Введение к работе
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 SmCo5 и БгпгСоп, а также системы Nd-Fe-B. 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 SmCos и SnVjCon 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 Nd-Fe-B значительно дешевле магнитов из сплавов на основе Sm
и Со и обладают при этом уникальными магнитными свойствами: Вг более
з 1,4Тл, Hcj до 2000 КАУм, (ВН),,^ более 400 кДж/м .Использование магнитов из
сплавов типа Nd-Fe-B позволяет получать магнитные системы не уступающие по
своим свойствам системам из сплавов самарий и кобальт.
Актуальность работы. В настоящее время наиболее эффективными магаитнымн 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-ставляет 0,14-0,19 Нм/кгсм , 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 многополюсных магнитных систем из сплава Nd-Dy-Fe-Co-Al-B с повышенными магштшыми и механическими характеристиками. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Выявить особенности механизмов структурообразования при кристаллизации сплава, содержащего 32% Nd, 25% Dy, 3% Со, 0,4% А1, 1,2% В, ост. Fe, 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 (Nd,Dy)2(Fe,Co)i4B.
Выяснить причины возникновеїшя трещин и расслоений прессованных заготовок в процессе их изготовления и рассчіггать 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 (Nd,Dy)2(Fe,Co)i4B 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 трещинообразоваїше 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 divU(x)>0, 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 мехаїшческие 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 получешія 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-тевание 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 злеісгродвигатслеи с повышенными трещиностоикосгыо 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 магнигаых 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.
АпровашіЯ 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 микромашинам и серводвигателям Мі8-96(Польша, 1996 год); XII 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 па 184 страницах машинописного текста и включает 40 рисунков, 37 таблицы и список использованной литературы из 156 наименований.