Введение

В области электро- и радиотехники, приборостроения активно развиваются новые технологии, в которых используются высокоэнергетические постоянные магниты. Литые постоянные магниты из сплавов системы Fe–Al–Ni–Co (сплавов типа ЮНДК) с кристаллической и магнитной текстурами обладают высоким уровнем магнитных свойств. Постоянные магниты из сплава типа ЮНДК используют в устройствах, в которых рабочая температура достигает 550 °С: в качестве деталей электротехнических изделий и сверхвысокочастотной техники, в приборах навигационной техники. Сплавы типа ЮНДК уступают высокоэнергетическим порошковым магнитам по максимальному энергетическому произведению и коэрцитивной силе, однако обладают высокой рабочей температурой, поэтому их нельзя заменить при производстве ответственных устройств и приборов [1, 2].

Сплавы типа ЮНДК являются дисперсионно-твердеющими, их магнитные свойства обусловлены уникальностью структуры, которая формируется при распаде высокотемпературного твердого раствора α → α₁ + α₂ с выделением анизотропной формы α₁-фазы (сильномагнитной фазы, обогащенной Fe и Co) и α₂-фазы (немагнитной фазы, обогащенной Ni и Al). Расположение частиц α₁-фазы ориентировано вдоль семейства направлений матрицы <001>.

Изучение влияния термомагнитной обработки позволило увеличить уровень магнитных свойств сплавов типа ЮНДК. При термомагнитной обработке частицы сильномагнитной α₁-фазы выделяются вдоль направления приложения магнитного поля, ближайшего к кристаллографическому направлению <001>. Дальнейшее улучшение магнитных свойств сплавов возможно за счет более совершенной кристаллической структуры, которая формируется путем создания на фронте кристаллизации температурного градиента, приводящего к получению макроструктуры столбчатых кристаллов, оси которых совпадают с кристаллографическим направлением <001>.

В расплавленном металле всегда присутствуют растворимые и нерастворимые примеси, которые могут существенно влиять на процесс кристаллизации, изменяя скорость образования центров кристаллизации при определенной степени переохлаждения. Таким образом, характер процесса зависит от того, достаточно ли степени переохлаждения для образования новых центров кристаллизации или же затвердевание будет происходить в результате роста уже имеющихся кристаллов. В ходе направленной кристаллизации столбчатые кристаллы растут в направлении теплового потока и ориентируются вдоль кристаллографического направления <001>. Наличие в жидком металле частиц нерастворимых примесей, например сульфидов железа, способствует зарождению новых центров кристаллизации и сдвигу температуры зарождения новых кристаллов в область меньшего переохлаждения [1, 3], что облегчает формирование регламентированной структуры.

Столбчатую кристаллическую структуру в материале можно создать следующими способами: литье с применением направленной кристаллизации в специальной установке при неподвижной литейной форме; литье в формы с сотовыми ячейками, установленными на специальный холодильник; литье в холодные песчаные формы с системой обогрева металла металлом; высокочастотный нагрев формы. Во всех перечисленных методах столбчатая структура образуется за счет того, что в литейной форме аккумулируется достаточное количество тепла от внешнего источника или от самого металла, а направленный теплоотвод по оси отливки проводится с использованием массивного водоохлаждаемого холодильника, на котором установлена литейная форма [3]. Однако описанные приемы кристаллизации имеют недостаток – неконтролируемо изменяющийся градиент температуры. После перемещения кристаллизатора из высокотемпературной зоны печи разность температур снижается, в результате в сплаве начинают расти равноосные «паразитные» зерна.

В авиационной промышленности для изготовления лопаток газотурбинных двигателей направленную кристаллизацию никелевых сплавов проводят с применением затравок и жидкометаллического охладителя (оловянного или алюминиевого) в специальных установках высокоградиентной направленной кристаллизации [4–7]. Данная технология позволяет получить температурный градиент вплоть до 150 °C/см. Такой способ позволяет контролировать температурный градиент по всей высоте отливки, что не достигается при литье с использованием водоохлаждаемого холодильника [8–13].

В настоящее время исследование постоянных магнитов из сплавов типа ЮНДК (в зарубежной терминологии – Alnico) продолжается. Теоретические предпосылки, изложенные в работе [14], показывают, что благодаря возможности совершенствования структуры, отвечающей за высококоэрцитивное состояние магнитов, есть резерв для улучшения эксплуатационных характеристик сплавов Alnico: коэрцитивную силу можно увеличить в 2 раза, максимальное энергетическое произведение – с 10,5 до ~21 МГс·Э. Таким образом, современные исследования литых магнитных материалов преимущественно направлены на совершенствование структуры высококоэрцитивного состояния магнитов [15, 16] за счет термообработки [17, 18] и легирования [19–22]. В работе [15] также упоминается о том, что магнитные свойства постоянных магнитов из сплавов типа ЮНДК тесно связаны с термомагнитной обработкой материала.

Продолжается изучение температурной стабильности магнитов из сплавов типа ЮНДК. В работе [23] исследовано влияние отжига на микроструктуру данных магнитов. Авторы показали, что продолжительность низкотемпературного старения влияет на структуру высококоэрцитивного состояния магнитного материала. Трехступенчатый отжиг приводит к перераспределению компонентов между α₁- и α₂-фазами, а также более дисперсному расположению частиц, что в свою очередь способствует повышению температурной стабильности сплава.

Большое распространение получили исследования спеченных и быстрозакаленных магнитов Alnico в виде смесей или добавок с редкоземельными магнитами из сплавов систем Nd–Fe–B и Sm–Co [24–32], однако до промышленных технологий они не доведены. Разработаны различные методы производства постоянных магнитов с помощью аддитивных технологий: селективное лазерное плавление (SLM), селективное лазерное спекание (SLS) и др. [33–35]. При использовании аддитивных технологий расход материалов снижается, появляется возможность создавать магниты с более высоким уровнем магнитных свойств по сравнению с порошковыми магнитами из сплавов типа ЮНДК. Благодаря постоянному развитию процессов аддитивного производства можно получать уникальную микроструктуру изделия, а также изменять ее
[36–39]. Эксплуатационные характеристики магнитов, полученных с помощью аддитивных методов, приближаются к характеристикам магнитов промышленного производства, но технологии нуждаются в совершенствовании.

Приведенные исследования представляют научный интерес, однако существенные достижения в настоящее время не декларируются, что обуславливает актуальность совершенствования современных промышленных технологий.

Цель данной работы – изучить влияние параметров направленной кристаллизации на структуру и свойства постоянных магнитов из сплава ЮНДКБА, а также на выход годного по магнитным свойствам для определения возможности их промышленного изготовления с использованием установки высокоградиентной направленной кристаллизации типа УВНК-9А.

Материалы и методы

Шихтовую заготовку сплава ЮНДКБА выплавили в индукционной печи ВИАМ-2002 в газовой атмосфере аргона в основном тигле, позволяющем уменьшить газонасыщенность материала и содержание неметаллических включений, которые снижают технологичность сплава. Химический состав полученного сплава определяли методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой, содержание серы и углерода – с использованием газоанализатора.

Литье заготовок проводили методом направленной кристаллизации в атмосфере аргона на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-9А. Заливку проводили в керамическую форму, изготовленную из материала Al₂O₃ (рис. 1). Керамическая форма для установки УВНК-9А имеет 9 отсеков с установленными в их основании затравками, обеспечивающими передачу кристаллографической ориентации отливке. В качестве затравок использованы монокристаллические и блочные затравки из сплавов систем Fe–Cr и Ni–W.

Рис. 1. Керамическая форма

В процессе направленной кристаллизации изменяли температуры нагрева металла и формы, а также скорость перемещения формы в жидкометаллический охладитель. Определяли химический состав полученных заготовок с направленной структурой, содержание примесей и газов, контролировали фазовый состав методом оптической металлографии.

Для обработки заготовок магнитов из сплава ЮНДКБА со столбчатой зеренной структурой на высококоэрцитивное состояние проводили гомогенизационный отжиг при температуре существования однофазного α-твердого раствора, а затем термомагнитную обработку с последующим отпуском. При термомагнитной обработке сильномагнитные частицы α₁-фазы выделяются вдоль приложения магнитного поля, тем самым обеспечивая магнитную текстуру в материале. При отжиге компоненты между α₁- и α₂-фазами окончательно перераспределяются, что обеспечивает высокий уровень магнитных свойств.

После направленной кристаллизации анализировали микроструктуру полученных магнитов с использованием оптического микроскопа при увеличениях ×100, ×200, ×500 и ×1000. Для выявления микроструктуры проводили травление трехкислотным травителем (92HCl + 3HNO₃ + 5H₂SO₄).

Для определения отклонения кристаллографического направления <001> зерен от оси отливки провели рентгеновский контроль с использованием дифрактометра ДРОН-4.

Магнитные свойства определяли методом медленно меняющегося поля на гистерезисграфе Permagraph С-300, предназначенном для измерения параметров петли гистерезиса ферромагнитных материалов с коэрцитивной силой >20 кА/м в магнитном поле напряженностью до 400 кА/м.

Структуру высококоэрцитивного состояния исследовали с использованием просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе JEM-1400 фирмы Jeol.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Состав полученного сплава ЮНДКБА соответствовал требованиям ГОСТ 17809–72. Содержание основных компонентов, %:

Содержание примесных элементов не превышало 1 % для каждого.

Результаты, представленные в таблице, позволяют оценить степень влияния параметров направленной кристаллизации, состава и типа затравок на выход годного по магнитным свойствам постоянных магнитов из сплава ЮНДКБА.

Параметры направленной кристаллизации

и выход годного для магнитов из сплава ЮНДКБА

Для достижения высокого уровня эксплуатационных характеристик при изготовлении магнитов из сплава ЮНДКБА использовали технологию направленной кристаллизации, которая обеспечивает получение в постоянных магнитах монокристаллической структуры с заданной кристаллографической ориентацией. Применение вакуумных установок высокоградиентной направленной кристаллизации типа УВНС и УВНК позволяет повысить выход годного для магнитов из сплава ЮНДКБА. Однородная структура сплава формируется благодаря уменьшению на фронте кристаллизации жидкофазной области, что обеспечивает подпитку расплавом оснований дендритов и снижение ликвации элементов [40]. Температуры заливки, перегрева, верхнего и нижнего нагревателейсоставили 1600±10 °С.

На рис. 2 представлена макроструктура отливок из плавок 5 и 11 с блочной и монокристаллической затравками соответственно.

Рис. 2. Внешний (а, в) и схематический (б, г) виды макроструктуры отливок из плавок 5 и 11

Для обеспечения заданной кристаллографической ориентации отливкам постоянных магнитов из сплава ЮНДКБА, а также оценки влияния состава и типа затравок на процент выхода годного использованы затравки из сплавов систем Fe–Cr и Ni–W с монокристаллической и блочной структурой с разориентацией блоков не более 5 градусов [41, 42]. Затравки получают методом ориентированной вырезки из заготовок произвольной ориентации. В авиационном двигателестроении к затравкам предъявляют следующие требования [43]:

– должны изготавливаться из того же сплава, что и отливка;

– материал затравки должен иметь более высокую температуру плавления, чем отливка; такую же кристаллографическую ориентацию, близкий период решетки и высокую коррозионную стойкость. Материал затравки не должен испытывать фазовых превращений при охлаждении с высоких температур. В печи форма с затравкой располагается таким образом, чтобы затравка не могла полностью расплавиться и не выполняла функции холодильника.

Для производства постоянных магнитов из сплава ЮНДКБА используют затравку из материала, из которого изготовлен сплав [44], либо схожего состава без титана [45]. Недостатки данного способа:

– повышенная стоимость затравки;

– затравка испытывает фазовые превращения при охлаждении;

– из-за особенности конструкции печи УВНК-9А затравку приходится делать более высокой.

Использование затравок из сплава системы Ni–W обусловлено их серийным применением при направленной кристаллизации никелевых жаропрочных сплавов. Такие затравки имеют более высокую температуру плавления, чем сплавы ЮНДКБА и жаропрочные сплавы, и не испытывают превращений при повышенной температуре плавления, согласно фазовой диаграмме.

При использовании блочных затравок процент выхода годного снижается. Кроме того, для таких затравок характерна разориентация зерен от плоскости <001>, что увеличивает вероятность передачи «паразитной» ориентации при отборе кристаллов. Для монокристаллических затравок с кристаллографической ориентацией <001> зарождающиеся зерна приобретают необходимую ориентацию, направленную в сторону магнитной направляющей <001>.

Заключения

Установлена возможность промышленного изготовления литых высокоэнергетических постоянных магнитов из сплава ЮНДКБА с использованием печи УВНК-9А, предназначенной для высокоградиентного литья с направленной кристаллизацией лопаток газотурбинных двигателей. Выход годного по магнитным свойствам составил >80 %.

Монокристаллические затравки из сплава системы Fe–Cr обеспечивают малый угол отклонения кристалла от кристаллографического направления <001>, а также значительно повышают выход годного по структуре по сравнению с затравками из сплава системы Ni–W, что приводит к увеличению выхода годного на 30–55 %.

Минимальная скорость перемещения формы при проведении высокоградиентной направленной кристаллизации составляет 5 мм/мин, что способствует образованию более совершенной столбчатой структуры без равноосных зерен и обуславливает увеличение выхода годного на 30–55 %.

Термическая обработка магнитов на высококоэрцитивное состояние с учетом описанных ранее параметров позволяет получать магниты, значения коэрцитивной силы которых превышают требования ГОСТ 17809–72.

Благодарности

Коллектив авторов выражает благодарность за творческий вклад начальнику сектора, к.т.н. Е.М. Висик и заместителю начальника лаборатории НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ Е.В. Колядову.