Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения высококоэрцитивных наноструктурированных магнитотвердых материалов на основе азотосодержащих интерметаллических соединений редкоземельных металлов с переходными металлами группы железа

Номер контракта: 14.578.21.0037

Руководитель: Тарасов Вадим Петрович

Должность: Заведующий кафедрой ЦМЗ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
постоянные магниты, высококоэрцитивные магнитные материалы, азотосодержащие интерметаллиды, редкоземельные металлы

Цель проекта:
Целью прикладных научных исследований является разработка композиций наноструктурированных магнитотвердых материалов на основе интерметаллических соединений редкоземельных металлов (РЗМ: Nd, Dy, Tb, Sm) с переходными металлами группы железа, обладающих остаточной намагниченностью (Br) не менее 1,20 Тл и коэрцитивной силой (Hci) более 720 кА/м.

Основные планируемые результаты проекта:
- Повышение уровня магнитных и температурных характеристик ВНМТМ путем легирования их тяжелыми редкими металлами и исследование механизма формирования высококоэрцитивного состояния;
- Повышения качества структуры ВНМТМ за счет получения монокристаллов на их основе, а также установление оптимальных режимов их роста;
- Исследование и установление оптимального содержания азота в ВНМТМ и разработка технологии его введения в материал;
- Модернизация промышленных установок для азотации ВНМТМ и для выращивания монокристаллов на их основе с целью достижения необходимых технологических режимов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В настоящее время постоянные магниты (ПМ) используются в различных изделиях и устройствах: вентилях Фарадея, магнитных линзах, датчиках, электродвигателях, электрогенераторах, бесконтактных реле, электронно-лучевых приборах, магнетронах, магнитных подшипниках, магнитных муфтах и др. В составе указанных изделий они находят широкое применение в навигационных системах, системах связи, компьютерах, робототехнике, системах автоматического управления, электроприводах и т.д.
В настоящее время в РФ отсутствует собственное производство магнитных материалов на основе азотосодержащих интерметаллических соединений, что связано с большими технологическими трудностями по их азотированию, поскольку стандартные технологические приемы оказываются в данном случае малоэффективными вследствие низкой диффузионной подвижности атомов азота в решетках подобных соединений.
Таким образом, требуется разработка новых технологических основ получения высококоэрцитивных наноструктурированных магнитотвердых материалов на основе азотосодержащих интерметаллических соединений редкоземедьных металлов с переходными металлами группы железа.

Разрабатываемые экспериментальные образцы азотсодержащих наноструктурированных высококоэрцитивных МТМ на основе интерметаллических соединений РЗМ с переходными металлами группы железа, синтезированные с использованием процессов азотирования, должны удовлетворять следующим требованиям: остаточная намагниченность, Br – более или равно 1,20 Тл; коэрцитивная сила, Hci – более 720 кА/м; максимальное энергетическое произведение, (ВН)max – более или равно 240 кДж/м3; температура Кюри, ТС – более или равно 400°С; интервал рабочих температур – минус 60 °С … + 80°С.
К важным условиям успешного выполнения данной ПНИ на высоком уровне следует отнести наличие: наличие положительных результатов при выполнении хоздоговоров с предприятиями по близкой тематике; мощной технологической и аналитической базы, позволяющей провести исследования и внедрение их результатов в производство в кратчайшие сроки; высококвалифицированных кадров, способных решить стоящие задачи и возникающие в процессе выполнения работы проблемы;опыта технологических разработок по созданию и освоению новых магнитных материалов; положительные результаты предварительных исследований.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты прикладных научных исследований могут использованы на предприятиях РФ по производству постоянных магнитов. Использование результатов исследований (внедрение разработанной технологии) на предприятиях - производителях магнитов позволит улучшить характеристики конечных изделий всем потребителям ПМ в РФ и повысить конкурентоспособность их продукции. Объем потребления термостабильных магнитных материалов в РФ за последние 2 года вырос в 1,9 раза и составил в 2013 г. более 140 млн. рублей.
Опытно-поисковые работы по внедрению результатов проекта в ОАО НПО «Магнетон» будет производиться параллельно проводимым исследованиям.
Результаты работы должны обеспечить развитие отечественных нанотехнологий, снижение экологического риска, а также повышение экспортного потенциала нашей страны в области магнитотвердых материалов, создание экспериментальной базы для последующей подготовки молодых специалистов в области магнитотвердых материалов.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения 2 и 3 этапа прикладных научных исследований получены:
– Результаты исследований по оптимизации химического состава, коррозионной стойкости высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ и режимов азотации сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа. Технологические принципы получения монокристалов высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ. Исследования по определению механизмов формирования высококоэрцитивного состояния в МТМ. Лабораторная методика химического и фазово-структурного анализа наноструктурированных МТМ.
– Результаты исследования по разработке и оптимизации технологии получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ методами порошковой металлургии, в том числе: режимов получения мелкодисперсных порошков азотосодержащих сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа; режимов прессования; режимов спекания; режимов термической обработки; режимов механической обработки высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ.
– Лабораторная технологическая инструкция получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ. Программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных образцов высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ. Лабораторная методика измерения гистерезисных и температурных характеристик высококоэрцитивных МТМ, полученных с использованием процессов азотирования. Лабораторная методика по азотации МТМ. Программа и методика испытаний макета лабораторной установки по азотации МТМ на основе сплавов РЗМ.
– Специализированная лаборатория высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ оборудованием для антикоррозионной защиты высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа.
– Результаты анализа способов и выбор оптимального для утилизации или рециклинга твердых отходов производства высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ.
– Изготовление макета лабораторной установки по азотации МТМ. Проведение пуско-наладочных работ и исследовательские испытаний макета лабораторной установки по азотации МТМ.

Сведения о ходе выполнения прикладных научных исследований размещены на официальном сайте НИТУ «МИСиС» по адресу: http://misis.ru/Ob-universitete/Struktura-universiteta/Instituty/EkoTekh/Organizatsionnaya-struktura/Tsentr-inzhiniringa-promyshlennykh-tekhnologiy/Tekushchiye-razrabotki/14578210037

В процессе выполнения этапов проведены исследования по оптимизации химического и фазового состава МТМ Sm2Fe17N3. Показано, что оптимальным содержанием кобальта в МТМ Sm2Fe17N3 является 8%. Обнаружено, что введение в МТМ диспрозия (или тербия) в количествах до 2% вызывает снижение остаточной индукции Br на 10-12%, а коэрцитивной силы по намагниченности jНc почти на 40%. Введение в МТМ Sm2Fe17N3 2% неодима повышает коэрцитивную силу по намагниченности jНc на 12% при одновременном снижении остаточной индукции Br на 5%.
Разработаны технологические принципы получения монокристаллических МТМ Sm2Fe17N3 и, в соответствии с ними, изготовлены экспериментальные образцы. Установлено, что оптимальной скоростью выращивания монокристалллических заготовок Sm2Fe17 является скорость 0,5 мм/мин.
Проведены исследования по оптимизации режимов гомогенизации литых и монокристаллических МТМ Sm2Fe17N3. Обнаружено, что растворение фазы α–Fe при гомогенизации монокристаллических заготовок проходит почти в 2,5 раза медленнее чем литых МТМ, поэтому продолжительность ее должна составлять не менее 50 часов.
Проведены исследования по оптимизации режимов азотирования порошков сплавов Sm2Fe17 и монокристалллических МТМ Sm2Fe17. Обнаружено, что при азотировании литых сплавов Sm2Fe17 в атмосфере азота повышение содержания основной магнитной фазы Sm2Fe17N3 выше 92-93%, вызывает параллельный рост содержания фазы α – Fe.
Проведены исследование механизма формирования высококоэрцитивного состояния МТМ Sm2Fe17N3 и установлены основные зависимости ее от технологических режимов на всех стадиях получения МТМ. Установлено, что для достижения высококоэрцитивного состояния в МТМ Sm2Fe17N3 необходимо до азотирования создать в нем мелкодисперсную кристаллическую структуру с содержанием фазы Sm2Fe17 не менее 90%.
Проведены исследования по оптимизации коррозионной стойкости МТМ на основе азотосодержащих сплавов РЗМ – Fe, в ходе которых установлено, что при увеличении содержания оксида самария в МТМ Sm2Fe17N3 с 0,32 до 0,76 (в 2,3 раза) коррозионная стойкость его порошков падает в 1,5-2 раза. Показано, что введение в МТМ Sm2Fe17N3 8% кобальта повышает его коррозионную стойкость на 25%.
В процессе исследований разработан и испытан метод повышения коррозионной стойкости МТМ и изделий на их основе путем обработки их гидрофобизирующей кремнеорганической жидкостью 136-41, что повышает их коррозионную стойкость в 2,5-3 раза.
В ходе работ разработаны и успешно апробированы новые методики определения химического и фазового состава МТМ на основе азотосодержащих интерметаллидов РЗМ- Fe.