скорость охлаждения составляла 3,6, 12, 24, 48, 96, 900 и 104оС/мин. Данные рентгеновского анализа о присутствующих фазах в сплаве при различных скоростях охлаждешы приведены в табл. 1. С ростом скорости охлаждения от 3 до 96°С/мин изменяется фазовый состав, объемное содержание, форма и размеры зерен фаз. Количество основной фазы (Ш1)у)2(РеСо)14В при росте скорости охлаждения от 3 до 48°С/мин уменьшается, а кристаллов а-(БеСо) - увеличивается. Рост скорости охлаждения от 48 до 96°С/мин сопровождается ростом содержания фазы СМс1,Оу)2(Ре,Со)]4В и уменьшением объема кристаллов сх-(БеСо). С увеличением скорости размеры фаз уменьшаются, фазы становятся разветвленными. Повышением скорости охлаждения до 900°С/мин удается подавить появление всех фаз кроме матрицы (ЫсШу^Ре^о)^!, фазы (ШОу)] !(РеСо)4В4 и высоконеодимовой фазы.

Таблица 1

Фазовый состав сплава

Скорость ох- Фазы

№ лаждения, (№1)у)2х (каг)у)|Х Высоконео- (ШЕ>у)2х

п/п "С/мин х(РеСо)цВ х(РеСо)„В, димовая фаза а-(ГеСо) х(РсСо)„ Ш(ГеСо)2

1 3 ■у + + + - +

2 6 + + + -

3 48 + у + + + -

4 96 + + + + - -

5 900 + + + - - -

6 !04 + + + - -

Содержание основной фазы (Ш, Оу)2(Ре, С о) 14В увеличивается до 85%.

4

Рост скорости охлаждения от 900 до 10 °С/мин сопровождается только измельчением фазовых составляющих. При увеличении скорости кристаллизации до 900°С/мин и выше удается подавить выделение первичных кристаллов железа и протекание перитектических реакций. Процесс кристаллизации при этом выглядит так: выпадение первичных кристаллов (Ш,Ву)2(Ре,Со)иВ, затем эвтектическая реакция

Жо(ЩВу)2(Ее,Со)иВ + (№Шу),,,(Ре,Со)4В4 и, наконец, эвтектическая реакция: Ж<->(Ш,Оу)2(Рс,Со)14В + (Ш,Оу),11(Ре,Со)4В4+ (Ш,Оу). Таким образом, неравновесная кристаллизация при высоких скоростях охлаждения позволяет получить такой же фазовый состав, как и кристаллизация в равновесных условиях. Экспериментально установлено, что в промышленных слитках скорость кристаллизации в пристеночных зонах равна 170°С/с, на расстоянии 35 мм от стенки изложницы - 9°С/с и 2°С/с - в центре слитка. В резуль-

тате в большей части слитка не удается получить фазовый состав, необходимый для получения высоких магнитных свойств сплава.

Для достижения скорости кристаллизации во всем объеме слитка не менее 15°С/с была разработана чугунная изложница, толщину стенки которой рассчитывали па ЭВМ. Форма слитка - плитообразная. Был изготовлен опытно-промышленный образец изложницы для получения слитка массой 20 кг. Фазовый анализ полученного слитка был таков: в пристеночных участках и в центре слитка бьши 3 фазы (ЫйДЭу^СРе.Со^В, (КсЩу)11(1:сСо)4В4 и высоконеодимовая. Причем содержание матрицы в пристеночных участках было (86±0,5)%, а в центре слитка (84±0,5)%. Магнитные свойства образцов, изготовленных из полученных слитков, отличались стабильностью и составляли: Вг = (1,15-1,17)Тл, а Нс=(820-850)КА/м.

Физико-механические свойства сплава 32Кр2,5РуЗСо0,4Аь1 ,2ВГе.

Температурный коэффициент линейного расширения (а) определяли по формуле

где е - относительное удлинение образца; Т - температура.

Выборочные значения величины е при разных температурах приведены в табл.2.

Используя метод наименьших квадратов на ЭВМ было найдено уравнение зависимости е=Г(Т) и по нему уравнение а=Г(Т).

Таблица 2

Значения относительного удлинения (еТО4)_

Температура, К 400 | 500 600 700

е-104 1,02 0,37 0,34 6,42

Об окисляемости сплава судили по изменению его массы. На воздухе окисление сплава начинается сразу после помола. Оно интенсивно происходит в первые 5-6 часов и только после 12-15 часов интенсивность процесса окисления заметно снижается. Спеченные магниты окисляются существенно медленнее, однако, процесс этот заметен и на них: за 6 месяцев изменение массы магнита составляет 0,01%. На поверхности магнита рентгеновским методом обнаружен сложный оксид неодима и диспрозия. С ростом температуры окисляемость вначале возрастает медленно (при скорости нагрева 20°С/мин до 150°С масса магнита изменяется менее чем на 0,001%), а затем увеличивается при температуре 250°С.

Цельнопрсссованные роторы должны не только создавать магнитное поле нужной конфигурации, но и выдерживать довольно существенные нагрузки. Например, при термообработке в поверхностных слоях материала могут возникать напряжения в несколько сот МПа, а в роторе радиусом 150мм при числе оборотов 50000 в минуту максимальные напряжения равны 2000 МПа. Прочностные свойства роторов являются важнейшими эксплуатационными характеристиками

магнитных систем. В то же время прессованный сплав при температурах эксплуатации находится в хрупком состоянии, критический размер "свежей" трещины для них составляет десятые доли миллиметра. Повышение трещиностойкости материалов, аналогичных исследуемому, является комплексной проблемой, включающей, как совокупность задач непосредственно по прочности, так и задачи структурного и фазового состояния сплава. Обычно на роторах в зонах межполюсных пространств (МП) наблюдаются трещины на наружной поверхности вдоль образующей цилиндра, а в зоне полюса (П) - перпендикулярно образующей. Возникновение трещин обусловлено, как наведенной текстурой, так и неод-нородностями в роторе после его прессования.

Часто встречающийся дефект при изготовлении роторов - расслоение материала после прессования, что является следствием соответствующего напряженно-деформационного состояния (НДС). Условием возникновения расслоя считаем возрастание дивергенции перемещения (Шуи>0). Получить выражения для напряженно-деформационного состояния можно, решив соответствующую краевую задачу.

Используя выражения обобщенного закона Гука и учитывая конкретные краевые условия были получены выражения для радиальных (аг) и касательных (оо) напряжений:

где р - плотность материала; ш - угловая скорость вращения ротора; Го - наружный радиус ротора; г - текущее значение радиуса; V - коэффициент Пуассона. При р-=7,5х103кг/м3; у-0,3; го^150 мм и п=2000 об/мин. (аг)тах=(сго)тах=3,4 МПа. Если п=50000 об/мин, ТО (аг)тах=(°е)тах=2000МПа.

Для определения величины с1К' и, а также значений напряжений нужно знать изменение в процессе прессовании V, т.е. модулей упругости и шкпности материала. Значения модуля Юнга и плотности материала при разных нагрузках приведены в табл. 3, 4. Из анализа их данных следует: на первых этапах прессования сплава, когда нагрузка составляет около 1/5 от оптимальной, резко возрастает относигельная плотность прессуемого поронпса и его можно уже рассматривать как упругое твердое тело. Модуль Юнга при увеличении нагрузки от 20 до 100% возрастает на (30-40)%, т.е. упругие свойства сплава в ходе всего процесса его прессования изменяются существенно. Модуль Юнга сплава Ыс1-Ке-В после спекания увеличивается в 15-20 раз. Колебания плотности в разных зонах нсспечешюго ротора составляют (5-20)%, а изменение значений модуля Юнга достигает 35%, что свидетельствует о ярко выраженной неоднородности в спрессованном изделии. В спеченном состояли свойства материала в разных зонах ротора изменяются очень незначительно. Значение плотности и модуля Юнга установлено в зонах П и МП, наружной и внутренней цилиндрических поверхностях. Т.е. в процессе спекания происходит интенсивное перемещение материала из одной зоны в другую. Наблюдаемые трещины на поверхности роторов после их термической и механической обработок обусловлены не только анизотропностью коэффициента линейного расширения материала, но и его неоднородностью в разных зонах изделия (табл. 4).

Таблица 3

Значения модуля Юнга и плотности неспеченных магнитов в ходе _их прессования (параллелепипед сечением 5x10 мм2)_

Доля нагрузки Значение модуля упруг ости (ГПа)

№ от оптималь- Плот- Область соприкосно- Нижняя область

п/п ной, ность, вения с пуансоном Образцов

Зона боко- Срединная Зона боко- Средин-

(%) (кг/м3) вой поверх- зона вой поверх- ная зона

ности ности

1. 20 3210 5.6 6,0 5,4 5,3

2. 30 3350 5,9 6,4 6,1 6,8

3. 50 4260 6,7 6,8 6,4 6,9

4. 75 4810 8,1 8,0 7,1 6,9

5. 100 5120 9,0 9,1 8,9 8,8

6. 300 5400 И,7 10,4 11,2 9,9

Таблица 4

Плотность и модуль упругости в разных зонах спеченных _многополюсных роторов__

№ п/п Зона ротора Модуль упругости (Е), (ГПа) Плотность (р) (кг/мЧО"3)

1 Полюс (П) 130 7,3

2 Межполюсное пространство (МП) 125 7,4

3 Зона между П и МИ 120 7,4

4 Верх ротора - 7.4

5 Низ ротора - 7,45

6 Середина ротора - 7.3

7 Наружная боковая поверхность 125 7,35

8 Внутренняя боковая поверхность 120 7,4

9 Среднее значение по всему ротору 125 7,35

Степень текстурования сплава оказывает существенное влияние не только на магнитные свойства, но и на прочностные. Качественное представление о закономерностях изменения текстуры можно получить из полученных обратных полюсных фигур для зон МП и П.

В спеченных роторах наблюдается значительное рассеяние криволинейной текстуры [001]: значение функции ориентации при переходе от одной зоны к другой изменяется в пределах от 2,3 до 21,1%. Наибольшее рассеяние текстуры наблюдается в зонах полюсов и приповерхностных слоях цилиндрических поверхностей, а наименьшее - в зонах межполюсных пространств и срединных областей роторов.

Влияние способов отпуска многополюсных цельнопрессо-

ванных порошковых роторов на их физико-механические свойства. В

данной главе решалась задача изменения состояния поверхности магнитов и получения на ней пленок, образование которых, не сопровождалось бы снижением

магнитных свойств; позволяло бы предотвратить окисление поверхности магнита при соприкосновении его с воздухом и парами воды; сопровождалось пластифицированием поверхности образцов, что очень важно, поскольку магниты находятся в хрупком состоянии, на их поверхности всегда есть трещины, а в приповерхностных слоях - остаточные напряжения. Для обеспечения когерентной связи получаемой пленки с материалом магнита в состав пленки должны входить компоненты, которые образуют с атомами сплава новые фазы. Получение такой пленки реально при помещении магнита на непродолжительное время в металлический расплав. Расплав должен находиться при температуре, равной температуре термообработки магнитного материала, при этом не должно наблюдаться испарение его компонентов для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

В соответствии с литературными данными и сформулированными требованиями для получения расплава были выбраны алюминий, галлий и олово. Расплав этих элементов находится в жидком состоянии при температуре отпуска магнитов (550-600)°С, компоненты расплава при данной температуре не испаряются. Варьируя состав жидкометаллических ванн, определили три состава, позволяющие получить положительные результаты: 8п 1-15%Оа; 8п+10%А1; Яп+Ю'УоАИ 15%Оа. Если в жидкометаллической ванне присутствовал алюминий, то образовывался кроме пленки корковый слой толщиной (0,5-2)мм. Проникновение компонентов ванны (Бп, А1, Оа) вглубь образцов не обнаружено, время выдержки в ванне составляло (5-60)мин. Выдержки более 10 минут нежелательны, так как происходит загустеЕание расплава я, кроме этого, для получения защитной пленки на магните достаточно время 7, максимум 10 минут.

На границе раздела магнит - расплав по данным рентгенострукгурного анализа возникают новые фазы, если в расплаве присутствует алюминий: РеА1з, Ре2А15, РеА1 и некоторые пока неидентифицированные фазы. Новые фазы образуются преимущественно на границах зерен и несплошностях магнитов в поверхностном слое толщиной около ЮОмкм. Если вводили только А1, то на всей поверхности маппгга была пленка соединения Ре2А15 толщиной до Юмкм, которая далее сменяется многофазной зоной около ЮОмкм, основу которой составляют: Ре2А15, РеА13, Бп и А1. Если ваши состоит из 8п+ Ю%А1+15%Оа, пленка состоит не только из фазы РегА^, в ее состав также входят РеА1, А1Со, 8п, А1 и неидентифицированные фазы. При помещении маг нитов в ванну 8п+15%Оа толщина пленки оказывается настолько маленькой, что ее фазовый состав пока не удалось установить.

Характеристики прочности образцов, выдержанных в жидкометаллической ванне сущеешенно выше, чем без такой выдержки (табл.5). Магнитные свойства (Иг, (ВЩшх) образцов, обработшшых в жидкой ватте, примерно на 5% выше, чем контрольные, что является результатом снижения окисляемосга поверхностного слоя магшггов.

Химический состав оболочек на поверхности роторов представлен в табл. 6. Наиболее технологичным оказался расплав 8п+10%А1115%Оа. После

выдержки 10 минут при 580°С в жидкометаллическом расгшаве магниты помещали в расплав соли К2Сг207 при 580сС на 50 минут.

Испытания четырехполюсных магнитных систем роторов после полного цикла их обработки показали, что: магнитный поток на полюсе составил 325-330 мВб при нормативе 290 мВб, трещиностойкость роторов возросла па 30%, по коррозионной стойкости они не уступали магнитам, покрытым никелем.

Таблица 5

Результаты испытаний на статический изгиб образцов магнитов

после обработки их в жидкометаллическом расплаве_

Состав Предел Среднекв. Коэффи- Стрела Среднекв. Коэффи-

расплава прочнос- отклоне- циент прогиба отклоне- циент

ти (аи), ние, вариации, 1, ние 1, вариации,

МПа МПа % мкм мкм %

8п+15%Оа 152 26 17 46 6.5 14

8п+10%А1 145 21 14 42 И 25

8п+10%А1+ 172 32 19 51 17 33

+15%Оа

Без обработки

в жидкометал- 121 35 30 24 9 37

лической среде

Таблица 6

Составы оболочек, образующихся на поверхности образца из исследуемого сплава после обработки его в металлическом расплаве

Состав металлического расплава, % мае. Состав оболочки, % мае.

Ре Со N(1 Цу А1 ва Эп

5п+15%Оа 54 3,5 3,5 0,3 29 - 11

8п+10%А1 61 2,9 6.2 0,7 - 12,3 17

Бп И 0% А1+15%йа 49,4 2,1 4,1 0,4 23 7 14

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Показаны кинетические особенности «лруктурообразования в процессе кристаллизации сплавов системы ЬМ-Бу-Рс-Со-АР-В. Обосновано, что содержание а-фазы с содержанием около 95% Ре и 5% Со, кристаллизуемой в определенном интервале скорости охлаждения, приводит к снижению магнитных свойств сплавов данной системы и предопределяет необходимость проведения термической обработки слитков перед получением из них порошков.

2.Установлено, что с увеличением скорости охлаждения расплавов с 3 до18°С/мш1 объемное содержание основной фазы 0\тс1Д}у)2\Ре,Со) |4В уменьшается с 53 до 26%, а кристаллов а-фазы увеличивается с 14 до 21%, монотонно снижаясь при дальнейшем росте voxl до 900°С/мин.

3.Выявлено, что благоприятная для обеспечения высоких мапшшых свойств трехфазная струкгура сплава, содержащего (%, мае.) 32Ш+2,51)у+ЗСо+0,4А1+1,2В I ост. Ре, может быть получена не только в условиях равновесной кристаллизации, но и

в неравновесных условиях - при скорости охлаждения расплава более 900°С/мин, когда подавляются выпадения кристаллов фаз у - (Ре, Со) и (N(1, Оу)2 (Те, Со)п и образование неравновесной эвтектики.

4 .Установлены закономерности формирования структуры слитков из исследуемого сплава при кристаллизации в чугунных изложницах, разработан вариант ее расчета и проектировшше для получения слитков массой до 20 кг с оптимальной структурой, состоящей их трех основных фаз и в котором достигается содержание высококоэрци-птагой фазы (N4 Оу)2 (Те, Со)иВ до 84-86% по объему.

5.Обосновано, что основными факторами, стимулирующими образование трещин многоголосных целыгопрессованных роторах, являются их анизотропность по магнитным свойствам, температурная зависимость коэффициента линейного расширения, а также неоднородность напряженно-деформированного состояния при прессовании.

6.На основе анализа динамики вращения ротора при определенных граничных условиях и свойствах сшивов получены аналитические выражения для оценки напряженною состояния в зависимости от радиуса ротора и скорости его вращения. Определено, что прн возрастании скорости вращения скорости ротора от 200 до 5200 1/с максимальные напряжения в его центральной зоне увеличиваются с 3,4 до 2000 МПа.

7.Исследована кинетика формирования маппшжристаллической текстуры при прессовании четырехголосных мапштов из высокоэнергетического сплава системы Ш-1)у-Рс-Со-А1-В, установлены закономерности формирования криволинейной текстуры [001] и изменения модуля Юнга прессовок до и после спекания.

8.Устанош1ено, что качество мапштов зависит от физических характеристик прессовок. Температурный коэффициент линейного расширения исследуемого сплава не-лннегаго изменяется с повышением температуры нагрева прессовок: уменьшается до 250°С, возрастает линейно до 500°С и интенсивно увеличивается при Р-500°С, что является одной из основных причин изменения напряженного состояния и появления растягивающих напряжешш на поверхности спеченных роторов.

9.Разработана технология получения металлической пленки на поверхности цель-нопрессованных многоголосных роторов путем отпуска их в металлической ванне сплава 10%А1+15%Са с температурой 580-560°С в течении 10-12 мин., что позволило повысить коррозионную стойкость и прочность маппггов в результате пластификации поверхностных слоев.

Ю.Разработана новая технология производства целыгопрессованных четырехполосных роторов, позволяющая понизить брак на 35% и получить в 1995 году 50 млн. руб. экономического эффекта.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Беляев И.В., Раетегаев Б.В., Кореновский Н.Л. Влияние скорости охлаждения на ход кристаллизации, микроструктуру и фазовый состав сплавов NdDy-FeCoB // XI Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г.Суздаль 10-14 октября 1994 г.)/ Тезисы докладов. - М., 1994, стр.28.

2. Беляев И.В., Раетегаев Б.В., Бондаренко О.В., Колтыгин A.B. Экспериментальные исследования затвердевания слитков из сплавов РЗМ-Fe-B // XI Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г.Суздаль 10-14 октября 1994 г.)/ Тезисы докладов. - М., 1994, стр.87.

3. Раетегаев Б.В., Изгородин А.К., Беляев И.В. Фазовые превращения в сплавах Nd-Fe-B и технология получения цельнопрессованных роторов // XI Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г.Суздаль 10-14 октября 1994 г.)/ Тезисы докладов (дополнения). - Владимир, 1994, стр.5.

4. Беляев И.В., Раетегаев Б.В. Современная технология производства литых заготовок для постоянных магнитов / Изв.ВУЗов. Цв.металлургия - 1996 - № 1 -стр.21-26.

5. I.Belayev, B.Rastegaev. Russion permanent magnets for Electric Machines // International X Simposium on Micromachines and Servodrives, "MiS-96", Rydzyna (Poland) 23-27.09.96. -Proceedings, vol.1 -p.132-134.

6. A.K. Изгородин, Ю.В. Коноилев, Б.В.Растегаев. Особенности текстуры прессования в многополюсных магнитных системах//Мегаллы № 1,1996 г.

7. Ю.В.Коноплев, А.К.Изгородин, И.В.Беляев, Б.В.Растегаев. Рентгеност-руктурный анализ магнитов NdFeB после термической обработки их в расплавах. // XII Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г.Суздаль 22-26 сентября 1997 г.)/ Тезисы докладов. - М., 1997, стр.66.

8. Б.В.Растегаев, И.В.Беляев, А.К.Изгородин, Ю.В.Коноплев. Исследование прочностных свойств магнитов из сплава Nd-Fc-B после термической обработки их в расплавах. // XII Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г.Суздаль 22-26 сентября 1997 г.)/ Тезисы докладов. - М., 1997, стр.142.

9. А.К.Изгородин, Ю.В.Коноплев, Б.В.Растегаев, И.В.Белясв. Закономерности разрушения магнитов из сплава Nd-Fe-B в зависимости от технологии их изготовления. // XII Всесоюзная конференция по постоянным магнитам (г.Суздаль 22-26 сентября 1997 г.)/ Тезисы докладов. - М., 1997, стр.144.