Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 741-746

ВВЕДЕНИЕ

Высокоскоростные и сверхвысокоскоростные электромеханические преобразователи энергии используются и перспективны для дальнейшего применения в широком спектре наукоемких областей техники и отраслей промышленности, в частности, химической, текстильной, смежных с ними и других инновационных отраслей. Объективно в качестве таких преобразователей, в частности, в системах электроприводов, эффективны гистерезисные электромеханические преобразователи энергии, в электроприводе – в режиме гистерезисного электродвигателя [1, 2]. Получение и исследование магнитных и гистерезисных свойств и характеристик роторов гистерезисных электромеханических преобразователей энергии является важной задачей при создании перспективных систем на их основе.

Цель работы заключалась в исследовании вопросов получения высоких магнитных и гистерезисных свойств и характеристик роторов высокоскоростных и сверхвысокоскоростных гистерезисных электромеханических преобразователей энергии. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

• исследование магнитных и механических свойств магнитно-твeрдых сплавов Fe–Cr–Co, легированных молибденом и вольфрамом;

• дополнительные исследования механизма перемагничивания магнитно-твердых Fe–Cr–Co сплавов путем вращения магнитных моментов – векторов намагничивания однодоменных сильномагнитных частиц α1-фазы;

• разработка научных рекомендаций по упрощению технологий изготовления роторов гистерезисных электродвигателей и по использованию результатов для совершенствования гистерезисных электродвигателей.

Основное внимание было уделено материалам и сплавам системы Fe–Cr–Co, которая наиболее перспективна для активных частей – гистерезисных слоев – роторов гистерезисных электродвигателей. В качестве базовых материалов при исследованиях были выбраны два новых разработанных магнитно-твердых сплава системы Fe–Cr–Co: 30Х21К3М и 30Х20К2М2В. Интерес к этим сплавам связан с тем обстоятельством, что при повышении в них содержания Cr, Со и дополнительном легировании Mo и W существенно возрастает коэрцитивная сила Н_с по сравнению с магнитно-твердыми Fe–Cr–Co сплавами с содержанием 22–24% Cr и 12–15% Со.

ИССЛЕДОВАНИЯ, РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На анизотропном сплаве 30Х21К3М получены: остаточная индукция B_r = 1.0 Тл, коэрцитивная сила Н_cВ = 77.6 кА/м и максимальное энергетическое произведение (В ∙ Н)_макс = 31.2 кДж/м³, тогда как в изотропном состоянии: B_r = 0.82 Тл, Н_сВ = 57.8 кА/м и (В ∙ Н) _макс = 16.4 кДж/м³. На сплаве Fe–30Cr–20Co–2Mo–2W получено максимальное значение коэрцитивной силы Н_сВ ~ ~ 80 кА/м при остаточной индукции B_r > 0.9 Тл и максимальном энергетическом произведении (В ∙ Н)_макс > 30 кДж/м³, что сравнимо с параметрами сплава ЮНДК35Т5, содержащего 35% Со, при дополнительном превосходстве в несколько раз над ним по механическим свойствам.

Получены регрессионные уравнения B_r, Н_сВ и (В ∙ Н)_макс для обоих сплавов, адекватно описывающие эти величины в области варьирования используемых факторов, а также построены поверхности отклика и их сечения в фазовом пространстве факторов термической обработки. Исходя из соотношения остаточной индукции магнитного поля в анизотропном и изотропном состояниях и анализа кривых намагничивания образцов в высококоэрцитивном состоянии, выдвинута гипотеза об уточнении модели механизма перемагничивания магнитно-твердых сплавов данного класса.

Магнитно-твердые сплавы системы Fe–Cr–Co образуют отдельный подкласс, связанный с уникальным сочетанием магнитных, гистерезисных и механических: прочностных и пластических свойств [3–7]. Только Fe–Cr–Co сплавы, в отличие от всех других магнитно-твeрдых материалов, поддаются всем видам обработки металлов давлением и лезвийной обработке в высококоэрцитивном состоянии и, кроме того, они превосходят все другие магнитно-твeрдые материалы по механическим свойствам в 8–10 раз.

В работе [6] было показано, что магнитно-твердые Fe–Cr–Co сплавы с содержанием 10–15% Со не только могут быть заменой всех существующих дорогостоящих деформируемых магнитно-полутвeрдых сплавов типа 52К5Ф, 35КХ4Ф, содержащих 35–52% Со, традиционно использовавшихся для изготовления активных частей роторов гистерезисных электродвигателей, но и значительно упрощают технологию производства роторов таких электродвигателей и, соответственно, самих электродвигателей.

Исследованные сплавы получали как традиционным методом выплавки в открытой индукционной печи с разливкой в корковые формы, в частности, сплав Fe–30Cr–21Co–3Mo, так и методом порошковой металлургии. Изучение магнитных гистерезисных свойств исследованных сплавов и оптимизацию режимов термической обработки проводили как методом однофакторного эксперимента, так и методом планирования эксперимента с построением центральных композиционных планов 23 + звездные точки [8].

Исходя из существующего представления о механизме формирования высококоэрцитивного состояния в магнитно-твердых сплавах Fe–Cr–Co [9], считают, что в общем случае, как правило, магнитные гистерезисные свойства материала или сплава зависят от следующих обстоятельств:

1) температуры закалки на α-твердый раствор;

2) температуры проведения изотермической термомагнитной обработки (ИТМО); времени проведения ИТМО;

3) времени проведения отпуска при 600°С (или скорости охлаждения от температуры ИТМО до 600°С);

4) скорости охлаждения в интервале 600–500°С.

Кроме того, влияют и другие факторы, например, скорость нагрева до температуры ИТМО, которые были по возможности стабилизированы.

При изучении анизотропных образцов в качестве нулевых (начальных) точек был выбран режим: ИТМО 640°С (30 мин) + охлаждение до 500°С со скоростью 5°С/ч с варьированием температуры ИТМО ± 5°С (фактор А), времени ИТМО ± 10 мин (фактор В), скорости охлаждения ± 2°С/ч (фактор С). Для изотропных образцов нулевой режим: отпуск 620°С (2 ч) + охлаждение от температуры отпуска до 500°С со скоростью 7°С/ч с варьированием температуры отпуска ± 100°С (фактор А), времени отпуска ± 1 ч (фактор В), скорости охлаждения ± 2°С/ч (фактор С). Результаты проведeнных экспериментов совместно с матрицей планирования для анизотропных и изотропных образцов сплавов приведены в табл. 1.

Статистический анализ данных табл. 1 дает возможность получить аналитические зависимости в виде регрессионных уравнений остаточной индукции B_r, коэрцитивной силы Н_сВ и максимального энергетического произведения (В ∙ Н)_макс от выбранных факторов варьирования.

На рис. 1 приведены стандартизованные диаграммы Парето, которые позволяют оценить статистическую значимость коэффициентов уравнений регрессии. Необходимо отметить, что указанные коэффициенты статистически значимы, когда вертикальная линия на диаграмме пересекает столбчатое изображение соответствующего коэффициента.

Рис. 1.

Стандартизованные диаграммы Парето анизотропного сплава 30Х21К3М: a – для остаточной индукции B_r, б – для коэрцитивной силы по индукции Н_сВ, в – для максимального энергетического произведения (В ∙ Н)_макс (в).

Из приведенных стандартизованных диаграмм видно, что остаточная индукция B_r описывается линейным уравнением следующего вида

Здесь свободный член дает среднее значение индукции B_r сплава в анизотропном состоянии в выбранных пределах варьирования факторов.

Из диаграммы Парето следует: в уравнении регрессии коэрцитивной силы Н_сВ статистически значимым оказывается квадратичный член АС:

Диаграмма Парето для максимального энергетического произведения (В ∙ Н)_макс показывает, что оно не зависит от факторов варьирования:

Полезную и наглядную информацию с технологической точки зрения дает вид поверхностей отклика в фазовом пространстве варьируемых факторов и особенно сечения этих поверхностей. На рис. 2 приведены поверхности отклика для величин B_r, H_cB и (В ∙ Н)_макс с соответствующими сечениями для анизотропного сплава 30Х21К3М. Следует заметить, что величина B_r изотропных образцов, равная 0.8 Тл, примерно на 30% превышает величину B_r , которая должна быть 0.5 Тл согласно модели Стонера–Вольфарта [10].

Рис. 2.

Оценка поверхностей отклика анизотропного сплава 30Х21К3М и их сечения: a – остаточной индукции B_r, б – коэрцитивной силы Н_сВ, в – максимального энергетического произведения (В ∙ Н)_макс (в) (фактор С = 0).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведeнными исследованиями установлено, что разработанные два новых магнитно-твердых сплава системы Fe–Cr–Co: 30Х21К3М и 30Х20К2М2В, обладают высокими значениями коэрцитивной силы по индукции (свыше 70 кА/м), превосходя по этому показателю широко используемые сплавы ЮНДК и практически не уступая им по другим магнитным гистерезисным свойствам.

Механизм перемагничивания магнитно-твердых Fe–Cr–Co сплавов путем вращения магнитных моментов однодоменных сильномагнитных частиц σ1-фазы, обогащенных Fe и Со, не так очевиден, как считается в настоящее время. Вопрос о механизме влияния внешнего магнитного поля и о процессе формирования магнитных гистерезисных свойств в Fe–Cr–Co сплавах требует дополнительных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.

По своим механическим свойствам, по прочности (свыше 1000 МПа) и, главное, по технологичности, то есть способности подвергаться разным видам обработки металлов давлением и лезвийной обработке, разработанные новые магнитно-твердые Fe–Cr–Co сплавы на порядок превосходят сплавы ЮНДК.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и ГФЕН Китая в рамках научного проекта № 19-58-53025 ГФЕН-а и № 18-58-53047 ГФЕН-а.