способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой

Формула изобретения

1. Способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, включающий обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах, отличающийся тем, что в качестве исходного железосодержащего материала используют природный порошковый железосодержащий материал следующего фазового состава, мас.%:

Fе₂О₃ - 93,00-99,30

FeO - 0,20-2,00

SiO₂ - 0,20-3,00

Cопутствующие примеси - Остальное

обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице проводят в течение времени, необходимого для его преобразования в промежуточный железосодержащий материал, в фазовом составе которого имеется FeO, -Fe, аморфная фаза, SiO₂, сопутствующие примеси, а также может присутствовать Fе₃O₄, а термообработку полученного железосодержащего материала проводят в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10^-1 мм pт.ст., при температуре отжига, равной 200-400^oС и в течение времени не менее 1 ч до получения в результате магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой следующего фазового состава: Fе₃О₄, -Fe, FeO, SiO₂, сопутствующие примеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку исходного железосодержащего материала проводят в высокоэнергетической центробежной мельнице с двумя герметизируемыми барабанами, в которые загружаются измельчаемый материал и рабочие тела.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 3-7 ч.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рабочие тела выполнены из стали марки ШХ40 и имеют диаметр 2-4 мм.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что соотношение масс исходного измельчаемого материала и рабочих тел составляет 1:20.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения постоянных порошкообразных магнитов с нанокристаллической структурой и может быть использовано при производстве высокоэнергетических постоянных магнитов на основе природного железосодержащего порошкообразного материала.

Изобретение может найти применение в электротехнике, в частности в электросчетчиках, генераторах тока и напряжения, электродвигателях, записывающих и воспроизводящих устройствах акустических и телевизионных приборов, а также в различных электробытовых приборах.

Известен способ получения магнитотвердого композиционного материала, включающий обработку исходного железосодержащего материала в мельнице (US 5482573 A, МПК7 H 01 F 1/055, 09.01.1996).

Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава нанокристаллической структуры с высокими магнитными свойствами.

Известен также способ получения магниготвердого композиционного материала, включающий обработку исходного железосодержащего материала в мельнице (JP 4-22011 B1, 25.10.83, кл. H 01 F 1/06).

Недостатком указанного способа является невозможность получения магниготвердого материала заданного фазового состава нанокристаллической структуры с высокими магнитными свойствами.

Прототипом изобретения является способ получения магниготвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, включающий обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах (US 5403407 A, МПК7 H 01 F 1/053, 04.04.1995).

Недостатком указанного способа является невозможность получения магнитотвердого материала заданного фазового состава с высокими магнитными свойствами с использованием в качестве исходного сырья природного железосодержащего материала.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в обеспечении возможности использования природного сырья в виде порошкообразного железосодержащего материала для получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой, за счет фазового состава и структуры которого достигаются высокие магнитные свойства.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ получения магнитотвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой включает обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической мельнице, в которую загружают измельчаемый исходный железосодержащий материал и рабочие тела, выполненные в виде стальных шариков, получение промежуточного железосодержащего материала и его термообработку в печах.

Отличие способа заключается в том, что в качестве исходного железосодержащего материала используют природный порошковый железосодержащий материал следующего фазового состава, мас.%:

Fе₂О₃ - 93,00-99,3

FeO - 0,20-2,00

SiO₂ - 0,20-3,00

Сопутствующие примеси - Остальное

Обработку исходного железосодержащего материала проводят в высокоэнергетической мельнице в течение времени, необходимого для его преобразования в промежуточный железосодержащий материал, в фазовом составе которого имеются FeO, -Fe, аморфная фаза, SiO₂, сопутствующие примеси, а также может присутствовать Fе₃О₄.

После этого проводят термообработку полученного железосодержащего материала в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10^-1 мм рт.ст., при температуре отжига, равной 200^oС-400^oС и в течение времени не менее 1 часа.

В результате этих операций получают магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой следующего фазового состава: Fe₃O₄, -Fe, FeO, SiО₂, сопутствующие примеси.

В конкретных случаях отличие способа заключается в том, что обработку исходного железосодержащего материала проводят в высокоэнергетической центробежной мельнице с двумя герметизируемыми барабанами, в которые загружаются измельчаемый материал и рабочие тела.

Кроме того, в конкретных случаях выполнения способа обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 3-7 часов.

В частных случаях рабочие тела выполняют из стали марки ШХ40 и имеют диаметр 2-4 мм.

Кроме того, в конкретных случаях выполнения способа соотношение масс исходного измельчаемого материала и рабочих тел составляет 1:20.

Также в конкретных случаях выполнения способа оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.

В предложенном способе в результате обработки в высокоэнергетической мельнице природного порошкообразного крупнозернистого материала, например, имеющегося в отходах железосодержащих месторождений в Индии, получают измельченный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой и измененным фазовым составом. Полученный таким образом материал обладает хорошими магнитными свойствами (коэрцитивная сила по намагниченности порядка 400 Э).

Дальнейший рост магнитных свойств достигается посредством термообработки измельченного материала, при котором происходит практически полный распад FeO и аморфной фазы на две магнитные фазы: магнетит Fе₃O₄ и -Fe.

В итоге полученный материал обладает высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила по намагниченности (Н_cI) около 600 Э, намагниченность насыщения (4I_s) около 9,2 кГс, остаточная намагниченность (4I_г) около 4,6 кГс.

Пример выполнения способа.

В качестве исходного материала при осуществлении способа используют природный порошковый железосодержащий материал. Природное сырье такого вида имеется, например, в виде отходов месторождений в Индии. Это - так называемый порошок "blue dust".

Один из примеров состава используемого в способе порошка приведен в таблице 1.

Указанный материал является крупнозернистым, средний размер зерен в этом порошке составляет 23-40 мкм.

Исходный железосодержащий материал и рабочие тела - шарики из стали марки ШХ40 диаметром 2-4 мм загружают в высокоэнергетическую центробежную мельницу с двумя герметизируемыми барабанами.

Соотношение масс исходного измельчаемого материала и стальных шариков составляет 1:20.

Обработку исходного железосодержащего материала в высокоэнергетической центробежной мельнице проводят в течение 3-7 часов.

Оптимальная скорость вращения вала высокоэнергетической центробежной мельницы составляет 1235 об/мин.

В результате такой обработки происходит преобразование исходного железосодержащего материала в промежуточный железосодержащий материал, в фазовом составе которого имеются FeO, -Fe, аморфная фаза, SiO₂, сопутствующие примеси, а также может присутствовать Fе₃O₄.

Результаты обработки приведены в таблице 2, где показано содержание и размер зерен железосодержащих фаз в полученном промежуточном материале в зависимости от времени обработки исходного материала в мельнице.

Как видно из таблицы 2, в результате обработки природного порошкообразного материала в высокоэнергетической мельнице получают композиционный материал с нанокристаллической структурой. Размер блоков порядка 100 А. В отличие от исходного этот порошок имеет свойства, характерные для магнитотвердых материалов: коэрцитивная сила по намагниченности около 400 Э, остаточная намагниченность около 1 кГс.

Далее проводят термообработку промежуточного железосодержащего материала в вакуумных печах при остаточном давлении не менее 10^-1 мм рт.ст. Температура отжига равна от 200^oС до 400^oС. Отжигают материал в печах в течение времени не менее 1 часа до получения в результате магниготвердого композиционного материала с нанокристаллической структурой следующего фазового состава: Fe₃O₄, -Fe, FeO, SiO₂, сопутствующие примеси.

Результаты термообработки приведены в таблице 3, где показано содержание и размер блоков железосодержащих фаз в полученном конечном материале в зависимости от режима отжига.

Как видно из результатов, приведенных в таблице 3, на этой стадии обработки материала происходит практически полный распад фазы FeO и аморфной фазы на две ферромагнитные фазы: магнетит Fе₃О₄ и -Fe, т.е. формируется благоприятный фазовый состав железосодержащего материала для дальнейшего роста его магнитных свойств.

В итоге полученный магнитотвердый композиционный материал с нанокристаллической структурой обладает высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила по намагниченности около 600 Э, намагниченность насыщения порядка 9,2 кГс, остаточная намагниченность порядка 4,7 кГс.

Полученный порошковый материал близок по свойствам к ряду промышленных сплавов Fe-Al-Ni, Fe-Al-Ni-Co и может быть использован достаточно широко в различных областях электротехники.