ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Организация производства нанокристаллической ленты на основе железа»

Рекомендуемая область пременения

В настоящее время аморфные магнитомягкие материалы находят применение в различных отраслях:
В системах телекоммуникаций (например, стандарта ISDN) использование сетей с элементами из аморфных сплавов позволяет с высоким качеством и надёжностью подключить к одной линии до восьми абонентов (ПК, модем, видеотелефон и проч.)
В электротехнической промышленности замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом даёт экономию электроэнергии на вихревых токах
В устройствах защитного отключения (УЗО), управляемых дифференциальным током, предназначенных для защиты людей от поражения электрическим током, в том числе и при использовании бытовой электроаппаратуры
В электроизмерительной технике - магнитомерах с аналоговым выходом, трансформаторах тока, счётчиках электроэнергии
В импульсных источниках питания
В AC/DC и DC/DC преобразователях
В аудио- и видеоаппаратуре для изготовления магнитных головок высокочастотной высокоплотной записи
Высокое удельное сопротивление аморфных материалов позволяет использовать их в качестве резистивных элементов, в том числе для устройств высокоэффективных систем электронагрева
Высокая радиационная и коррозийная стойкость аморфных материалов позволяет использовать их в качестве аморфных припоев на основе меди для соединения узлов ядерных и термоядерных реакторов в атомной технике

Назначение, цели и задачи проекта

Магнитомягкие материалы, являясь обязательными элементами для конструирования компонентов изделий электроники и электротехники, постоянно совершенствуются: ведутся работы, направленные на дальнейшее повышение уровня комплекса магнитных свойств, на удешевление технологии металлургического передела, термической обработки и т.д. Важнейшим шагом в развитии магнитомягких сплавов является открытие и разработка аморфных сплавов (АММС) с уникальным сочетанием физических свойств.

Магнитомягкие нанокристаллические материалы – это новый класс материалов со  смешанной аморфно-кристаллической структурой. Эти материалы имеют уникальное сочетание магнитных характеристик, свойственных по отдельности АММС на основе кобальта и железа. Достигнутые в настоящий момент характеристики: индукция магнитного насыщения до 1,25 Тл, начальная магнитная проницаемость более 1,2 х 105, эффективная проницаемость на частоте 1 МГц более 2 х 103, коэрцитивная сила менее 0,6 А/м.

В настоящее время требования, предъявляемые к электромагнитным компонентам в условиях рынка, достаточно быстро возрастают. Разрабатываются новые поколения аппаратуры в области вычислительной техники, техники связи, систем телекоммуникаций. Внедрение нового поколения электромагнитных компонентов в аппаратуре различного назначения из ленты собственного производства позволит получить громадный экономический эффект. Применение разрабатываемых трансформаторов и блоков трансформаторов в приемо-передающих трактах систем передачи данных в стандарте ISDN позволит снизить массогабаритные характеристики, уменьшить энергопотребление, повысить помехозащищенность, на 1-2 порядка повыситьскорость обработки информации, повысить надежность функционирования аппаратуры связи перспективных комплексов. Применение разрабатываемых трансформаторов и блоков трансформаторов в системах связи гражданского назначения позволит заменить импортные аналоги на отечественную комплектацию, что приведет к снижению стоимости систем связи, расширению рынков сбыта продукции отечественного производства, в том числе осуществлять поставки на экспорт.

Разрабатываемые на предприятии электромагнитные компоненты соответствуют уровню изделий лучших зарубежных фирм («Hitachi» Япония, «Vacuumschmelze» Германия, «Allied Signal» США) и требованиям отрасли для устройств, работающих с режимом переключения.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Изначально для магнитопроводов применялись электронные ленты из пермаллоев - железоникелевых сплавов с высокой проницаемостью в слабых полях. Они относятся к магнитно-мягким материалам.

Для улучшения электромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом ( Mo )( MO-пермаллой ), хромом ( Cr ), медью ( Cu ) и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатанными с последующим высокотемпературным отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. Cердечники из пермаллоя очень чувствительны к механическим напряжениям (могут ухудшиться их магнитные характеристики), обладают высокой хрупкостью и твердостью, имеют сильную зависимость магнитных свойств от температуры.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Сейчас на предприятии введена в эксплуатацию первая установка спинингования аморфных лент «Сатурн – 10». Данная установка позволила наладить выпуск аморфных лент на основе железа  толщиной  от 10 микрон.

Аморфное состояние сплавов достигается подбором химического состава и использованием специальной технологии охлаждения из расплава со скоростью выше критической, определённой для каждого состава. Отсутствие дислокации приводит к тому, что металлические стёкла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твёрдость влечёт за собой их великолепную износостойкость. Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов - их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стёкла вообще не корродируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равна нулю. По-видимому, основная причина такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов состоит в том, что, не имея кристаллической решётки, они лишены и характерных "дефектов" кристаллов - дислокации и, главное, границ между зёрнами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле вблизи этих "дефектов" уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл "вражеские агенты". Важно, что бездефектная структура аморфного сплава придаётся той тонкой окисной плёнке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с "агрессором".

Специфичность технологий позволяет изготавливать аморфные сплавы в виде лент толщиной менее 40 мкм и микропровода с диаметром металлической жилы от 5 до нескольких десятков мкм.

Для изготовления аморфных сплавов в виде лент обычно используется способ охлаждения, при котором струя жидкого металла с определённой скоростью направляется на поверхность быстро вращающегося цилиндра, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью.

Микропровод с аморфной структурой изготавливается путём расплавления токами высокой частоты металла, заключённого в стеклянную трубку с коническим дном, с вытягиванием и охлаждением тонкого капилляра, заполненного металлом.

Аморфные сплавы при нагревании переходят в кристаллическое состояние. Для стабильной работы изделий из аморфных сплавов необходимо, чтобы их температура не превышала для каждого сплава максимальной рабочей температуры (Т раб max).

В настоящее время наибольшее распространение получили магнитомягкие аморфные сплавы, в которых сочетаются высокие магнитные и механические свойства.

Магнитомягкие аморфные сплавы - ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса. Особенностью магнитомягких аморфных сплавов по сравнению с кристаллическими является большое (около 20 %) содержание немагнитных элементов, как бор, углерод, фосфор и проч., необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость.

В целях увеличения объема продаж продукции двойного применения на рынке изделий радиоэлектронной техники перед ОАО «Мстатор» стоит ряд задач. Приоритетным  направлением в этой области является  увеличение производства аморфной ленты, т.к. от этого напрямую зависят объемы выпуска радиокомпонентов. Технологический процесс изготовления аморфных лент  обеспечивается  и находится в прямой зависимости от существующего оборудования, поэтому требуется произвести технологическое обновление предприятия.

Для реализации проекта  необходимо дополнительно изготовить, модернизировать и произвести монтаж следующего оборудования:

- установка литья аморфных лент «Сатурн-10» –  1 ед.;

- плавильная установка УИПВ – 0,050 – 2 ед.;

- автомат навивки магнитопроводов с регулируемым натяжением ленты –  5 ед.;

- автоматизированная система контроля магнитопроводов – 1 ед.;

-  автомат вырубки выводов – 2 ед.;

- термопластавтомат для литья корпусов – 1ед.

Проектом предусмотрен ввод в эксплуатацию второй установки «Сатурн-10» для серийного производства аморфных лент.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Магнитомягкие аморфные сплавы сочетают высокие магнитные и механические свойства.

Магнитомягкие аморфные сплавы - ферромагнитные сплавы с узкой петлёй гистерезиса. Особенностью магнитомягких аморфных сплавов по сравнению с кристаллическими является большое (около 20 %) содержание немагнитных элементов, как бор, углерод, фосфор и проч., необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твёрдость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость.

Увеличение объемов производства аморфной ленты с прецизионно специфическими свойствами по параметрам покроют объёмы их применения в производстве ОАО «Мстатор» всего ряда электромагнитных компонентов, пользующихся повышенным спросом на Российском и зарубежном рынках.

Особенности и преимущества проекта:

Проектом предусмотрено расширить диапазон лент по толщине от 10 до 30 мк. С помощью разрабатываемого оборудования и технологии намечено повысить и стабилизировать электромагнитные параметры лент, приводя их в соответствие с параметрическими требованиями к изделиям, выпускаемым ОАО «Мстатор», чего не обеспечивают должным образом существующие Российские поставщики, не обладающие таким оборудованием.

Реализация проекта обеспечит максимально возможную оперативность в доставке исходных лент в необходимых объемах и качестве на производство и сократит, таким образом, сроки исполнения быстро меняющихся по номенклатуре контрактных поставок изделий на их основе. Применение аморфных сплавов и лент позволяет создать энергосберегающие технологии, что особенно актуально в условиях постоянного роста цен на энергоресурсы и наличия их дефицита в ряде стран.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости и характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. У аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с металлом кристаллическим. Он становится в несколько раз прочнее, повышается его стойкость к коррозии, меняются электромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант - модуль упругости. В отличие от сплавов с кристаллической структурой, технология получения которых имеет серьёзные проблемы, связанные с антагонизмом свойств компонентов на этапе кристаллизации, в аморфных сплавах прекрасно соединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты-антагонисты успевают проявить свой антагонизм. Это открывает широчайшие возможности поиска оптимальных комбинаций компонентов для получения конкретных свойств. Аморфные сплавы получили название металлических стёкол. Прежде всего, интересны ферромагнитные свойства сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Магнитомягкие свойства металлических стёкол в основном оказались лучше свойств пермаллоев, притом эти свойства более стабильны.

Сравнительные характеристики магнитомягких материалов:

Применение аморфных сплавов и лент позволяет создать энергосберегающие технологии.

Новые потребительские свойства продукции

Аморфные магнитосплавы имеют целый ряд преимуществ:
Низкие удельные потери
Высокое электрическое сопротивление
Отличные электромагнитные характеристики в широком диапазоне частот (до 1 Мгц)
Возможность дальнейшей миниатюризации и повышения эффективности электронных устройств
Снижение искрового тока и подавление шумов
Экономия электроэнергии
Более короткий (на 25 %) цикл производства изделий из аморфных лент по сравнению с пермаллоями, что снижает энергетические затраты заводов-изготовителей
Экологически достаточно чистое производство изделий из аморфных материалов по сравнению, например, с ферритами.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Завершены НИОКР по созданию оборудования для выпуска аморфных лент на основе железных сплавов. Основные кооперированные поставки составных его частей осуществляют фирмы ЗАО «Мосремточстанок» г. Москва, РЭЛТЕК г. Екатеринбург, «Фесто», «Вебер» г. Санкт-Петербург, НИИПТ «Растр» г. Великий Новгород поэтапно по мере изготовления.

Предлагаемые инвестиции

24,95 млн. руб.
Для завершения всех разработок необходимы привлекаемые средства в объеме 24950 тыс. руб.

Рынки сбыта

За последние 25 лет наиболее развивающейся отраслью во всех развитых странах мира была и остается электронная промышленность. Наиболее перспективным является путь создания электромагнитных компонентов на базе принципиально новых материалов - аморфных и нанокристаллических сплавов, полученных сверхскоростной закалкой из расплава.
Основной деятельностью предприятия является производство электромагнитных компонентов двойного применения – высокочастотные дроссели, трансформаторы импульсные линейные, трансформаторы импульсные, блоки трансформаторов импульсных, нанокристаллические магнитопроводы, магнитопроводы насыщения, магнитопроводы для импульсных трансформаторов, цилиндрические магнитопроводы. Реализация продукции осуществляется как на внешнем, так и на внутреннем рынке. В течение 15 лет основными покупателями на внешнем рынке являются фирмы Ю. Кореи, а также Германии, Франции, на внутреннем рынке - ЗАО «Группа компаний «Электронинвест» г. Москва, ЗАО «ЗЭМ «Энергия» г. Королёв, ФГУП НПО «Импульс» г. Санкт-Петербург и др.
Отечественная электронная промышленность в настоящее время обладает производственно-технологическими возможностями для удовлетворения нужд отечественных производителей конечной продукции радиоэлектронной техники.
В настоящее время поставщиком-монополистом аморфной ленты является ВНИИМЭТ г. Калуга. Выпускаемая ими продукция не полностью удовлетворяет по техническим параметрам, выпускаемый объем ленты не обеспечивает потребности ОАО «Мстатор» для производства изделий на базе аморфной ленты, из-за чего наше предприятие нарушает ритмичность производственного процесса, следовательно, несет дополнительные затраты.
Но всегда покупать материалы по завышенной цене предприятие не намерено. Поэтому налаживается собственное производство аморфной ленты. Самостоятельное производство не только готовой продукции, но еще и основного сырья значительно снизит себестоимость изделия, а именно, расходы на основные материалы.

Возможность и эффективность импортозамещения

Разрабатываемые на предприятии электромагнитные компоненты соответствуют уровню изделий лучших зарубежных фирм («Hitachi» Япония, «Vacuumschmelze» Германия, «Allied Signal» США) и требованиям отрасли для устройств, работающих с режимом переключения.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

18

Дата поступления материала

13.11.2006