CC BY
34УДК 537.622:620.22
СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗНЫХ
ПОРОШКОВ
Говор Геннадий Антонович д.ф.-м.н., профессор, в.н.с. ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению»
Вечер Александр Константинович к.ф.-м.н., в.н.с. ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению»
Демиденко Ольга Федоровна к.ф.-м.н., с.н.с. ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению»
Нормирзаев Абдукаюм Рахимбердиевич НамИСИ, к.т.н., доцент, [email protected] +99897-251-4409
Аннотация. В результате исследования свойств композиционных SMC материалов на основе особо чистых железных порошков было показано, что повышенные значения магнитных параметров и минимальные потери имеют материалы с наименьшим содержанием углерода, например, железный порошок АВС100.30. Выполнено исследование влияния на свойства SMC материалов различных типов изолирующих покрытий, в результате которого показано, что SMC материалы с оксид титановым покрытием имеют лучшие характеристики. Оценено влияние толщины оксидного покрытия на уменьшение магнитной проницаемости SMC материалов. Показано, что максимальными прочностными свойствами обладает SMC материал с оксид титановым покрытием железного порошка (ов=510МРа).
Abstract. As a result of the study of the properties of composite SMC materials based on highly pure iron powders, it was shown that materials with the lowest carbon content, for example, iron powder ABC100.30, have increased magnetic parameters and minimal losses. A study was made of the effect on the properties of SMC materials of various types of insulating coatings, as a result of which it was shown that SMC materials with a titanium oxide coating have better characteristics. The effect of the thickness of the oxide coating on the decrease in the magnetic permeability of SMC materials is estimated. It is shown that the SMC material with titanium oxide oxide coating of iron powder (ов=510 MPa) has the maximum strength properties.
Ключевые слова: композиционный материал, магнитомягкий материал, магнитные свойства, гистерезисные потери.
Keywords: composite material, soft magnetic material, magnetic properties, hysteresis
loss.
Введение
В последние годы во многих центрах интенсивно проводятся исследования магнитомягких композиционных материалов (SMC), основанных на использовании магнитомягких частиц, обычно на основе железа, с электроизолирующим покрытием на каждой частице [1-5] Основное назначение низкочастотного композиционного магнитомягкого материала это построение с его использованием высокоэффективных вентильных электродвигателей с инверторным приводом, трансформаторов, дросселей и других устройств, для которых рабочая частота перемагничивания существенно превосходит промышленную частоту [6,8].
В настоящее время в качестве коммерческого композиционного магнитомягкого материала предлагаются порошки Somaloy (компания Hoganas) [9,10]. Однако, отдельные параметры таких материалов, в первую очередь это потери на перемагничивание, а также их высокая стоимость не совсем устраивают потребителей.
Свойства композиционных магнитных материалов зависят и определяются рядом факторов. Важным является также сама основа композиционного магнитного материала -особо чистый железный порошок- его химический состав, фракционный состав, поверхностная адгезия частиц и некоторые другие факторы.
Поэтому целью работы является исследование свойств низкочастотного магнитомягкого материала при оптимальном выборе изоляционного покрытия и непосредственно типа особо чистого железного порошка.
Методика эксперимента
Технология изготовления изолированных порошков магнитомягких материалов и изготовление из них изделий представляет собой многостадийный процесс, включающий следующие основные операции:
- операция по реакционному нанесению изоляционных покрытий из газовой фазы при температуре 150 - 200°С [11]. В данной работе исследовались композитные материалы на основе особо чистых железных порошков ASC100.29, АВС100.30 и Atomet 1001HP, на поверхности которых наносились изоляционные покрытия при использовании различных оксидных растворов и суспензий. Химический состав исследованных железных порошков приведен в таблице 1.
- операция по фиксации покрытий нанесением небольшого количества раствора силиконового лака и смазки.
- операция по изготовлению изделий путем гидростатического прессования изолированных порошков в специальных пресс-формах. Спрессованные изделия подвергались термообработке для нормализации физических параметров. Отжиг образцов производится при температуре 400 - 600оС в вакууме или на воздухе.
Таблица 1.
_Химический состав, вес.%_
C O
ASC100.29 0,01 0,08
Atomed 1001HP 0,004 0,06
ABC100.30 0,002 0,05
Для исследования магнитных свойств изготавливались образцы композиционного магнитного материала в виде колец с размерами 24 х 13 х 8 мм методом порошковой металлургии путем прессования приготовленного изолированного порошка и затем подвергались отжигу. Плотность готовых изделий была в пределах от 7,6 до 7,75 г/см3.
Измерения магнитных свойств выполнялись как на экспресс-магнетометре, где по кривым перемагничивания образцов определялись потери и остальные магнитные параметры, так и дополнительно прямым методом путем измерения скорости нагрева сердечника при работе в адиабатическом режиме. Оба этих метода показали хорошее совпадение результатов измерений.
Высокое удельное сопротивление композиционного SMC материала порядка р= 10" 2 -10"1 Ом-м определяет практически отсутствие потерь на вихревые токи. Гистерезисные потери в экспресс-магнетометре определяются исходя из выражения:
(Вт/кг), (1)
w— площадь единичного цикла перемагничивания (Дж), V- объем образца (м3), m - масса образца (кг), f - частота. При этом одновременно фиксировались максимальные значения напряженности поля и максимальной индукции на кривые намагничивания.
Процесс нагрева сердечника при его работе в электрической схеме на начальном этапе вблизи комнатной температуры можно считать адиабатным, практически без отвода тепла. В этом случае удельные потери на перемагничивание сердечника определяются [10-13]:
w = q-AT/At (Вт/кг) (2)
где q - удельная теплоемкость композиционного материала, AT/At - скорость нагрева сердечника.
Результаты исследований
Для получения различных композиционных материалов, в первую очередь потерь на перемагничивание, использовались растворы и суспензии, приведенные в таблице 2. Измерения потерь выполнялись как на экспресс-магнетометре, так и прямым методом путем измерения скорости нагрева сердечника при работе в адиабатическом режиме. Из приведенной таблицы следует, что потери на перемагничивание для всех использованных покрытий, за исключением оксида титана, практически имеют одинаковые величины, вне зависимости от их свойств.
В этой связи определяющим в формировании свойств композиционных магнитных материалов являются непосредственно исходные свойства самого железного порошка. На рис.1 приведены результаты исследований зависимости потерь на перемагничивание от величины магнитной индукции на частоте 1 кГц для композиционных материалов на основе железных порошков ASC100.29, АВС100.30 и Atomet 1001HP.
Как видно из рис.1 потери максимальны для композиционных материалов на основе ASC100.29 и минимальны для материалов на основе АВС100.30. Можно предположить, что влияние на потери перемагничивания оказывает содержание углерода в исходных железных порошках (табл. 1). На рис.2 приведена зависимость величины потерь на перемагничивание от содержания углерода в исходных железных порошках.
Из приведенной таблицы следует, что потери на перемагничивание для всех использованных покрытий, за исключением оксида титана, практически имеют одинаковые величины, вне зависимости от их свойств.
На рис.3 приведены сравнительные кривые полевых зависимостей магнитной индукции в коммерческом материале Somaloy - 1, композиционном материале на железном порошке ABC100.30 при использовании в качестве изоляционного покрытия оксида титана - 2 и электротехнической стали 3412, толщиной ленты 0,35 мм - 3. Видно из рисунка, что проницаемость в SMC материале на основе АВС100.30 несколько выше. Технология изготовления обоих образцов была идентичной.
Таблица 2.
Потери в материале на основе ASC100.29 при одинаковых по объему добавках на
частоте 1 кГц
Тип изоляционного покрытия Индукция,Т Потери, Вт/кг
Р2О5 1,54 110
Р2 О5 + В2О3 1,52 115
СгО3 1,55 110
W = wj
2т
BN 1,58 120
В2О3 1,54 120
CHOH 1,5 150
SiО2 1,5 120
TiO2 1,5 65
140 -
120
100
(Л
ш
(Л (Л
о
80
60
40
—I— 1,0
—Г"
1,2
1,4
Induction, T
—I— 1,6
2,0
Рис.1 - Зависимость потерь от магнитной индукции для композиционных материалов на основе порошков ASC100.29 - 1, 1001НР - 2, АВС100.30 - 3. на частоте 1 кГц и одинаковой толщине изоляционного слоя на основе оксида бора
120-
115-
<л
Я 105 н
100 -
95-
90-
1,5 T, 1 kHz
ABC
1001HP
ASC100.29
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 Carbon content, %
0,010
Рис. 2 - Зависимость потерь SMC на основе железных порошков ABC100.30, Atomet1001HP и ASC100.29 на частоте 1 кГц и индукции 1.5 Т от содержания углерода
0 5 10 15 20 25
Magnetic field strength, kA/m
Рис.3 - Кривые намагничивания Somaloy -1, SMC на основе порошка АВС100.30 с изоляцией TiO2 - 2, Электротехнической стали 3412 (Э320) - 3. Somaloy - плотность после обжига р= 7,5 г/см3. SMC - плотность р= 7,7 г/см3.
Зависимость потерь на перемагничивание от величины магнитной индукции на частоте 1 кГц в Somaloy -1, композиционном материале на железном порошке АВС100.30 при использовании в качестве изоляционного покрытия оксида титана - 2 и электротехнической стали 3412 - 3 показаны на рис.4. Видно из рис.4, что потери
минимальны в SMC материале на основе порошка АВС100.30. При этом полевая зависимость потерь близка к линейной.
Результаты испытаний механических свойств сведены в таблицу 3, где приведены данные по пределу прочности в сравнении со сталями. Изготавливались образцы диметром 10мм и высотой 10мм и после их термической обработки определялся предел прочности. Видно из приведенной таблицы, что максимальное значения предела прочности характерно для композиционного материала с оксид титановой изоляцией. Минимальное значение характерно для материала с изоляцией на основе нитрида бора. В последнем случае адгезия изоляционного покрытия к частицам железа минимальна.
Таблица 3.
Предел прочности ов для композиционного материала с различными
изоляционными покрытиями, давление прессование 7,5 тн/см2 отжиг 400°С / 1 ч ас
Тип покрытия Ов , МПа Аналог
Фосфидное покрытие, 380 Ст.1
Оксид титановое покрытие, 510 Ст.5
Борооксидное покрытие, 320 Ст.0
Покрытие BN 270 Ст.0
180 160 140 ™ 120 100
со ф
00 80 о _1
60 40 20 0
Induction, T
Рис.4 - Потери в зависимости от индукции на частоте 1 кГц в Somaloy - 1 (или предыдущие наши изделия), SMC на основе порошка АВС100.30 с изоляцией TiO2 -2, листовой электротехнической стали 0,35 мм 3412 (Э320) - 3
Обсуждение результатов исследования
В отличие от магнитодиэлектриков, где каждая частица металла полностью изолирована и проводимость между частицами исключается, для композиционного магнитомягкого материала соседние частицы металла соединяются каналами проводимости с образованием общей зоны проводимости. Изоляция частиц металла в этом случае локальная, допускающая взаимный обмен электронами проводимости. В результате взаимного перетекания электронов формируется зона проводимости, в которой плотность заселенности поверхности Ферми определяется степенью перекрытия частиц металла. Величина степени перекрытия частиц в зависимости от толщины изоляционного покрытия может изменяться от нулевого значения, характерного для магнитодиэлектриков, до максимального значения, характерного для металла. При этом заселенность уровня Ферми меняется от минимальной
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
для магнитодиэлектрика Ef =Ef1 до максимального значения для металла Ef = Ef2.
Исходя из теории прямого обменного взаимодействия плотности электронов на поверхности Ферми как для металлического состояния, так и для композиционных материалов должны быть близки. В этом случае магнитные свойства металлического ферромагнетика и композиционного материала должны быть идентичны. Это условие может быть выполнено в случае композиционных магнитных материалов, если изоляция зерен будет локальной и иметь минимально возможную толщину. Как показали настоящие исследования, расчетная толщина изоляционного слоя должна быть нанометрового размера.
Приведенные результаты по зависимости потерь от содержания углерода можно рассмотреть со следующих позиций. Углерод в исходных порошках образует карбиды железа, которые являются центрами торможения доменных границ при перемагничивании композиционного материала. Как следствие этого, с увеличением содержания углерода растет значение коэрцитивной силы. материала и, как следствие, увеличиваются потери на перемагничивание. При использовании железного порошка с нулевым содержанием углерода расчетное уменьшение потерь в сравнении с их значениями для SMC на основе ABC100.30 не должно превышать 5%.
Что касается механических свойств, прочности композиционного материала, то в этом случае определяющую роль играет адгезия изоляционного слоя к металлу. Как показали исследования, максимальная прочность достигается в случае использования изоляционного слоя на основе оксида титана, минимальная прочность характерна для изоляции на основе гексагонального нитрида бора.
Проведенные исследования показали, что дальнейший прогресс в улучшении магнитных свойств композиционных материалов и, в первую очередь, достижения минимальных значений потерь, связан с улучшением свойств непосредственно железного порошка. Снижение дефектности зерен железного порошка, определяемой содержанием углерода, образующего карбиды железа, является одним из факторов роста коэрцитивной силы и снижения потерь на перемагничивание.
Заключение
В результате проведенных исследований по оптимизации свойств низкочастотного SMC материала впервые показано:
- SMC композиционные материалов имеют минимальные потери при использовании в качестве основы железных особо чистых порошков с минимальным содержанием углерода;
- минимальные потери в SMC материале достигаются при использовании в качестве изоляционного покрытия оксида титана;
- оптимальная расчетная толщина изоляционного покрытия составляет величину порядка 10-30 нм;
- максимальные значения прочности достигаются при использовании в качестве изоляционного покрытия оксида титана. Из приведенных результатов зависимостей потерь от величины магнитной индукции видно, что использование оксид титановых изоляционных покрытий позволяет существенно снизить потери на перемагничивание в сравнении с коммерческими SMC материалом и электротехническими сталями. В связи с практически нулевыми потерями на вихревые токи для разработанных SMC материалов можно рассматривать их применение для построения высокочастотных и высокооборотных электродвигателей и других изделий. В этой связи определено влияние толщины изоляционных покрытий на магнитные свойства SMC материала.
ЛИТЕРАТУРА
1. L.P. Lefebvre, S. Pelletier, C. Gelinas. Effect of electrical resistivity on core losses in soft magnetic iron powder materials. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1997, Vol.176, pp. 93-96.
2. Bingyang Meng, Jiexin Hou et al. Low-loss and high-induction Fe-based soft magnetic composites coated with magnetic insulating layers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019, Vol. 492, 165651.
3. Jingxin Li, Jing Yu et al. The preparation and magnetic performance of the iron-based soft magnetic composites with the Fe@Fe3O4 powder of in situ surface oxidation. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018, Vol. 454, pp. 103-109.
4. Говор Г.А., Ларин А.О. Магнитные свойства низкочастотного композиционного магнитомягкого материала. Перспективные материалы. №7, с.43-48, 2018.
5. Говор Г.А., Михневич В.В. Композиционные магнитомягкие материалы на основе порошков железа. Неорган. Материалы. 2007, т.43, №7, с.805-807.
6. Grande M.A., Ferraris L., Francici F.,Poskovic E. New SMC Material for Small Electric Machine. IEEE Transaction on Industry Applications, 2018, Vol.54, No.1, pp.195-203.
7. Xinran Y.,Yongjian L., Qingxin Y., Changgeng Z., Yang L., Xuehai G. Reseach of Harmonic Effects on Core Losses in SMC Materials. IEEE Transaction on Magnetic, 2019, Vol.55, No.2, pp.1-5.
8. Sustarsic B., Sirc A., Milyavec D. SMC materials in the design of small electric motors for domestic application // Euro PM 2004, Proc. conf. PM Functional Materials. — 2004. — 4— P. 629.
9. Skorman, B., Chzhou, E., and Jansson, P., RF Patent 2389099, 2010.
10. Jansson, P., Advance in soft magnetic composites, Symp. on Soft Magnetic Materials 98, Barcelona, 1998, no. 7.
11. Говор Г.А., Митюк В.И., Тамонов А.В. Способ изготовления композиционного магнитомягкого материала. Патент РФ №2465669. Опубл. 27.10.2012
12. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. М, 1980, 208 с.
13. Г.А.Говор, А.О.Ларин. А.К.Вечер, О.Ф.Демиденко, А.Р.Нормирзаев. Свойства композиционного магнитомягкого материала на основе железных порошков с покрытиями. Материалы конференции «Инновации в машиностроении, энергосберегающие технологии и повышение эффективности использования ресурсов». Том 1. 28-29 май 2021. 538-545 стр.
