сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник с 01.01.1974 по настоящее время
Ростов-на Дону, Ростовская область, Россия
аспирант
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
Таганрог, Ростовская область, Россия
аспирант
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
ВАК 01.04.2011 Физика магнитных явлений
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 29.03 Общие проблемы физического эксперимента
ГРНТИ 29.19 Физика твердых тел
Предложен индукционный метод исследования параметров дисперсных ферромагнетиков. Разработан принцип действия и основные элементы конструкции экспериментальной установки, которая позволяет исследовать влияние на характеристики магнитовибрирующего слоя параметров электромагнитных полей. Показано, что экспериментальная оценка кинематических характеристик частиц порошка в магнитовибрирующем слое возможна индукционным методом.
порошковые материалы, ферромагнетик, индукция, магнитовибрирующий слой, электромагнитное поле, ферромагнитные частицы
Введение.
Ферромагнитные материалы широко применяются в самых различных областях современной техники. В каждом конкретном случае к ним предъявляются свои особые требования. Это касается и определенного комплекса магнитных свойств и их немагнитных характеристик - электропроводности, механической прочности и т.д. Свойства магнитных материалов структурно-чувствительны и, следовательно, зависят от химического и фазового составов, размера кристаллитов, степени текстуры, пористости и др. При промышленном производстве магнитных материалов существенную роль играет также экономическая сторона вопроса - дефицитность компонентов, сложность технологии получения. Постоянные магниты классифицируются по основному способу их получения: литые и порошковые [1]. Широкое распространение технологии изготовления спеченных постоянных магнитов определили требования миниатюризации современных магнитных элементов, а также возможность значительной вариации их физических свойств [2,3]. При разработке магнитотвердых порошковых материалов обычно стремятся увеличить остаточную индукцию. Это возможно для материала с сильной магнитной анизотропией, для монокристалла или для материала, в котором оси легкого намагничивания отдельных зерен ориентированы параллельно друг другу.
Высокая коэрцитивная сила порошкового материала может быть обусловлена в основном двумя причинами: во-первых, за счет создания однодоменных частиц, обладающих сильной магнитной анизотропией формы, и при значительной кристаллографической анизотропии, когда даже в случае сферических частиц для изменения ориентации вектора намагничивания отдельных зерен требуются поля большой напряженности; во-вторых, затруднением процессов смещения доменных границ, конфигурация которых сложным образом зависит от трудно учитываемых факторов - структуры спеченного материала, наличия механических напряжений, посторонних включений и т.д. Возникающие препятствия движению доменных стенок приводят к увеличению их поверхности, изменяют свободную энергию граничного сдоя и, следовательно, меняют характер намагничивания. Таким образом, для получения высокой магнитной текстуры в порошковом изделии необходимо реализовать два основных процесса: разрушить по возможности до отдельных частиц естественные микроагрегаты, имеющих макровихревое упорядочение магнитных моментов частиц [4], и создать перед прессованием параллельную систему магнитных моментов отдельных частиц [5].
Целью исследований является определить зависимость индукционной ЭДС от магнитных и инерционных свойств ферромагнитных частиц магнитовибрирующего слоя, а также от градиента индукции, частоты переменной составляющей и индукции постоянной составляющей электромагнитного поля.
Методика и результаты исследований
Анализ общих теоретических вопросов и различных прикладных аспектов магнитокипения дисперсной среды ферромагнитных материалов показывает необходимость разработки малоинерционных и достаточно чувствительных методов наблюдений. Развитие методов регистрации возможно по двум основным направлениям: регистрация характера движения одной или нескольких частиц системы, что реализуется только для крупнодисперсных систем при их высокой порозности. Такие измерения оказываются практически бесполезны при исследовании процессов межчастичного взаимодействия в магнитовибрирующей фазе, определяющих важные свойства кооперативного поведения системы, например, структурирование и фазовые переходы в магнитовибрирующем слое. Другое направление - измерение кооперативных суммарных эффектов, величина которых определяется поведением всего ансамбля частиц. Как наиболее перспективные, следует отметить, методы получившие наибольшее распространение, например, методы визуализации с помощью кинокамеры и оптического микроскопа; оптические методы, связанные с регистрацией поглощения и рассеяния световой энергии, а также магнитные методы регистрации, представляющие собой различные модификации индукционных методов измерений.
Магнитовибрирующий слой (МВС) представляет собой взвешенное состояние тонкодисперсного порошка магнитожесткого ферромагнетика в переменном магнитном поле [5,6]. При определенных значениях индукции магнитного поля в МВС образуется магнитная структура: сначала в виде локальных образований, состоящих из нескольких десятков и сотен частиц, а далее в виде эквидистантных цепочек, расположенных вдоль силовых линий поля. Основные тенденции, характерные для современной техники измерений - это повышение точности и расширение частотного диапазона, а также диапазона измеряемых величин, как в сторону слабых, так и сильных полей [7]. Эти тенденции в полной мере относятся к индукционным преобразователям, обладающим рядом преимуществ в сравнении с другими методами исследований магнитовибрирующих слоев - высокая надежность, эксплуатационные и метрологические характеристики, простота технических решений и т.д.
Динамика поведения ферромагнитного порошка и характер взаимодействия между его частицами в магнитном поле могут быть оценены по изменению относительного сигнала ЭДС [8], наведенного в индуктивном датчике движущимися частицами исследуемого порошка
где e и e0 – ЭДС в датчике с порошком и без порошка, соответственно.
В основе всех типов индукционных преобразователей лежит явление электромагнитной индукции, которое для единичного витка цепи описывается уравнением
 |
При реализации измерений пассивным преобразователем необходимо определить реакцию витка на относительное перемещение магнитной частицы, обладающей свойствами магнитного диполя. С помощью данного метода изучали особенности разрушения кластеров дисперсной ферромагнитной системы и регистрировали параметры движения частиц и кластеров в магнитном поле [9].
Основным элементом индукционного преобразователя является многовитковая катушка с числом витков N. Катушка помещается в исследуемый магнитовибрирующий слой. Если все витки катушки пронизываются одинаковым потоком, то ее суммарная ЭДС определится соотношением:
(1)
Магнитный момент диполя вследствие столкновительных процессов между частицами магнитовибрирующего слоя ориентирован произвольно относительно плоскости измерительного витка.
Предполагая, что магнитный момент совершает поступательно-колебательное движение под действием пондеромоторных сил электромагнитного поля вдоль оси индуктивного датчика, оставаясь в любой момент времени параллельным этой оси (рис.1), для наведенной ЭДС можно записать [10]:
(2)
где Pm – магнитный момент кластера, соответственно, M - масса кластера, K – коэффициент сопротивления движению кластера, 
- градиент индукции переменной составляющей магнитного поля, ω- частота магнитного поля, R – радиус витка датчика, 
– магнитная постоянная.
Рис. 1. Расположение вектора магнитного
момента диполя относительно витка
индуктивного датчика
По виду полученного выражения можно анализировать характер движения частиц, а также влияние параметров электромагнитного поля на поведение порошка. При этом основным источником информации является величина и характер изменения индукционной ЭДС. На рис 2 приведены характерные расчетные кривые [5]. Расчетные кривые имеют немонотонный характер. Положение максимума определяется соотношением параметров магнитного поля, магнитными и инерционными свойствами частиц. Зависимости наведенной ЭДС от частоты электромагнитного поля и массы кластера имеют аналогичный вид.
Рис. 2. Расчетные зависимости ЭДС индукции от градиента индукции магнитного
поля для разных диаметров сферической модели кластера. (Pm = 2 10-7Ам2)
Основным элементом экспериментальной установки, реализующей образование магнитовибрирующего слоя высокодисперсных порошков, являются два электромагнита с общим межполюсным пространством. Полюса электромагнитов располагались таким образом, что силовые линии постоянного и переменного магнитных полей были взаимно перпендикулярны. Кластер при своем движении относительно витков индуктивного датчика наводит в нем ЭДС, величина которой зависит от магнитного момента кластера, скорости, амплитуды и частоты его движения. Индуктивный датчик представлял собой цилиндрическую катушку, имеющую 200 витков провода ПЭТВ на картонном каркасе высотой 13 мм, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру стеклянной кюветы с исследуемым порошком. Диаметр кюветы 12мм, толщина стенок – 0,5мм, высота - 15мм. Индуктивный датчик и кювета помещались в общее межполюсное пространство электромагнитов. Питание электромагнита постоянного поля осуществлялось через выпрямитель ВСА-111А. Ток в цепи электромагнита контролировался многопредельным амперметром М1104.
Рис. 3. Экспериментальная зависимость относительного
сигнала 
порошка феррита бария от индукции
постоянной составляющей магнитного поля
По характеру изменения относительного сигнала (ОС) экспериментальные кривые (рис.3) можно разделить на три области: первая - ОС увеличивается с ростом индукции поля до некоторого B1; вторая - соответствует резкому уменьшению ОС при увеличении индукции от B1 до B2; третья - ОС плавно уменьшается при B > B2. .В первой области кластеры и частицы порошка совершают интенсивное движение – магнитокипение. При этом разрушаются флокулы, снижаются силы межчастичного взаимодействия, увеличивается магнитный момент оставшихся флокул и намагничиваются отдельные частицы, а также происходит ориентация магнитных моментов частиц и кластеров вдоль силовых линий поля. Эти процессы и обуславливают возрастание ОС на первом этапе. Если предварительно поместить порошок магнитожесткого материала в сильное магнитное поле, то область возрастания ОС наблюдаться не будет. Очевидно, в этом случае поле той же мощности не может перевести порошок в псевдоожиженное состояние из-за возросшего магнитостатического взаимодействия. Следует отметить, что высота развитого магнитоожиженного слоя по крайней мере на порядок больше высоты свободной насыпки. Во второй области при B > B1 формируются цепочечные псевдополимерные комплексы, которые при увеличении индукции постоянного поля образуют магнитные струны (МС). Неоднородное переменное поле раскачивает МС. Однако амплитуда и скорость колебаний МС меньше, чем отдельных частиц, что приводит к резкому снижению ОС.
В третьей области при B > B2 МС закрепляются за счет роста магнитостатического взаимодействия и из МС формируется слоистая структура, практически не реагирующая на электромагнитное возмущение.
Анализ полученных экспериментальных зависимостей для порошков феррита бария, позволяет заключить следующее: зависимость ОС от индукции магнитного поля имеет характер, тождественный теоретическим результатам. Аналогичные совпадения расчетных и экспериментальных результатов получены для всех исследованных порошков магнитожестких материалов, (в частности, сплава КС-37, порошка SmCo и пр.)
Интервал индукции постоянного поля, при котором наблюдается магнитокипящее состояние дисперсной системы при заданном значении градиента индукции переменного поля, принято называть шириной области магнитокипения. При увеличении индукции постоянного поля выше некоторого значения, характерного для каждого порошка и называемого полем наведенной или вторичной флокуляции, отдельные частицы образуют магнитные струны. Реализация магнитокипящего состояния в неоднородном переменном магнитном поле возможна лишь в слабых постоянных полях с индукцией, меньшей индукции, наведенной флокуляции. В то же время без постоянного поля кластеры магнитожесткого порошка имеют настолько малый магнитный момент, что порошок не образует магнитовибрирующего слоя. Таким образом, для перевода дисперсной системы в магнитоожиженное состояние необходимо прикладывать слабое постоянное магнитное поле.
Заключение
2. Выражения для ЭДС, наведенной в индуктивном датчике движущимся магнитным диполем, позволяет утверждать, что основной вклад в индукционную ЭДС вносит магнитный диполь при колебательно - поступательном движении.
3. Экспериментально показано, что при изменении параметров электромагнитного поля меняется характер движения частиц порошкового материала. Выделены отдельные этапы этого процесса:
- при индукции, меньшей поля наведенной флокуляции, ферромагнитный порошок в переменном магнитном поле образует магнитовибрирующий слой, интенсивность движения частиц и кластеров которого зависит от параметров магнитного поля и свойств порошковой системы;
- при повышении магнитной индукции выше поля флокуляции из частиц и кластеров формируются магнитные струны, обладающие упругими свойствами. Роль квазиупругих сил играют силы магнитостатического взаимодействия.
1. Либенсон Г. А., Лопатин В. Ю., Комарницкий Г. В. Процессы порошковой металлургии: Т. 1. Производство металлических порошков. -М.: Изд-во МИСиС, 2001. 367 с.
2. Либенсон Г. А. Основы порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1987. - 208 с.
3. Вернигоров Ю.М.Лебедев В.А., Лелетко К.К., Фролова Н.Н Особенности технологического процесса устройств помола ферромагнитных материалов на базе магнитовибрирующего слоя// Материалы международ. научн. симпозиума технологов-машиностроителей. «Наукоемкие и виброволновые технолог обработки деталей высокотехнологичных изделий». - Ростов-на-Дону, 26-28 сент. 2018.
4. Вернигоров Ю.М., Егоров И.Н., Егорова С.И. Особенности флокуляции полидисперсных порошков магнитотвердых материалов // Изв. вузов. Сев. -Кавк. регион., техн. науки - 2006, № 2. - С. 64-68.
5. Вернигоров Ю. М. Магнитовибрационная технология производства порошковых магнитов: автореф. дис. … д-ра техн. наук:05.02.08:05.16.06 . Ростов н/Д, 1995. - 33 с.
6. Vernigorov Yu.M., Egorov I.N., Egorova S.I. The application of a magnetovibrating layer to the milling of ferromagnetic materials // Euro PM2005 Powder Metallurgy Congress and Exhibition: Proceedings, Vol. 1, 2-5 October, Prague, Czech Republic, 2005.- P. 451-455.
7. Вернигоров Ю.М., Лебедев В.А., Плотников Д.М. Технико-экономические аспекты перспективности применения методов порошковой металлургии для переработки металоотходов //Вестник РГАТУ им. Соловьёва №2 (45) 2018, с. 143-147.
8. Семенов Н.М. Цифровые феррозондовые магнитометры / Н.М.Семенов, Н.И.Яковлев. Л.: Энергия-1978. 168с.
9. Вернигоров Ю.М., Егоров И.Н., Егорова С. И., Биткина Н.С. Диагностика дисперсных магнитных материалов // Вестник ДГТУ. 2002. -Т. 2, № 3 (13). - С. 287 - 297.
10. Биткина Н.С., Вернигоров Ю.М., Лемешко Г.Ф. Формирование магнитной структуры порошковых изделий в сильно неоднородном электромагнитном поле // Технология получения и свойства порошковых и композиционных материалов. Пенза, 1987. С.40-42.
