2. Магнітно-м’які матеріали на основі заліза легованого фосфором і кремнієм

Одним з порошкових магнітно-м’яких матеріалів здатних замінити традиційні електротехнічні сталі є матеріал системи залізо – фосфор [19–21]. Спільними зусиллями співробітників Інституту проблем матеріалознавства НАН України і Броварського заводу порошкової металургії розроблена технологія одержання порошку марки ПЖФ – 1. Це залізний порошок, легований фосфором у кількості від 0,3 до 1,0 % у залежності від необхідних характеристик. Фосфор осаджують з розчину солей. Такий метод введення добавки відрізняється від застосовуваних у промисловості інших країн простотою й економічністю: він виключає необхідність виготовлення та використання спеціальних високофосфорних лігатур чи порошків фосфіду Fe₃P високої чистоти.

Для виробництва магнітно-м’яких виробів звичайно використовують порошок ПЖФ06, що містить 0,6 % фосфору. У табл.1.1 приведені магнітні характеристики зразків, виготовлених з залізофосфорного порошку ПЖФ06 з 0,6 % стеарату цинку пресуванням під тиском 700 МПа і спіканням при температурі 1250 ⁰С протягом 4 годин у середовищі водню. Для порівняння в таблиці наведені магнітні характеристики зразків з порошку шведської фірми

“Hoganas”, виготовлених по тим же технологічним режимам.

Таблиця 1.1 – Магнітні властивості залізофосфорних матеріалів

Марка порошку	Щільність, γ, г/см3	Індукція, B2000,Тл	Проникли-вість,μ,max	Коерцитив-на сила, Нc	Втрати, Р1,0/50,Вт/кг
ПЖФ06	7,1	1,4	4000	85	7 – 9
РАС	7,2	1,3	4000	100	8

Добавка фосфору, що утворює із залізом твердий розчин при невисоких температурах (1050 ⁰С), дозволяє не тільки інтенсифікувати процес спікання, але і знизити загальні втрати, підвищуючи електроопір матеріалу до 19 мкОм·см при 0,5 % Р і до 22 мкОм·см при 1 % Р [22].

Відомі роботи по одержанню сплаву залізо – фосфор, отриманого легуванням залізного порошку доменним ферофосфором [23]. Найкращі результати були отримані при вмісті фосфору 1 % мас. і спіканні при 1250 ⁰С в дисоційованому аміаку. Однак легування залізного порошку ферофосфором має той недолік, що його необхідно дробити і подрібнювати до одержання фракції 100 мкм.

Для цього варто застосовувати доменний ферофосфор вищої категорії марки ФФ14. Це пов'язано з тим, що при вмісті фосфору 14 – 16 % у ферофосфорі є присутнім лише більш м'який фосфід Fe₃P, а вища категорія забезпечує знижений вміст домішок. У доменному ферофосфорі ФФ16 і ФФ18 зростає частинка фосфіду Fe₂P (21,5 % Р) з більш ніж у два рази вищою мікротвердістю, що негативно позначається на стійкості прес – інструменту. Застосування електротермічного ферофосфору небажано через високий вміст фосфору і домішок.

Одним з розповсюджених магнітно-м’яких матеріалів, що поєднує у собі комплекс необхідних властивостей для використання його в пристроях змінного струму є залізокремністі сплави [24–26].

Однак спроби одержання залізокремністих порошків із вмістом кремнію

від 2 до 6,5 % методом дифузійного насичення, розпиленням показали, що через велику хімічну активність кремнію в процесі одержання залізокремністих порошків відбувається часткове утворення склоподібної фази SiО₂, а також включень фаяліту Fe₂SiО₄ [27]_. На підставі досліджень зроблені висновки про те, що для одержання залізокремністих порошків необхідно застосовувати засоби для запобігання оксидування кремнію, для чого рекомендується використовувати вихідну сировину з мінімальним вмістом кисню, застосовувати спеціальні засипки і плавкі замки в контейнерах при використанні дифузійних процесів одержання, чисті захисні середовища при розпиленні порошку і т.ін. [28].

На підставі експериментальних даних визначено [29], що для порошкових сплавів Fe – Si і Fe – P з незначним вмістом домішок на магнітні властивості порошків визначальний вплив чинять щільність укладання та розмір частинок. Одним з основних факторів, що впливають на створення в матеріалі необхідної структури і досягнення заданих магнітних властивостей, є умови спікання. Насамперед, при спіканні зразків з залізокремністого сплаву необхідно цілком виключити окислювання матеріалу і створити в ньому грубозернисту структуру з мінімальним вмістом домішок. Відомо про розкислюючий вплив бору й алюмінію. У роботах [30,31] системно досліджені закономірності формування структури і властивостей легованих бором і алюмінієм залізокремністих сталей, що здатні скласти альтернативу традиційним матеріалам, які використовуються у магнітопроводах електричних машин малої і середньої потужності. У таких сплавах магнітна проникність і магнітна індукція залежить від неоднорідності розподілу кремнію. Найбільшу магнітну індукцію 1,7 Т мають сплави з 1 % кремнію, а найбільшу магнітну проникність ≈ 5000 сплав з 6,5 % кремнію (обидва сплави спечені при температурі 1300 ⁰С і містять 0,06 % бору).

Введення алюмінію призводить до істотного росту зерна в процесі спікання і, відповідно, до високих магнітних властивостей. Так, у роботі[32] автори одержали методом порошкової металургії магнітно-м’який сплав

Fe – 1 % Al. Після спікання при 1482 ⁰С протягом 12 годин сплав мав низьку коерцитивну силу (Hc ≈ 72 А/м), порівняно високу магнітну проникність (μ ≈ 5000) і високу магнітну індукцію насичення (Вs ≈ 1,3 Тл при 640 А/м). По магнітно-м’яких властивостях сплав Fe – 1% Al перевершував чисте порошкове залізо і сплави Fe – Si і Fe – P, що випускаються в теперішній час. Але при оптимальній температурі спікання – 1482 ⁰С такого матеріалу відбувається значна втрата маси через інтенсивне випаровування алюмінію.

Для підвищення електроопору порошкових матеріалів з метою зниження в них магнітних втрат при роботі в змінних полях можна вводити порошок легкоплавких марок скла (з температурою початку розм'якшення 350 ⁰С) [33]. Однак при цьому добавки скла знижують значення магнітної індукції і магнітної проникності, хоча втрати на вихрові струми трохи зменшуються.