Тимофеев Игорь Александрович. Разработка технологий изготовления порошковых магнитных материалов для электротехнических изделий

Краткое описание

Тимофеев Игорь Александрович. Разработка технологий изготовления порошковых магнитных материалов для электротехнических изделий : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.02 / Тимофеев Игорь Александрович; [Место защиты: ГОУВПО "Московский энергетический институт (технический университет)"].- Москва, 2009.- 234 с.: ил.

Содержание к диссертации

Введение
1.Основные сведения о разработке материалов для магнитопроводов13
1.1. Диаграмма состояния и кристаллическая структура сплава кремния с железом 13
1.2. Физические свойства слиткового сплава кремния с железом 15
1.3. Свойства спеченных материалов, полученных из железного порошка ... 18
1.4. Свойства спеченных магнитомягких изделий из сплава кремния с железом 21
1.5. Классификация дефектов кристаллической решетки магнитных материалов 30
1.6. Влияние дислокаций на свойства магнитных материалов 31
1.7. Доменная структура сплава кремния с железом 37
1.8. Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования 41
2. Экспериментальные методы исследования 45
2.1. Способы получения исходных материалов 45
2.2. Пресс-формы для изготовления магнитных материалов методом порошковой металлургии 47
2.3. Методика изготовления элементов магнитных систем 48
2.3.1. Приготовление шихты 48
2.3.2. Дозирование порошковой шихты 49
2.3.2. Формирование изделий из порошковой шихты 52
2.3.4. Сушка прессованных изделий 53
2.3.5. Спекание и термическая обработка элементов магнитных систем... 54
2.3.6. Способ получения монокристаллов 54
2.4. Диагностика элементов магнитных систем 54
2.4.1. Измерение пористости 54
2.4.2. Определение влажности 55
2.4.3. Оценка формуемости 55
2.4.4. Исследование ферромагнитных свойств полученных материалов... 57
2.4.5. Методика исследования удельных магнитных потерь 58
2.5. Диагностика микроструктуры элементов магнитных систем 59
2.5.1. Подготовка шлифов для прямого наблюдения микроструктуры 60
2.5.2. Выявление дислокационной структуры 60
2.5.3. Выявление доменной структуры 62
2.6. Диагностика механической прочности 62
2.6.1. Механические испытания спеченных образцов 62
2.6.2. Испытание спеченных магнитных систем на механическую износостойкость 63
3.Влияние структуры материалов, полученных методом порошковой металлургии (МПМ), на магнитные свойства65
3.1. Спекание материалов для магнитопроводов 65
3.2. Влияние температуры спекания на дислокационную структуру материалов, полученных МПМ 66
3.3. Влияние времени спекания на дислокационную структуру материалов, полученных МПМ 71
3.4. Зависимость коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости от плотности дислокаций и концентрации доменов для материалов, полученных МПМ 77
3.5. Исследование удельных потерь материалов, полученных МПМ 91
4.Разработка технологического процесса для изготовления элементов магнитных систем на основе МПМ101
4.1. Влияние скорости охлаждения и термомагнитной обработки на магнитные и технологические свойства материалов, полученных МПМ 101
4.2. Исследование технологического процесса создания изоляционных слоев элементов магнитных систем 105
4.3. Совмещенный способ антикоррозийного покрытия и пропитки элементов магнитных систем 107
4.4. Способ повышения механической износостойкости элементов магнитных систем 111
4.5. Исследование магнитно-импульсного прессования элементов магнитных систем 116
4.6. Разработка критической технологии для изготовления элементов магнитных систем, полученных методом жидкофазного спекания (МЖФС) 128
4.7. Физико-механические свойства материалов, полученных по технологии МПМ 142
4.8. Вероятностно-статистический анализ технологической точности и качества изготовления магнитных систем 146
5.Разработка технологических методов изготовления элементов магнитных систем, полученных МПМ151
5.1. Зависимость характеристик электромагнитов, полученных из материалов МПМ 151
5.2. Применение матричной формы схемы прессования 161
5.2.1. Прессование без вариаций давления 161
5.2.2. Прессование с эквидистанционной вариацией давления 163
5.2.3. Прессование при дифференциальном давлении 168
5.2.4. Прессование композиционных элементов магнитных систем на основе сочетания магнитомягких и магнитотвердых материалов (МММ и МТМ)171
5.3. Механическая износостойкость слоистых магнитных систем 176
5.4. Магнитные свойства характеристик реле в сравнении с зарубежными аналогами 183
6.Применение элементов технологии изготовления магнитопроводов МПМ в современных электротехнических устройствах192
6.1. Создание сердечника с равномерной коллимацией магнитного потока для электромагнитного механизма с внешним поворотным якорем клапанного вида 192
6.2. Проектирование Ш-образных элементов магнитных систем переменного тока для магнитных пускателей 220
6.3. Разработка магнитной системы маломощного синхронного двигателя с постоянными магнитами 225
6.4. Проектирование магнитной системы индукторного генератора 232
6.5. Разработка магнитной системы асинхронного двигателя 238.
6.6. Исследование магнитной системы трансформатора малой мощности 247
6.7. Исследование магнитной системы однофазного индукционного счетчика 256
6.8. Создание магнитной системы электромагнитного аппарата с полым сердечником.. 264
Заключение 276
Литература 280
Приложения 301

Свойства спеченных материалов, полученных из железного порошка
Пресс-формы для изготовления магнитных материалов методом порошковой металлургии
Влияние температуры спекания на дислокационную структуру материалов, полученных МПМ
Совмещенный способ антикоррозийного покрытия и пропитки элементов магнитных систем

Введение к работе

Актуальность темы.Разработка новых материалов, необходимых для решения различных электротехнических задач, совершенствование уже известных материалов с целью получения более высоких эксплуатационных характеристик электротехнических изделий, являются важнейшими направлениями, определяющими развитие электротехники и электротехнической промышленности.
Магнитные материалы широко применяются в самых различных классах электротехнических изделий, их электромеханические характеристики в значительной мере определяют эксплуатационные характеристики электротехнических изделий, их механическую износостойкость, надежность, рабочую температуру и т. п.
Одним из прогрессивных методов формирования элементов изделий из магнитных материалов являются методы порошковой металлургии, которая на сегодня используется в основном для получения элементов конструкционных деталей, несущих в основном механические нагрузки.
Использование указанных технологических методов для рабочих элементов электротехнических конструкций (сердечников, магнитопроводов, магнитных шунтов и т. п.) поставило задачу проведения комплекса физических и технологических исследований по получению магнитных материалов с повышенными магнитными характеристиками.
Из-за неэффективной эксплуатации энергии и ресурсов образовался огромный резерв неиспользованного экономического и технического потенциала. Часто электротехнические изделия проектировались без расчета размеров магнитных систем, с нерациональным использованием электрической энергии, с большими отходами электротехнической стали в металлолом и непроизводительными расходами обмоточной меди, без учета магнитных характеристик для реальных изделий.
Проведение исследований, результаты которых изложены в диссертации, осуществлялось в соответствии с постановлением Правительства Российской
Федерации № 80 от 25 января 1998 г. «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998-2005 годы» и на основании Указа Президента РФ В. В. Путина № ПР-578 от 30 марта 2002 г. «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ и Перечень критических технологий РФ».
Созданию новой инновационной технологии получения магнитных материалов и посвящена настоящая работа и как показали проведенные исследования она позволяет сократить трудоемкость операций изготовления магнитных элементов, способствует снижению себестоимости изделий, экономии магнитных материалов, высвобождению прокатного, штамповочного, металлорежущего станочного оборудования, широко используемого в современной технологии производства элементов магнитных цепей.
Изделия, изготовленные по методу порошковой металлургии, найдут применение во многих отраслях промышленности. Особое значение в наших условиях имеет решение задач организация исследования технологий магнитных материалов, налаживания новых технологических процессов изготовления и создания новых конструкций изделий.
Актуальность работ можно выразить в следующей концентрированной форме:
1. Необходимость создания новых магнитных материалов, превосходящих по своим магнитным свойствам существующие материалы (по коэрцитивной силе, максимальной магнитной проницаемости, удельным потерям);
2. Необходимость развития теоретических положений взаимодействия доменных границ со структурными дефектами, влияющими на магнитные свойства;
3. Отсутствием эмпирических данных по специфике создания магнитных материалов методом порошковой металлургии.
Приведенная работа восполняет пробел, который имеет место в данной отрасли науки и техники.
" 7
Цель работы.Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Целью работы является установление реальной физической природы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков, развитие теории и методов технологии изготовления магнитных материалов, позволяющих на основе энерго- и ресурсосбережения разработку новых конструкций электротехнических агрегатов и изделий с высокими электромеханическими характеристиками.
Научная новизна.
4. Разработана теория влияния структурных дефектов типа дислокаций и плотности доменов относительно их кинематических характеристик взаимодействия в порошковых магнитомягких материалах на коэрцитивную силу, максимальную магнитную проницаемость, удельные потери и удельное электрическое сопротивление.
5. Определение области изменения параметров разработанной теории для магнитомягких материалов, полученных методом порошковой металлургии.
6. Разработан матричный формализм процесса прессования слоистых магнитных материалов, который дает возможность формировать градиентные характеристики изделий электротехники по фазе и амплитуде.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
развитие теоретических положений намагничивания и перемагничивания магнитомягких материалов;
методологические закономерности формообразования и спекания порошковых магнитомягких материалов;
результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов изготовления магнитопроводов в отличие от известных технологических процессов;
новые классы магнитных систем переменного тока
методы оптимизации параметров магнитопроводов постоянного тока;
- результаты внедрения технологических процессов изготовления магнитопровода и магнитных систем в производство, практику проектирования и учебный процесс.
Практическая ценность и реализация результатов работысостоят в
следующем:
внедрении прессованных и спеченных магнитопроводов с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний на контакторах типа МПМК-1, изготовленных по чертежам ГЛЦИИ 757.235.002 в соответствии с представленными чертежами автора. Спеченные магнитопроводы изготавливаются на Кинешемском заводе «Электроконтакт» и используются на указанных контакторах с 1999 г. Внедрение разработанной технологии позволило повысить максимальную магнитную проницаемость, снизить коэрцитивную силу и повысить механическую износостойкость аппарата;
внедрении прессованных и спеченных магнитопроводов с проведением опытно-промышленных и эксплуатационных испытаний на Броварском заводе порошковой металлургии. Спеченные магнитопроводы монтируются и комплектуются с другими деталями и затем собираются в кнопочные элементы типа ВП-51 (ЦМ 7774005), которые в последствии устанавливаются в порталах для автоматического управления высотными гражданскими лифтами типа У-0,71 МС. Спеченные магнитопроводы позволяют повысить физико-механические свойства, исключить трудоемкие операции обработки и получать сложные конструктивные формы деталей практически без потерь исходного сырья;
- использование технологического процесса изготовления спеченных слоистых магнитопроводов. Спеченные слоистые магнитопроводы используются для изготовления магнитных систем на реле типа РПУ-1 во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте релестроения (ВНИИР), что позволило снизить электрические потери до 0,5 Вт/кг для магнитной индукции 1,0 Т и частоте