журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
РЕКОНСТРУКЦИЯ

ПРОФИЛЬ

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №9, 2002

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Магнитное поле деятельности

Дальнейшее расширение производства электроники и электроприборов создает новые рынки для постоянных магнитов на основе кобальта
и редкоземельных элементов

Постоянные магниты – неотъемлемая составная часть практически любого электрического и электронного устройства. За последние 40 лет рынок моторов с постоянными магнитами значительно расширился, особенно быстро росло потребление индукционных и бесколлекторных двигателей постоянного тока. На фоне спада цен в электронном секторе и уменьшения стоимости магнетиков этот подъем стимулировал разработки еще более эффективных электромоторов с более высоким вращающим моментом при меньших габаритах. Спрос на такие устройства наряду со стремлением к снижению их себестоимости определил направление развития технологий производства постоянных магнитов, а интенсивная научно-техническая деятельность привела к созданию магнетиков нового поколения.

Магнетики и Neo-магнетики

В конце 60-х годов были разработаны магнитные материалы на основе кобальта и редкоземельных элементов, в частности – самария. Они могут создавать магнитное поле в пять-шесть раз более высокой плотности, чем традиционные магнетики (например, AlNiCo - "альнико"), а их устойчивость к размагничиванию (собственная коэрцитивность) оказалась в 20-50 раз выше. Для намагничивания сплавов кобальта с редкоземельными элементами их необходимо подвергать воздействию чрезвычайно сильного магнитного поля, однако и размагнитить их можно только при наложении противоположного поля той же напряженности.

Высокий уровень стабильности позволяет создавать из этих материалов очень маленькие магниты; уменьшение их длины вплоть до миллиметра не приводит к существенному снижению напряженности магнитного поля. Во многих сферах это свойство обеспечивает им серьезное преимущество перед традиционными магнетиками типа "альнико", у которых по мере уменьшения размера достигается точка, когда северный и южный полюса начинают размагничивать друг друга. В частности, возможность миниатюризации обеспечила редкоземельным магнитам огромную популярность на стоматологическом рынке. Помимо удерживания протезов, у этих материалов имеются и другие сферы применения. Например, уже появилось второе поколение микромоторов для портативных бормашин с большим вращающим моментом при меньших размерах; очевидно, на этом рынке скоро найдутся и другие применения подобным магнетикам.

Постоянные магниты стали неотъемлемым компонентом такой продукции как бесколлекторные и индукционные двигатели бытовых электроприборов и портативных электроинструментов, моторы для компьютерных запоминающих устройств, микродвигатели копировальных аппаратов, принтеров и факсов, приводы топливных электронасосов и различных датчиков автомобилей. Наиболее широко постоянные магниты используются в производстве акустических преобразователей, двигателей и генераторов, магнито-механических устройств и систем формирования изображений. Такие магниты эффективны в производстве телевизоров, телефонов, компьютеров, аудиосистем и автомобильной аппаратуры.

Наиболее высокой удельной мощностью отличаются магниты, изготовленные из композиции неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, или Neo). Они появились на рынке 15 лет назад, а к 1999 году глобальный объем продаж этих материалов достиг $2 млрд., и ожидается, что к 2005 году их потребление увеличится еще на 16%.

С точки зрения многих потребителей, преимущества, связанные с использованием меньших и облегченных электромоторов в высокотехнологичных видах продукции, превосходят фактор более высокой стоимости магнитов Neo. Возможности применения разнообразных микродвигателей прогрессивных конструкций предоставляют таким компаниям как Matsushita, Toshiba, Sony и Canon дополнительные технологические преимущества на их основных рынках. Эти производители широко используют технологически перспективные магниты Neo в драйверах компьютерных дисков, факсах, планшетных сканерах, копировальных устройствах и лазерных принтерах. При этом, рост потребления и расширение сфер использования магнетиков Neo сопровождаются непрерывным усовершенствованием процесса их производства и соответствующим снижением себестоимости.

Новые технологии для новых материалов

В общем случае материалы, из которых производят все постоянные магниты, относятся к одной из двух категорий – редкоземельные и нередкоземельные магнетики. Во вторую категорию входят, например, "альнико" (Al-Ni-Co) и керамики (ферриты бария и стронция). Наиболее яркие представители категории редкоземельных магнетиков – композиции Sm-Co (самарий-кобальт) и Nd-Fe-B (неодим-железо-бор). Все эти материалы находят широкое применение в промышленности, но, если популярность "альнико" и других магнетиков этой группы связана, главным образом, с их низкой стоимостью, то редкоземельные магниты пользуются спросом в связи с выдающимися эксплуатационными характеристиками: они отличаются весьма высоким значением максимума производства энергии (единственный эксплуатационный параметр постоянных магнитов).

В последние годы появилось много новых редкоземельных материалов для постоянных магнитов. Перспективные разработки проводятся, главным образом, в двух направлениях: создание материалов на основе композиций Sm-Co и Nd-Fe-B. И те, и другие находят широкое применение в самых различных сферах. Каждая из этих композиций имеет свои преимущества и недостатки. Так, материалы Nd-Fe-B отличаются более высоким показателем максимума производства энергии: как правило, значение этого параметра составляет около 30 MGOE, а иногда доходит и до 48 MGOE (1 MGOE = 1000000 Гаусс х Эрстед). Эти магнетики в большинстве применений могут заменять композиции Sm-Co, особенно, если магниты используются при температурах ниже 800С. С другой стороны, магнитам Sm-Co свойственна более высокая термостойкость. Магнитные характеристики Nd-Fe-B резко ухудшаются при температурах выше 1800С. Кроме того, у этих материалов устойчивость к окислению и коррозии ниже, чем у композиций на основе Sm-Co.

Редкоземельные магнетики можно получать методами порошковой металлургии (дробление, прессование и спекание), газовым распылением или резким охлаждением и сжатием. Японская компания Sumitomo Special Metals Co., Ltd. держит патенты технологий, основанных на методах порошковой металлургии, а американская Magnequench – владелец патентов на газовое распыление и резкое охлаждение. Оба типа магнитов – и Nd-Fe-B, и Sm-Co – можно производить как по технологии спекания, так и в процессе полимерного связывания. При этом, полимерно связанные магниты можно получать в полном соответствии с нужной формой и размерами при минимальных допусках – практически, этот способ исключает этап финишной обработки, неизбежный при использовании технологии спекания. С другой стороны, спеченные магниты обладают лучшими магнитными свойствами.

Спеченные постоянные магниты Nd-Fe-B формуют с использованием традиционных технологий порошковой металлургии. Этот процесс разделяется на несколько этапов. Во-первых, необходимо рассчитать точный состав сплава Nd-Fe-B исходя из характеристик, которые должна иметь готовая продукция. Далее производят этот сплав в вакуумной печи с последующим его размолом в порошок. Затем в ходе обычного или изостатического прессования порошок подвергают воздействию магнитных полей для упорядочения магнитных доменов и оптимизации характеристик материала. После этого прессованные заготовки помещают в специальную печь для спекания в нейтральной атмосфере. Форма спеченных магнитов лишь примерно близка к заданной, поэтому они нуждаются в дополнительной механической обработке до финишных форм и размеров. К тому же, на магниты Nd-Fe-B обычно наносят защитные покрытия, которые, как правило, формируют из цинка или никеля; с этой целью часто применяют также хроматы кадмия и алюминия, олово или полимеры.

Для производства высокоэнергетичных анизотропных редкоземельных магнетиков на основе неодима известны два процесса. В одном из них используется центрифугирование расплава с получением измельченных изотропных хлопьев, которые далее подвергают горячему прессованию и пластической деформации для упорядочения доменов, что и обусловливает необходимую анизотропию. Эта технология пока находится на стадии разработки. Второй процесс основан на классической технологии порошковой металлургии, его используют компания AMT и многие другие производители. На первом его этапе из расплава нужного состава отливают плитки, которые затем подвергают механическому дроблению, а полученные частицы размером до 3 мм перемалывают в порошок с размером частиц 3-5 мкм. Частицы порошка упорядочивают в магнитном поле, затем прессуют с приданием нужной формы при помощи механического или изостатического пресса. Полученные прессовки спекают при 1100°C, осуществляют финишную обработку (резка или шлифовка до необходимого размера) и намагничивают в поле высокой напряженности.

Хотя в принципе этот процесс весьма прост, на практике необходимо строго контролировать каждую операцию. Порошок из этого сплава чрезвычайно легко самовоспламеняется, вспыхивая при контакте с воздухом. Все операции приходится осуществлять в инертной атмосфере – даже при минутном контакте с кислородом порошок утрачивает ряд своих свойств. Другие важные объекты контроля – правильное упорядочение частиц, их распределение по размерам, параметры процесса спекания. Все это требует использования сложной высокотехнологичной аппаратуры и современного оборудования.

Полимерно связанные магниты обычно изотропны, их максимальное производство энергии не превышает 12 MGOE. Эти магниты изготовляют посредством сжатия смеси хлопьев сплава NdFeB со смолой, используемой в качестве связующего агента, при последующей термообработке. Хлопья сплава получают при центрифугировании расплава по технологии резкого охлаждения, разработанной компанией Delco Remy (подразделение General Motors). В этом процессе расплавленный Nd-Fe-B вливают в охлажденный вращающийся металлический барабан. При соприкосновении с барабаном сплав резко остывает и затвердевает в виде хлопьев, которые далее размалывают для получения порошкового Nd-Fe-B. По сравнению с порошком, полученным в металлургическом процессе, порошок из резко охлажденного сплава значительно крупнозернистее и имеет идеальную микроструктуру для изготовления магнита. Порошок используют для получения полимерно связанных или горячепрессованных заготовок, которые далее намагничивают в заданном режиме.

Полимерно связанные магниты производят в результате комбинирования порошкового сплава с эпоксидной или термореактивной смолой и формованием либо сжатием (или опрессовкой под давлением). Горячепрессованные магниты получают холодным прессованием порошкового сплава с приданием ему определенной формы и последующим горячим прессованием, примерно, при 7500C для увеличения плотности. Эта технология принципиально отличается от спекания, поскольку процесс осуществляют несколькими этапами без использования ориентирующего магнитного поля; тем не менее, она позволяет получать аналогичные магнитные свойства. В любом случае полимерно связанные магниты в отличие от спеченных магнитов можно изготовлять непосредственно в финишной форме. При использовании этой технологии исключается высокозатратный этап шлифовки.

Высокоэнергетичные магниты Neo, произведенные методом опрессовки под давлением, представляют собой новейшее достижение в сфере магнитных технологий. Возможности этого процесса позволяют производителям создавать сложные магнитные сборочные узлы, которые производятся под заказ для каждого конкретного назначения. В свою очередь, это позволяет заказчикам создавать новые прогрессивные конструкции ручных электроинструментов, сервоприводов и автомобильных приборов, отличающихся повышенной мощностью и эффективностью.

Стратегия Magnequench

Использование магнитов Neo открывает широчайшие возможности для производителей аппаратуры не только в плане создания принципиально новых конструкций, но и в отношении модернизации существующих устройств. Эти магнетики дают возможность значительно уменьшить размеры электромоторов при одновременном увеличении их вращающего момента. При этом, сотрудничество производителей магнитов и аппаратуры оказывает синергический эффект на расширение рынка Neo. Например, партнерство компании Magnequench с крупным международным производителем бытовых приборов привело к созданию электродвигателей новой конструкции, в которых, разумеется, используется продукция Magnequench.

В свое время эта компания вознамерилась продемонстрировать преимущества замены феррита на Neo на примере стандартного прямоточного двигателя 24 В с ферритными дугами в обычной двухполюсной конфигурации. С этой целью предполагалось создать два варианта новых двигателей: того же размера, но большей мощности; той же мощности, но меньшего размера. Максимальная рабочая температура двигателя составляла 150-1600С, и для использования в нем полимерно связанного магнита требовалось подобрать порошок Neo с соответствующей термостойкостью и соответствующее связующее. Параллельно инженеры Magnequench решали конструкторские задачи. Они разработали три различных конструкции двигателя с разными типами магнитов, в каждой из которых наружный диаметр магнита подбирался таким образом, чтобы максимизировать поле в воздушном зазоре; зубцы ротора были несколько расширены, чтобы обеспечить поглощение дополнительного потока, а форма пазов была немного изменена, чтобы сохранить место для обмотки.

Оптимальной оказалась конструкция с кольцевым магнитом, изготовленным опрессовкой под давлением, которая при максимальном вращающем моменте обеспечила увеличение на 15% скорости, эффективности и выходной мощности. При этом, использование опрессованного под давлением и намагниченного в обойме статора полимерно связанного Neo дало снижение затрат на производство и сборку на многих этапах – намагничивания, склеивания и термообработки ферритных дуг. В результате на рынке появился мощный и компактный электродвигатель с более низкой себестоимостью.

Спрос на редкоземельные магнетики нарастает по экспоненциальной кривой, и Magnequench параллельно с расширением производства интенсивно разрабатывает новые перспективные материалы для рынков будущего. Во втором квартале 2000 года компания открыла новый научно-технологический центр, основная задача которого – решение технических проблем заказчиков. Технологи этого подразделения предлагают проектировщикам аппаратуры оптимальные для их целей конструкции магнитов, причем, оптимизация начинается с выбора наиболее подходящего материала, охватывает создание промышленного образца и его намагничивание.

Независимо от типа необходимых для заказчика магнетиков ученые и технологи Magnequench сотрудничают с конструкторами в плане выбора самого низкозатратного технического решения. При этом, компания стремится максимально приблизить свою продукцию к ее конечному виду, пригодному для непосредственного использования без дополнительной обработки. Фактически Technology Center способен предложить заказчикам различные технические решения – от создания новой продукции или модификации существующей до модернизации производственного процесса.

Недавно компания начала коммерческое производство своего нового порошкового магнетика MQP™ 13-9. Одновременно с этим было завершено строительство двух новых заводов, кроме того, Magnequench сделала некоторые стратегические приобретения. С учетом повышения спроса на азиатском рынке Magnequench открыла новый завод для производства порошковых магнетиков в Китае. Этот завод приблизил компанию к источникам сырья, что резко сократило затраты на транспортировку и хранение неодима и других материалов для производства Neo; в будущем предполагается расширить мощности этого предприятия.

В текущем году Magnequench получила на свою продукцию сертификаты QS 9000 и ISO 9002, а также приобрела Carbone Lorraine – подразделение по выпуску редкоземельных металлов компании Ugimag, а также выкупила у Milacron Inc. ее дочернюю фирму Widia Magnet Engineering. Теперь бывшее подразделение Ugimag называется Magnequench UG, Inc.; эта компания – всемирно известный поставщик мощных постоянных магнитов и магнитных сборочных узлов для компьютерной периферии, а также автомобильной и промышленной аппаратуры.

У Magnequench UG имеются производственные мощности в США, Сингапуре, Швейцарии и Великобритании. Компания специализируется на спеченных самарийкобальтовых и Neo магнитах, предназначенных, главным образом, для рынка в компьютерном секторе (накопители на жестких дисках). В свою очередь, расположенная в Германии (г. Эссен) Widia Magnet Engineering – лидер европейского и североамериканского секторов производства полимерно связанных магнитов методом опрессовки под давлением. Теперь эта компания называется Magnequench GmbH; она выпускает широкий ассортимент магнитных материалов, включая полимерно связанные Neo и ферриты, а также спеченные магниты "альнико". Эти приобретения обеспечили Magnequench возможность предлагать заказчикам полный спектр известных магнетиков.

Виктор Рычик

 
© агенство "Стандарт"