СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОТВЕРДОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ СПЛАВА САМАРИЯ С КОБАЛЬТОМ
PRODUCTION OF MAGNETICALLY HARD COAT FROM ALLOY OF SAMARIUM WITH COBALT

Изобретение относится к методам получения магнитотвердых материалов с высоким полем размагничивания и может найти применение при производстве постоянных магнитов, используемых в конструкциях малогабаритных двигателей постоянного тока, бортовой измерительной аппаратуре, а также различных устройствах, предназначенных для исследования космического пространства.
Редкоземельные элементы могут образовывать с переходными металлами с незаполненной электронной 3d-оболочкой соединения, названные интерметаллическими, которые при комнатной температуре являются ферромагнетиками и характеризуются очень сильным магнитным полем. Остаточная индукция у таких соединений почти вдвое больше, чем у ферритов, они имеют высокие значения размагничивающего поля (коэрцитивной силы) и магнитной энергии, уровень которой превосходит значения, известные до появления этих соединений. Интерметаллические соединения имеют чрезвычайно высокую магнитокристаллическую анизотропию, с полями анизотропии, достигающими 300 кЭ, намагничивание до насыщения близкое к 12000 Гс. Температурный коэффициент обратимых изменений индукции таких соединений в интервале температур от +20 до +300°C составляет: -0,047…-0,051%/град.
Известен способ получения магнитотвердых материалов из соединений самария с кобальтом (Сергеев В.В., Булыгина Т.И. Магнитотвердые материалы. - М.: Энергия, 1980, стр.71-90). Способ включает выплавку сплава заданного химического состава в атмосфере инертного газа, измельчение слитков сплава в порошок, прессование порошка в магнитном поле, спекание и термическую обработку заготовок.
Существенным недостатком магнитов, полученных этим способом, является низкое значение коэрцитивной силы и температурная нестабильность магнитных свойств, ввиду резкого снижения их коэрцитивной силы с повышением температуры.
Кроме того, этим способом невозможно получить покрытия на поверхности детали без механического крепления или клеевой технологии.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения квазикристаллического сплава в виде покрытия (патент РФ №2335574 МПК: C22C 1/04, C22C 21/12. Опубл. 10.10.2008 Бюл.№28), заключающийся в том, что покрытие формируют при помощи плазмотрона послойным напылением на поверхность охлаждаемой теплоносителем детали расплавленных частиц, нагреваемых в плазменной струе, экранированной пирофорным технологическим газом, имеющим фокус обдува в пятне напыления, причем температуру в пятне напыления поддерживают в интервале 650…750°C.
Данным способом невозможно получить покрытие из магнитотвердого материала, так как экранировка плазменной струи, содержащей расплавленные частицы химически активного сплава самария с кобальтом пирофорным газом недостаточна для полной защиты их от атмосферного кислорода при напылении на воздухе, а заявляемая температура в пятне напыления недостаточна для образования высококоэрцитивной фазы.
Задачей изобретения является получение покрытия из магнитотвердого сплава самария с кобальтом, имеющего высокую коэрцитивную силу и низкое значение температурного коэффициента намагниченности.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения покрытия, заключающемся в послойном напылении при помощи плазмотрона на охлаждаемую подложку расплавленного в высокотемпературной зоне плазменной струи порошка металлического сплава, согласно изобретению напыление осуществляют в камере в среде отработанных инертных газов плазмотрона и обеспечивают температуру в пятне напыления 800-900°C, причем напыляемый порошок металлического сплава содержит самарий и кобальт при следующем соотношении компонентов: самарий - 40 вес.%, кобальт - остальное.
Техническим результатом изобретения является получение магнитотвердого материала в виде покрытия с высокой коэрцитивной силой и низким значением температурного коэффициента намагниченности в интервале температур -50…+500°C.
На фиг.1 схематично приведена установка, на которой реализуется заявляемый способ получения покрытия из сплава самария с кобальтом.
На фиг.2 приведена рентгенограмма исходного порошка.
На фиг.3 приведена рентгенограмма напыленного покрытия.
На фиг.4 приведены зависимости магнитных характеристик полученного покрытия от температуры.
Установка, с помощью которой реализуется заявляемый способ (фиг.1), содержит камеру 1 с патрубком 2 для выхода отработанных газов плазмотрона. Плазмотрон 3, создающий плазменную струю 4, имеет патрубки для ввода плазмообразующего газа (ПО) и напыляемого порошка с транспортирующим газом (П+ТГ). Покрытие 5 наносится на деталь 6, охлаждаемую теплоносителем 7.
Способ осуществляется следующим образом.
Порошок сплава, содержащего 40% самария, остальное - кобальт, транспортирующим газом гелием подается в плазмотрон 3, нагревается в плазменной струе 4 (в качестве плазмообразующего газа использован аргон) до температуры плавления и со скоростью, близкой к скорости плазменной струи на дистанции L, переносится к поверхности детали 6, охлаждаемой теплоносителем 7, при взаимном перемещении детали и плазмотрона. Плазмотрон расположен в закрытой камере, в которой образуется защитная среда за счет вытеснения воздуха отработанными инертными газами плазмотрона. Избыточное количество отработанного газа выходит из камеры через патрубок 2.
п
ж
5
Температура в пятне напыления зависит от энергетических параметров работы плазмотрона (ток дуги J, напряжение катод-анод U) и технологических параметров процесса напыления (дистанции напыления L, скорости взаимного перемещения плазмотрона и детали V, расхода порошка q и теплоносителя q) и задается равной 800-900°C. При такой температуре обеспечиваются условия образования максимального количества гексагональной фазы SmCo.
5
5
Как известно (Сергеев В.В., Булыгина Т.И. Магнитотвердые материалы. - М.: Энергия, 1980, стр.48-63) из числа многих интерметаллических соединений редкоземельных элементов с кобальтом, соединение SmCo имеет гексагональную структуру с низкой симметрией, высокую магнитную кристаллографическую анизотропию, сравнительно высокую температуру Кюри и высокое значение намагниченности насыщения. Магнитные моменты редкоземельных элементов и кобальта действуют параллельно, поэтому в качестве магнитотвердых материалов для постоянных магнитов желательно применять соединения SmCo.
Так как в процессе напыления происходит расплавление металлического порошка в высокотемпературной зоне плазменной струи, то наиболее летучий компонент - самарий - испаряется, что отражается на сформированном покрытии. В зависимости от количества самария в составе покрытия меняется химический состав и структура покрытия и, соответственно, его магнитные характеристики: коэрцитивная сила, намагниченность насыщения и остаточная намагниченность.
Для выявления оптимального химического состава покрытия, соответствующего максимуму гистерезисных свойств, были опробованы порошки с различным содержанием самария. Процесс напыления для каждого вида порошка проводился при одинаковых технологических и энергетических параметрах (таблица 1), обеспечивающих максимальный коэффициент использования порошка и заданный температурный режим в пятне напыления 800-900°C.
Таблица 1
Технологические параметры
Единица измерения
Значение
Напряжение катод-анод U
В
67
Ток дуги I
А
200
Мощность дугового разряда плазмотрона W
кВт
13,4
Расход порошка q<sub>п</sub>
г/с
1
Размер частиц порошка q<sub>чп</sub>
мкм
1…10
Расход плазмообразующего газа аргона q<sub>a</sub>
л/с
1,5
Расход транспортирующего газа гелия q<sub>г</sub>
л/с
2
Дистанция напыления L
мм
80
Скорость взаимного перемещения плазмотрон-деталь V
мм/с
6
Шаг сканирования S
мм
3
Расход теплоносителя q<sub>ж</sub>
л/мин
6
Коэрцитивная сила исходного порошка близка к нулю. Магнитные характеристики покрытий, полученных из порошков с различным весовым содержанием исходных веществ, представлены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что максимальное значение коэрцитивной силы, равное 55 кЭ, наблюдается у исходного сплава содержащего 40 весовых процентов самария.
Таблица 2
Весовое содержание Sm в сплаве, %
Магнитные характеристики покрытий
Коэрцитивная сила Н<sub>с</sub>, кЭ
Намагниченность насыщения σ<sub>m</sub>, Гс·см<sup>3</sup>/г
Остаточная намагниченность σ<sub>r</sub>, Гс·см<sup>3</sup>/г
33
10
36
26
37
6
61
37
39
12
44
33
40
55
39
33
42
33
35
26
5
В напыленном образце с содержанием в исходным порошке 40 весовых процентов самария присутствует максимальное количество фазы SmCo-фазы с гексагональной структурой, обладающей наибольшими значениями магнитной анизотропии и коэрцитивной силы.
Для выяснения фазового состава порошка исходного сплава и материала полученного покрытия был проведен рентгеноструктурный анализ.
5
2
7.
2
7
5
Рентгенограмма порошка исходного сплава, содержащего 40 весовых процентов самария, представлена на фиг.2. На рентгенограмме участки 1-5 соответствуют фазе SmCo, а участки 2-7 - SmCo Наблюдаем явно выраженный узкий рефлекс при 29-53° соответствующей фазе SmCo и расположенными на склонах плечами фазы SmCo, что характерно для неоднородного кристаллического сплава.
2
7
5
На рентгенограмме видно, что наиболее интенсивные линии фаз SmCo и SmCo находятся в углах 20 от 35° до 60°, причем самые сильные линии этих соединений лежат очень близко друг к другу. Это вызвано тем, что структуры этих соединений родственны и межплосткостные расстояния близки. Наложение самых интенсивных линий различных фаз затрудняет проведение фазового анализа и снижает его точность. Однако линии, соответствующие отражению от базисных и призматических плоскостей этих соединений, не перекрываются, и это позволяет заметить присутствие второй фазы, если ее количество превышает 5…10%.
5
2
7
5
2
7
Рентгенограмма напыленного покрытия (фиг.3) показала, что содержание самария в покрытии примерно 37%, следовательно, 3% Sm испарилось при термосиловом взаимодействии плазменной струи и напыляемого порошка. Преобладающее количество, приблизительно 2/3 объема напыляемого покрытия соответствует фазе SmCo, а оставшееся количество объема принадлежит фазе SmCo. На рентгенограмме участки 1-5 принадлежат SmCo, участки 2-7 - SmCo.
5
Исследования фазового состава подтвердили, что основной вклад в высокие значения коэрцитивной силы принадлежит SmCo.
3
Исследования на стабильность магнитных характеристик плазмонапыленного покрытия от температуры представлены на графике (фиг.4). Из графика видно, что значение коэрцитивной силы не изменяется до температуры 500°C (кривая 1), остаточная намагниченность при этом, незначительно повышается (кривая 2), а намагниченность насыщения повышается с 40 до 53 Гс·см/г (кривая 3). Такое поведение магнитных характеристик сохраняется в диапазоне до 500°C при многократно повторяющихся режимах термообработки, что свидетельствует о высокой термостабильности магнитных свойств плазмонапыленного магнитотвердого покрытия из сплава самария с кобальтом.
max
Размагничивающий участок петли гистерезиса материала близок к прямоугольной, а максимальная магнитная энергия W достигает значений 9,6 МГс·Э.
3
Предложенным способом получен плазмонапыленный высокостабильный магнитотвердый материал покрытия с высокой коэрцитивной силой до 60 кЭ, остаточной индукцией 4·10 Гс и коэффициентом температурной стабильности индукции 0,0001%/град, позволяющий работать при температурах от -50 до +500°C, при малых толщинах покрытия (с большим размагничивающим фактором), при отсутствии клеевой технологии их крепления на поверхностях магнитопроводов сложной геометрической формы.