СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МАГНИТОВ
PRODUCTION METHOD OF HEAT-RESISTANT RARE-EARTH MAGNETS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к изготовлению термостабильных редкоземельных постоянных магнитов для использования в системах автоматики, промышленном оборудовании, автомобилях, ветряных генераторах, и т.д.
Известен способ изготовления редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава с последующим его измельчением, прессования полученного порошка в магнитном поле, спекания и термическую обработку, включающую в себя выдержку при температуре 1175К, 7.2 кс (килосекунд), с последующим медленным охлаждением со скоростью (1-2) К/мин до температуры 775К, выдержку при этой температуре в течение 1 часа с последующей закалкой (Глебов В.А., Лукин А.А. Нанокристаллические редкоземельные магнитотвердые материалы. М. ФГУП ВНИИНМ. 2007. С.179). Недостатком данного способа является невысокий уровень достигаемых свойств магнитов, в частности, магнитной индукции.
Известен также способ изготовления редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава с последующим его измельчением путем гидридного диспергирования, прессования полученного порошка в магнитном поле, спекания и термическую обработку (Патент РФ 1457277, B22F 1/00, 3/02, 3/12, H01F 1/08. 04.06.86). Недостатком данного способа также являются невысокие свойства получаемых магнитов.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов, включающий операции выплавки сплава с последующим его измельчением, прессования полученного порошка в магнитном поле 10 кЭ, спекание в вакуумной печи (Патент РФ 2368969). Недостатком способа является тот факт, что при заданном обратимом температурном коэффициенте магнитной индукции достигаются относительно невысокие магнитные свойства магнита.
r
j
c
Технической задачей изобретения является увеличение магнитных свойств магнитов, а именно индукции B и коэрцитивной силы по намагниченности H при сохранении обратимого температурного коэффициенте магнитной индукции (ТКИ), что определяет повышенную термовременную стабильность магнитов.
Технический результат достигается за счет того, что в отличие от известного способа изготовления термостабильных редкоземельных магнитов, включающем операции выплавки сплава, получения порошка, с последующим его прессованием в магнитном поле, спекания прессовок и термической обработки, согласно изобретению, перед операцией прессования порошка в магнитном поле, дополнительно вводят последовательные операции предварительного прессования, предспекания при температуре на 30-100К ниже температуры спекания и последующего помола заготовки после предспекания совместно с гидридом редкоземельного металла или редкоземельных металлов, который добавляется в количестве 0.5-2 масс.% от общей массы сплава.
2
3
4
r
j
c
Установлено, что магниты, полученные по предложенному способу, содержат менее 1 об.% балластных магнитомягких фаз типа RM, RM, RMB (где R - редкоземельный металл) в отличие от магнитов, полученных по методу-прототипу, в которых содержание магнитомягких фаз достигает 2-4 об.%. Снижение содержания балластных магнитотвердых фаз позволяет реализовать более высокие магнитные свойства, такие как магнитная индукция В и коэрцитивная сила по намагниченности H при сохранении температурного коэффициента магнитной индукции, обусловливающего повышенную температурную стабильность магнитов.
Примеры реализации способа.
1
2
Базовые сплавы получают из исходных компонентов (РЗМ, Fe, Co, Al, Ga, Re, Cu, Al В, Sc, W, Sn, V, Si) или их лигатур путем плавления в вакуумной индукционной печи в среде инертного газа (особочистого аргона) с последующей закалкой в водоохлаждаемую изложницу. Контроль химического состава осуществляют с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии. Тидридное диспергирование слитков и редкоземельных металлов Nd, Pr, Tb, Dy или их сплавов осуществляют в протоке сухого водорода при (375-475) К в течение 3.6-10 кс (килосекунд) с последующей пассивацией в среде газообразного азота. После охлаждения до комнатной температуры полученные порошки базового сплава подвергают тонкому помолу в вибрационной мельнице в среде изопропилового спирта в течение 2.4 кс до среднего размера частиц 3-4 мкм. После прессования и предварительного спекания в интервале температур T=1220-1340K (7.2 кс) образцы повторно подвергают гидридному диспергированию, смешивают с порошком гидрида РЗМ (на 100 массовых долей сплава приходилось до 3 масс.% гидрида РЗМ) и подвергают совместному тонкому помолу в вибрационной мельнице в среде изопропилового спирта в течение 2.4 кс до среднего размера частиц 3-4 мкм. После повторного прессования в магнитном поле и окончательного спекания при Т=1340К (7.2 кс) с последующей обработкой по режиму: 1175К (7.2 кс) охлаждение со скоростью (0.01-0.03) К/с+675К (10-16 кс)+775К (7.2 кс)+закалка. После механической шлифовки алмазным инструментом и намагничивания до насыщения измеряют магнитные свойства образцов при комнатной температуре на гистериографе в замкнутой магнитной цепи в полях до 3 Тл. После магнитных измерений для проведения структурных исследований образцы термически размагничивают в вакууме при 775К, для восстановления исходного состояния. Микроструктуру исследуют с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Используют также локальный рентгеновский анализа.
1
2
2
1
2
2
2
В таблицах 1-2 приведены данные по магнитным свойствам для образцов девяти составов базового сплава, полученных по предложенному способу (T=1290K, Т=1340К, ΔТ=T-T=50K, гидрид РЗМ - 1.0 масс.% NdH) и по способу-прототипу (Т=1340К, ΔТ=0.0К, гидрид РЗМ - 0 масс.% NdH).
Как видно из таблиц 1 и 2, магнитные свойства образцов, полученных по предложенному способу существенно выше, чем полученных в соответствии с прототипом. При использовании химических составов при реализации способа по прототипу, которые соответствовали результирующему составу (базовый сплав+гидридная добавка) по предложенному способу, магнитные свойства изменялись незначительно.
Таблица 1
Химические составы базовых сплавов
№ образца
Химический состав, ат.%
1
(Nd<sub>0.2</sub>Pr<sub>0.2</sub>Dy<sub>0.5</sub>Tb<sub>0.1</sub>)<sub>14.5</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,2</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.2</sub>Re<sub>0.1</sub>F<sub>0.05</sub>B<sub>7</sub>
2
(Nd<sub>0.2</sub>Pr<sub>0.2</sub>Dy<sub>0.4</sub>Tb<sub>0.15</sub>Hd<sub>0.05</sub>)<sub>15</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,24</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.2</sub>Sc<sub>0.04</sub>B<sub>7.5</sub>
3
(Dd<sub>0.4</sub>Dy<sub>0.3</sub>Tb<sub>0.2</sub>Gd<sub>0.10</sub>)<sub>15</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,27</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.2</sub>Re<sub>0.1</sub>B<sub>8</sub>
4
(Nd<sub>0.15</sub>Pr<sub>0.25</sub>Dy<sub>0.4</sub>Tb<sub>0.2</sub>)<sub>14</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,2</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.2</sub>W<sub>0.1</sub>B<sub>8</sub>
5
(Nd<sub>0.2</sub>Pr<sub>0.2</sub>Dy<sub>0.2</sub>Tb<sub>0.2</sub>Ho<sub>0.1</sub>)<sub>14.5</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,24</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.1</sub>Sn<sub>0.1</sub>B<sub>8</sub>
6
(Dd<sub>0.4</sub>Dy<sub>0.3</sub>Tb<sub>0.15</sub>Ho<sub>0.15</sub>)<sub>15</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,27</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.1</sub>Ga<sub>0.05</sub>B<sub>8</sub>
7
(Dd<sub>0.4</sub>Dy<sub>0.4</sub>Tb<sub>0.2</sub>)<sub>15</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0,2</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.2</sub>V<sub>0.1</sub>B<sub>8</sub>
8
(Nd<sub>0.75</sub>La<sub>0.05</sub>Tb<sub>0.2</sub>)<sub>15</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0.2</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.1</sub>Si<sub>0,1</sub>B<sub>8.5</sub>
9
(Nd<sub>0.8</sub>Tb<sub>0.2</sub>)<sub>15</sub>(Fe<sub>0.8</sub>Co<sub>0.2</sub>)<sub>ост.</sub>Cu<sub>0.1</sub>Al<sub>0.2</sub>B<sub>8.5</sub>
Таблица 2
Сравнительные магнитные свойства магнитов, полученных по способу-прототипу (Т<sub>2</sub>=1340К, ΔТ=0К, гидрид РЗМ - 0 масс.% NdH<sub>2</sub>) и по предложенному способу (T<sub>1</sub>=1290K, T<sub>2</sub>=1340К, ΔТ=Т<sub>2</sub>-Т<sub>1</sub>=50К, гидрид РЗМ - 1 масс.% NdH<sub>2</sub>)
№ образца
Предложение
Прототип
Br, Тл
<sub>j</sub>H<sub>c</sub>, кА/м
ТКИ, %/К
B<sub>r</sub>, Тл
<sub>j</sub>H<sub>C</sub>, кА/м
ТКИ, %/К
1
1.06
1680
-0.02
1.0
1360
-0.02
2
1.06
1690
-0.02
1.0
1380
-0.02
3
1.06
1710
-0.02
1.0
1400
-0.02
4
1.06
1700
-0.02
1.0
1390
-0.02
5
1.09
1705
-0.03
1.03
1410
-0.03
6
1.06
1700
-0.02
1.0
1400
-0.02
7
1.12
1680
-0.04
1.06
1385
-0.04
8
1.14
1690
-0.05
1.08
1395
-0.05
9
1.16
1750
-0.06
1.10
1430
-0.06
r
j
c
2
14
В таблицах 3 и 4 приведены данные по магнитным свойствам образцов с различным количеством и различного химического состава добавок. Как следует из таблицы 3 при меньшем или большем содержании относительно оптимальных значений добавок магнитные свойства существенно ниже. При частичной замене в гидриде РЗМ неодима на празеодим, диспрозий или тербий (см. таблицу 4) незначительно уменьшается B, однако увеличивается H,. Это объясняется различием в значениях поля магнитной анизотропии магнитотвердой фазы типа PЗMFeB.
Таблица 3
Магнитные свойства образцов №9 в зависимости от количества гидридной добавки (NdH<sub>2</sub>)
Тип магнита
Кол-во NdH<sub>2</sub>, масс.%
Магнитные свойства
Br, Тл
<sub>j</sub>H<sub>c</sub>, кА/м
ТКИ, %/К
-
0.00
1.10
1430
-0.06
-
0.25
1.11
1490
-0.06
Предложение
0.50
1.14
1680
-0.06
Предложение
1.00
1.16
1700
-0.06
Предложение
1.50
1.15
1750
-0.06
Предложение
2.00
1.14
1810
-0.06
-
2.50
1.10
1640
-0.06
-
3.00
1.08
1650
-0.06
Таблица 4
Магнитные свойства образцов №3 в зависимости от химического состава гидридной добавки (1 масс.%)
Тип добавки RH<sub>2</sub>
Магнитные свойства
Br, Тл
<sub>j</sub>H<sub>C</sub>, кА/м
ТКИ, %/К
NdH<sub>2</sub>
1.06
1710
-0.02
PrH<sub>2</sub>
1.05
1810
-0.02
(Nd<sub>0.5</sub>Pr<sub>0.5</sub>)H<sub>2</sub>
1.05
1760
-0.02
(Nd<sub>0.8</sub>Dy<sub>0.2</sub>)H<sub>2</sub>
1.04
1780
-0.02
(Nd<sub>0.8</sub>Tb<sub>0.2</sub>)H<sub>2</sub>
1.04
1820
-0.02
Прототип
1.00
1400
-0.02
Как следует из таблицы 5, уменьшение или увеличение температуры предварительного спекания относительно оптимального соотношения (ΔТ=30-100К) приводит к снижению магнитных свойств.
Таблица 5
Магнитные свойства образцов №3 в зависимости от температуры предварительного спекания (T<sub>1</sub>) и ΔТ (1 масс.% NdH<sub>2</sub>)
T<sub>1</sub>, K
ΔT, K
Магнитные свойства
Br, Тл
<sub>j</sub>H<sub>c</sub>, кА/м
ТКИ, %/K
1340
0
1.00
1480
-0.02
1325
15
1.01
1510
-0.02
1310
30
1.05
1760
-0.02
1290
50
1.06
1710
-0.02
1270
70
1.05
1700
-0.02
1240
100
1.04
1680
-0.02
1220
120
1.00
1490
-0.02
r
j
c
Предложенный способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов позволяет реализовать более высокие магнитные свойства, такие как индукция B и коэрцитивная сила H при сохранении температурного коэффициента магнитной индукции, обусловливающего повышенную температурную стабильность.
Применение предложенного способа позволяет повысить точность и стабильность работы навигационного оборудования и систем авиационной автоматики.