Ученые Росатома, ИМЕТ РАН и УрФУ нашли способ оптимизировать стоимость производства постоянных магнитов

Ученые научного дивизиона Госкорпорации «Росатом», Института металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова (ИМЕТ РАН) и Уральского федерального университета (УрФУ) представили на II Отраслевом научно-техническом семинаре Росатома по постоянным магнитам промежуточные результаты проектов по разработке технологии получения магнитных материалов для применения в ветрогенераторах и электродвигателях. 

Научно-исследовательские работы проводятся в рамках федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» Комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий (ФП-4 КП РТТН), Единого отраслевого тематического плана Росатома и Уральского межрегионального научно-образовательного центра.

Как рассказал научный руководитель ФП-4 КП РТТН, первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации» Алексей Дуб, проводимые научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) объединяют несколько направлений: получение эффективных технологий производства редкоземельных металлов, высокотемпературных магнитных материалов и разработку комплексной технологии получения постоянных магнитов для перспективных изделий и систем с варьируемыми или заданными магнитными характеристиками, включая градиентные структуры с использованием аддитивных технологий.

«Полученные коллегами результаты, представленные в рамках сегодняшнего семинара, демонстрируют положительную динамику процессов. Это подтверждает и тот факт, что к нашему обсуждению начинают присоединяться непосредственно потребители магнитной продукции. В этот раз это представители АО «ТВЭЛ» и ПАО «КАМАЗ». Надеюсь, их количество будет расширяться», — отметил он. 

Научный руководитель направления «Металлургия» ВНИИХТ им. академика Б.Н. Ласкорина Сергей Мельников рассказал о результатах работ по разработке технологии получения лигатур редкоземельных металлов для производства постоянных магнитов. Специалисты впервые в России применили метод электролиза оксидов редкоземельных элементов как чистых редкоземельных металлов, так и их смесей. Благодаря этому в 2022 году ученые получат магнитный материал в виде компактных слитков на основе существующих и новых базовых составов РЗМ-Fe (РЗМ – Nd; РЗМ – Nd-La-Pr-Ce). При этом себестоимость его производства будет значительно ниже имеющихся аналогов. 

Младшие научные сотрудники ИМЕТ РАН Николай Дормидонтов и Павел Прокофьев представили оборудование и возможности Института для исследования и получения высокочистых редкоземельных металлов и постоянных магнитов. В частности, Николай Дормидонтов рассказал о возможностях использования индукционной вакуумной плавильной печи для синтеза сплавов, водородной печи — для гидрогенолиза сплавов добавок РЗМ-Co-Cu и другом оборудовании. Павел Прокофьев представил разработанную и запатентованную технологию переработки постоянных магнитов из вторсырья (рециклинг по схеме «магнит-в-магнит», где в виде вторсырья использовались лом магнитов марок N42, N38U, а также магниты, извлечённые из жестких дисков, и добавка гидрида неодима к порошковой смеси). Возможность реализации такой технологии основана на методе бинарных смесей и прецизионной инженерии структуры магнитотвердого материала, что было рассмотрено в сообщении заведующего Лабораторией физикохимии тугоплавких и редких металлов и сплавов Натальи Кольчугиной. Также отмечено, что для потенциальных потребителей постоянных магнитов – АО «ТВЭЛ» и ПАО «КАМАЗ» — требуются магнитные свойства не ниже марок N42H, а в магнитах для электродвигателей очень важно, чтобы максимальная рабочая температура была составляла не менее + 180-200 Сº.

Доценты кафедры редких металлов и наноматериалов Физико-технологического института Уральского федерального университета Евгений Кириллов и Илья Половов представили многолетний опыт института в разработке технологии извлечения и разделения редкоземельных элементов для получения чистых металлов и сплавов. Так Илья Половов рассказал о результатах проведенного в 2022 году исследования диаграммы плавкости RF3-LiF и обоснования технологии получения фторидов редкоземельных элементов и синтеза плава электролита, а Евгений Кириллов внес предложение по переработке отходов производства магнитов, которые, по его мнению, могут составить до 1000 тон в год. Заведующий отделом магнетизма твёрдых тел УрФУ Николай Кудреватых представил заявку на аванпроект по разработке отечественного оборудования и технологии водородной обработки сплавов для постоянных магнитов на основе системы РЗМ-Fe-B. 

Доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов рассказал о возможностях использования аддитивных технологий для производства постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой без тяжелых редкоземельных металлов. Он отметил достоинства (любая форма деталей в мелкосерийном производстве, минимум отходов, снижение времени производственного цикла, управление свойствами) и недостатки (свойства изделий, ограниченный выбор исходных материалов, необходимость постобработки, высокая стоимость, закрытые настройки) 3D-печати.

Постоянные магниты – изделия из магнитотвердых материалов, способные сохранять состояние намагниченности в течение длительного времени. Они используются в качестве автономных источников магнитного поля, для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. Области применения постоянных магнитов — робототехника, магнитно-резонансная томография, производство ветрогенераторов, электродвигателей постоянного тока, мобильных телефонов, высококачественных динамиков, бытовой техники (кондиционеров, холодильников, морозильников, кухонных вытяжек), жестких дисков компьютеров и т. д. Использование постоянных магнитов позволяет уменьшить габариты изделий и увеличить их КПД.

Комплексная программа «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ» (КП «РТТН») разработана Госкорпорацией «Росатом» совместно с НИЦ «Курчатовский институт», Российской академией наук, а также Министерством науки и высшего образования РФ. Она включает разработку новых передовых технологий и материалов, образцов новой техники, техническое перевооружение, строительство уникальных комплексов и объектов инфраструктуры в области атомной энергетики и управления реакциями термоядерного синтеза, а также атомных станций малой мощности. В апреле 2022 года указом Президента РФ она продлена до 2030 года.

Большинство научных исследований и разработок дивизиона выполняются в рамках ЕОТП. Это общий свод НИОКР, ориентированный на разработку приоритетных направлений научно-технологического развития Росатома. Главные направления ЕОТП: проектное направление «Прорыв», развитие современной ядерной энергетики на базе технологий водо-водяных энергетических реакторов, атомные станции малой мощности, переработка отработавшего ядерного топлива и мультирециклирование ядерных материалов, водородная энергетика, материалы и технологии, ядерная медицина, сверхпроводимость, лазерные, термоядерные и плазменные технологии.