Формирование структуры и свойств магнитов на основе гексаферрита стронция, полученных с помощью технологии Powder Injection Molding

   Цели. Изучить возможность получения постоянных магнитов на основе гексаферрита стронция с помощью технологии Powder Injection Molding (PIM), заключающейся в литье гранулятов, высоконаполненных керамическим порошком. Данный процесс состоит из операций получения гранулята (исходного сырья на основе органического связующего и порошка гексаферрита стронция), литья гранулята в термопластавтомате для создания первых промежуточных («зеленых») деталей, последующего удаления связки из них, получения «коричневых» деталей и финального спекания.

   Методы. Порошок гексаферрита стронция получен керамическим методом. Материал прошел стадию помола в планетарной шаровой мельнице до получения порошка со средним размером частиц 13.4 мкм, который считается оптимальным размером для PIM-технологии. На основе полученного порошка гексаферрита стронция, первичного связующего — парафина – и вторичного — полиамида – методом ручного смешивания компонентов подготовлен гранулят для создания «зеленых» деталей. Полученные детали подвергли операции удаления связующего — дебиндингу, в результате которого изготовили «коричневые» заготовки, отличающиеся более высокой хрупкостью и наличием структуры открытых пор. Постоянные магниты с размерами 10 × 10 × 5 мм получены методом спекания «коричневых» деталей в окислительной атмосфере.

   Результаты. Уровень магнитных параметров образцов на основе гексаферрита стронция составил более 70 % от значений, характерных для промышленных изотропных магнитов на основе гексаферрита бария в соответствии ГОСТ 24063-80, что обусловлено наличием пор в спеченных изделиях.

   Выводы. Установлена возможность применения керамического метода для производства порошка гексаферрита стронция, который может быть использован при изготовлении гранулята. Использование данного сырья позволяет изготавливать магниты методом PIM-технологии с плотностью не менее 80 %.

1. Altafia M., Sharifia E.M., Ghasemi A. The effect of various heat treatments on the magnetic behavior of the Fe-Cr-Co magnetically hard alloy. J. Magn. Magn. Mater. 2020;507:166837. doi: 10.1016/j.jmmm.2020.166837

2. Takagi K., Soda R., Jinno M., Yamaguchi W. Possibility of high-performance Sm₂Fe₁₇N₃ sintered magnets by low-oxygen powder metallurgy process. J. Magn. Magn. Mater. 2020;506:166811. doi: 10.1016/j.jmmm.2020.166811

3. Pandian S., Chandrasekaran V., Markandeyulu G., Iyer K.J.L., Rama Rao K.V.S. Effect of Co, Dy and Ga on the magnetic properties and the microstructure of powder metallurgically processed Nd–Fe–B magnets. J. Magn. Magn. Mater. 2004; 364(1–2):295–303. doi: 10.1016/S0925-8388(03)00541-3

4. Luk P.C.-K., Abdulrahem H.A., Xia B. Low-cost high-performance ferrite permanent magnet machines in EV applications : A comprehensive review. eTransportation. 2020;6: 100080–100093. doi: 10.1016/j.etran.2020.100080

5. Najafinezhad A., Abdellahi M., Samandari S.S., Ghayour H., Khandan A. Hydroxyapatite- M-type strontium hexaferrite: A new composite for hyperthermia applications. J. Alloys Compound. 2018;734:290–300. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.10.138

6. Kumar S.S., Kumar R.S., Kumari P., Ranga N., Manash A., Kumari R. Structural, ferromagnetic, ferroelectric, and biomedical behaviour of yttrium doped strontium hexaferrite (SrFe₁₂−_xY_xO₁₉) nano materials, assisted with sol–gel cost effective technique. Physica Scripta. 2023;98(11):115015. doi: 10.1088/1402-4896/acfce7

7. Остроушко А.А., Гагарин И.Д., Кудюков Е.В., Жуланова Т.Ю., Пермякова А.Е., Русских О.В. Получение материалов на основе гексаферрита стронция методом растворного горения: воздействие возникающих в прекурсорах зарядов и внешнего магнитного поля. Журн. неорган. химии. 2024;69(2):143–154. doi: 10.31857/S0044457X24020013

8. Zaitsev D.D., Kazin P.E., Gravchikova E.A., Trusov L.A., Kushnir S.E., Tretyakova Y.D., Jansen M. Synthesis of magnetic glass ceramics containing fine SrFe₁₂O₁₉ particles. Mendeleev Communications. 2004;14(4):171–173. doi: 10.1070/MC2004v014n04ABEH001971

9. Jing Y., Jia L., Zhenga Y., Zhanga H. Hydrothermal synthesis and competitive growth of flake-like M-type strontium hexaferrite. RSC Adv. 2019;57(9):33388–33394. doi: 10.1039/C9RA06246G

10. Shirmahd H., Aboutalebi M., Seyedein S.H., Adeli M. Synthesis of strontium hexaferrite (SrFe₁₂O₁₉) by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) method and investigation of the effect of milling on morphology and magnetic properties. Ceram. Int. 2024;50(20):38542–38549. doi: 10.1016/j.ceramint.2024.07.222

11. Yu Z., Zhou N., Sun Y., Chen Z., Gong H., Shen B. Preparation of high-performance M-type strontium hexaferrites by ceramic method by optimizing the particle size of raw materials. Solid State Sci. 2023;144:107309. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2023.107309

12. Green M.L. Powder metallurgy processing of CrCoFe permanent magnet alloys containing 5–25 wt. % Co. J. Appl. Phys. 1982;53(3):2398–2400. doi: 10.1063/1.330824

13. Shatsov A.A. Powder materials of the Fe – Cr – Co system. Met. Sci. Heat Treat. 2004;46(3–4):152–155. doi: 10.1023/B:MSAT.0000036668.48856.02

14. Kaneko H., Sherwood R.C., Wong C.C. New Ductile Permanent Magnet of Fe‐Cr‐Co System. AIP Conf. Proc. 1972;5(1):1088–1092. doi: 10.1063/1.2953814

15. Volegov A.S., Andreev S.V., Selezneva N.V., Ryzhikhin I.A., Kudrevatykh N.V., Mädler L., Okulov I.V. Additive manufacturing of heavy rare earth free high-coercivity permanent magnets. Acta Materialia. 2020;188:733–739. doi: 10.1016/j.actamat.2020.02.058

16. Shumkin S.S., Sitnov V.V., Kamynin A.V., Chernyshov B.D., Semenov M.Y., Nikolaichik V.I. Composition and Operating Properties of Hard Magnetic Materials Based on Alloys of the Sm – Co – Cu – Fe – Zr System Obtained with the Use of Recoverable Resources. Met. Sci. Heat Treat. 2022;63: 479–485. doi: 10.1007/s11041-022-00715-y

17. Пархоменко А.В., Амосов А.П., Самборук А.Р. Наукоемкая технология инжекционного порошкового формования металлических изделий (MIM-технология). Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012;12(18):8–13.

18. Байдаров С.Ю., Камынин А.В., Крапошин В.С., Чернышев Д.Л. Проблемы развития MIM-технологии в России в области производства постоянных магнитов. Металловедение и термическая обработка металлов. 2019;9(771):34–37.

19. Malas A., Isakov D., Couling K., Gibbons G.J. Fabrication of High Permittivity Resin Composite for Vat Photopolymerization 3D Printing: Morphology, Thermal, Dynamic Mechanical and Dielectric Properties. Materials. 2019;12(23):3818–3833. doi: /10.3390/ma12233818

20. Костин Д.В., Амосов А.П., Самборук А.Р., Чернышев Б.Д. Влияние способа получения металлических порошков на микроструктуру и текучесть гранулята магнитотвердого сплава. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021;9(123): 3–7. doi: 10.30987/2223-4608-2021-9-3-7

21. Костишин В.Г., Андреев В.Г., Читанов Д.Н., Тимофеев А.В., Адамцов А.Ю., Алексеев А.А. Исследование влияния длительности измельчения порошков гексаферрита стронция на микроструктуру и свойства магнитов на их основе. Журн. технической физики. 2015;8:91–93.

22. Ермакова Л.В., Кузнецова Д.Е., Поплевин Д.С., Смыслова В.Г., Карпюк П.В., Соколов П.С., Досовицкий Г.А., Чижевская С.В. Влияние акрилатного мономера на характеристики фотополимеризуемых суспензий для получения керамики из стабилизированного ZrO₂. Стекло и керамика. 2022;95(10):03–10. doi: 10.14489/glc.2022.10.pp.003-010

23. Hostaša J., Schwentenwein M., Toci G., Esposito L., Brouczek D., Piancastelli A., Pirri A., Patrizi B., Vannini M., Biasini V. Transparent laser ceramics by stereolithography. Scr. Mater. 2020;187: 194–196. doi: 10.1016/j.scriptamat.2020.06.006

24. Rolere S., Soupremanien U., Bohnke M., Dalmasso M., Delafosse C., Laucournet R. New insights on the porous network created during solvent debinding of powder injection-molded (PIM) parts, and its influence on the thermal debinding efficiency. J. Mater. Process. Technol. 2021;295:117163–117173. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117163

25. Basir A., Sulong A.B., Jamadon N.H., Muhamad N. Feedstock properties and debinding mechanism of yttria-stabilized zirconia/stainless steel 17-4PH micro-components fabricated via two-component micro-powder injection molding process. Ceram. Int. 2021;47(14):20476–20485. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.04.057

26. Maryisheva M.A., Aleksanyan I.Yu., Nugmanov A.H.-H., Titova L.M., Maksimenko Y.A. Kinetics of technical paraffin dissolution in hexane and the specific heat of vaporization of a hexane-paraffin composition in the production of food paraffin. Scientific journal NRU ITMO Series “Processes and Food Production Equipment.” 2022;1:12–21 (in Russ.). doi: 10.17586/2310-1164-2022-15-1-12-21

27. García-Martín E., Granados-Miralles C., Ruiz-Gómez S., Pérez L., Campo A., Guzmán-Mínguez J.C., Fernández C.J., Quesada A., Fernández J.F., Serrano A. Dense strontium hexaferrite-based permanent magnet composites assisted by cold sintering process. J. Alloys Compound. 2022;917:165531. doi: 10.48550/arXiv.2309.16038

28. Benzing J., Hrabe N., Quinn T., White R., Rentz R., Ahlfors M. Hot isostatic pressing (HIP) to achieve isotropic microstructure and retain as-built strength in an additive manufacturing titanium alloy (Ti-6Al-4V). Mater. Lett. 2019;257: 126690–126695. doi: 10.1016/j.matlet.2019.126690