Спеченные постоянные магниты на основе сплавов КС-25ДЦ с повышенной магнитной энергией и низким температурным коэффициентом индукции (ТКИ)

    С целью повышения параметров постоянных магнитов с |ТКИ|<0,02 %/К в интервале температур от -50°С до +150°С при увеличении содержания железа с 0,22÷0,28 ед. (14÷20 масс. %) до 0,30÷0,36 ед. (22÷26 масс. %) на нашем предприятии были проведены работы по уточнению соотношения содержания Sm и ТРЗМ (Gd, Dy, Er), а так же исследования связи ТКИ с положением рабочей точки постоянного магнита.

    Сплавы различных составов системы Sm1-xТРЗМx(Co, Fe, Cu, Zr)z, где ТРЗМ – Gd, Dy, Er или их комбинация, х=0,2÷0,6, z=7,0÷7,5, выплавлялись в индукционной печи в атмосфере Не с розливом в чугунную шестилучевую изложницу. Составы сплавов представлены в Таблице 1.

Таблица 1

    Слитки дробили и измельчали в шаровой вибромельнице в среде ацетона. Высушенные в вакууме пресс-порошки использовали для составления смесей из двух, трёх или четырёх компонент для подбора оптимального состава, обеспечивающего на спечённом магните требуемые характеристики кривой размагничивания и ТКИ.

    Прессование приготовленных однородных пресс-порошков осуществляли изостатически в эластичных элементах из резины или полиуретана при давлении около 6 т/см3 в магнитном поле 1000÷1200кА/м.

    Спекание проводили в вакуумных печах в вакууме не хуже 10-3 мм.рт.ст. с запуском аргона. Гомогенизирующие отжиги с закалкой спечённых заготовок длительностью от 4 до 24 часов проводили при температурах 1150÷1210 °С. Низкотемпературные отжиги вели в среде инертного газа по режимам: выдержка при 800÷850 °С длительностью до 24 часов с последующим снижением температуры до 400 °С со скоростью 0,4÷1°С/мин.

    После механической обработки (шлифования) образцы в виде дисков Ø16х5,5 мм намагничивались импульсным магнитным полем ~6 Тл.

    Измерение параметров кривой размагничивания производились в замкнутой магнитной цепи электромагнита с Hmax=25 кЭ контрольными измерениями значения 4πJd в открытой цепи в катушке Гельмгольца.

    Характерные кривые размагничивания представлены на рис. 1.

Рисунок 1

Рисунок 1

    Измерения ТКИ в интервале температур 150÷420 К выполняли на установке с термостатированным датчиком Холла в ПЛПМ УрГУ.

    Значения ТКИ рассчитывали из температурной зависимости величины Н(Т) магнитного поля в зазоре между двумя магнитами с одинаковой кривой размагничивания. Измерения Н(Т) проводили при охлаждении магнитов жидким азотом после предварительной выдержки магнитов при Т=+160 °С.

    Значения ТКИ различных композиций Sm1-xТРЗМx(Co, Fe, Cu, Zr)z рассчитаны в трёх температурных диапазонах:

    -50…+60 °С;

    -50…+100 °С;

    -50…+150 °С,

и приведены в Таблице 1 с указанием значения Bd=4πJd. Температурные зависимости индукции ПМ приведены на рисунке 2.

Рисунок 2

Рисунок 2

    Контрольные измерения магнитов Sm(Co0,64Fe0,28Cu0,06Zr0,02)z дают значение ТКИ=-0,036 %/К в интервале температур от -120 °С до +150 °С, что хорошо согласуется с литературными данными для сплавов системы 2:17.

    На рисунке 1 приведены характерные кривые размагничивания: для базового состава Sm(Co0,64Fe0,28Cu0,06Zr0,02)z (состав №8, сиреневая кривая) с величиной (ВН)max=240 кДж/м3, и трех составов, содержащих различные комбинации самария и ТРЗМ. Чёрная кривая – состав 2 с величиной (ВН)max=190 кДж/м3 и ТКИ=-(0,015..-0,017) %/К, оранжевая и синяя кривые – для составов 1 и 3 с суммарным содержанием ТРЗМ~0,5 и значениями ТКИ=±0,005 %/К при (ВН)max=160÷176 кДж/м3. Составы 1-8 со значениями ТКИ и Bd приведены в Таблице 1.

    Анализ данных таблицы показывает, что для получения ТКИ=(0,000…±0,005) %/К необходимо обеспечить относительное содержание ТРЗМ (Dy+Er)~ 0,50 (составы 1, 3).

    Меньшее содержание ТРЗМ (Dy+Er)~0,2 и введение Gd до х=0,17 ухудшает ТКИ до -0,015...-0,017%/К (состав 2), но увеличивает (ВН)max=190 кДж/м3. Компромиссный вариант – составы 6 и 7, где нет Gd, а сумма (Dy+Er)~0,4, обеспечивает ТКИ=-(0,005…0,008)%/К в интервале температур до +100 °С , величину 4πJd=0,94 Тл и (ВН)max=176 кДж/м3.

    В более ранних работах по исследованию ТКИ приведены результаты и сделаны выводы о “сильной” зависимости значения ТКИ от положения рабочей точки магнита. Однако мы считаем, что это справедливо только для магнитов с “неидеальной” прямоугольностью кривой размагничивания. Для магнитов с прямоугольной кривой размагничивания эта зависимость отсутствует или очень мала.

    Для проверки этого предположения была проведена дополнительная оптимизация режимов термообработок (гомогенизирующего отжига и НТО) для состава с содержанием ТРЗМ (Dy+Er)~ 0,50 (оранжевая кривая размагничивания) на рисунке 1. Несколько образцов в виде дисков Ø16х5,5 мм с одинаковой кривой размагничивания использовались для температурных измерений на составных образцах Ø16х5,5, Ø16х11, Ø16х16,5 мм, что соответствует относительному размагничивающему фактору N~0.75; 0,5 и 0,35. Средние значения ТКИ для интервала -50…+100 °С составили соответственно -0,003; -0,003 и -0,001 %/К, что свидетельствует о слабой зависимости значения ТКИ от размагничивающего фактора для магнитов с прямоугольностью кривой размагничивания, близкой к “идеальной”.

    Проведённые исследования магнитов из сплавов системы Sm1-xТРЗМx(Co, Fe, Cu, Zr)z с пониженным ТКИ показали следующее:

    1. при введении ТРЗМ х=0,6 возможно получение сплавов с относительным содержанием железа до 0,36 ед.(26 масс.%), что объясняется “хорошей” металлургией соединений ТРЗМ-Fe, т.е. перитектическим характером образования фаз ТРЗМ2Fe17 и ТРЗМFe4÷5;

    2. при оптимизации составов сплавов Sm1-xТРЗМx(Co, Fe, Cu, Zr)z с содержанием ТРЗМ (Dy+Er)~ 0,50 и режимов термообработок спечённых магнитов возможно получение высокой JHc~25 кЭ (2000 кА/м), что составляет 25÷50 % от величины поля анизотропии. Последнее позволяет надеяться найти составы типа 2:17 с повышенным содержанием железа, возможно до 30 масс.%, и соответственно повысить энергетические характеристики постоянных магнитов с пониженным ТКИ.

 
Постоянные магниты
Магнитные системы