СПЛАВ ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Российский патент 1995 года по МПК H01F1/47 

Изобретение может быть использовано в различной аппаратуре связи, вольт- и амперметрах, интегрирующих ваттметрах, а также контрольно-измерительных приборах и т.д.

Известны соединения редкоземельных элементов (REE) с железом или кобальтом, обладающие уникальными магнитными свойствами: магнитные материалы с цилиндрическими доменами, магнитные материалы с уникальными магнитными свойствами: полупроводниковые магнитные материалы, содержащие ванадий и титан, у которых вблизи температуры, соответствующей точке Кюри, электрическое сопротивление может меняться от полупроводникового до металлического.

Одним из таких магнитных материалов является материал системы редкоземельных элементов железо бор, который характеризуется наибольшей из известных максимальной магнитной энергией до 360-480 кДж/м³ (45-60 МГсЭ) и коэрцитивной силой, соизмеримой с коэрцитивной силой самарий кобальтовых магнитов.

Хотя магниты типа Nb-Fe-B и превосходят по своим магнитным характеристикам другие типы магнитов [1] они обладают пониженной температурной стабильностью, например в 4 раза хуже, чем у магнитов Sm-Co, а также имеют низкую температуру Кюри, некоторое повышение которой достигается замещением железа кобальтом. Однако при этом уменьшается остаточная индукция и максимальная магнитная энергия (ВН)_max.

В качестве прототипа был выбран патент Японии 60-218454, сплав для постоянного магнита следующего состава
Ce Nd Pr Fe Mn В.

К недостаткам этого магнитного сплава можно отнести:
присутствие только легких редкоземельных элементов ограничивает возможность понижения значений температурного коэффициента остаточной индукции;
отсутствие тяжелых редкоземельных элементов, увеличивающих коэрцитивную силу магнитного материала;
наличие марганца ограничивает возможность повышения коэрцитивной силы.

Предлагаемый магнитный сплав обладает большой величиной максимального энергетического произведения (ВН)_max, а также характеризуется увеличенными значениями коэрцитивной силы jHc.

Состав сплава изобретения можно описать следующей аналитической формулой:
REE Fe B Sc M F, где REE R₁ + R₂ 20 30 мас.

В 0,1 1 мас.

F 0,1 0,6 мас.

Sc 0,1 3 мас.

М элемент группы IA, а также Ва, Al, Ga 1 5 мас.

Fe остальное;
R₁ один из легких редкоземельных элементов (Nd, Pr) c чистотой 98,0% R 15 25 мас.

R₂ один из тяжелых редкоземельных элементов (Dy, Tb, Ho) с чистотой 98,0% R 3 6 мас.

В магнитном материале изобретения массовое отношение между легкими и тяжелыми редкоземельными элементами составляет 3-8.

По результатам испытаний магнитных сплавов было установлено, что для улучшения магнитных характеристик необходимо введение в состав сплава дополнительных элементов (М), содержание которых в сплаве должно быть не более 7 мас.

При содержании REE более 300 мас. в предлагаемых сплавах выделяется избыточное железо и коэрцитивная сила может резко уменьшаться.

В предполагаемом составе магнитного сплава содержание железа не должно быть менее 60 мас. так как уменьшение содержания железа снижает остаточную плотность магнитного потока и как следствие максимальное энергетическое произведение (ВН)_max. При содержании железа более 80% остаточная индукция имеет высокие значения, но при этом низкую коэрцитивную силу, поэтому не удается получить высоких значений (ВН)_max.

Введение в состав предлагаемого магнитного сплава скандия, фтора и элементов, способных образовывать со фторидом скандия двойные соли, таких как элементы IA группы, барий, алюминий, галлий, способствует повышению коэрцитивной силы, снижению остаточной намагниченности, а также приводит к повышению максимального энергетического произведения. Кроме того, эти элементы являются легирующими компонентами.

Скандий и другие элементы вводятся непосредственно в шихту в виде фторидов двойных солей М(ScFx), и во время плавки они подвергаются прямому восстановлению.

Основной причиной увеличения коэрцитивной силы является наличие мелких включений при взаимодействии железа со скандием, способствующих уменьшению роста зерен при высоких температурах. Увеличение коэрцитивной силы происходит и за счет частичного замещения железа алюминием.

Для улучшения магнитных характеристик, в частности получения высоких значений максимального энергетического произведения, необходимо контролировать содержание примесей: кальция и углерода в составе сплава.

При содержании углерода > 0,1 мас. образуются карбиды, которые приводят к значительному снижению коэрцитивной силы, увеличение содержания кальция > 0,2 мас. также приводит к снижению магнитных характеристик. Содержание в сплаве магния, фосфора, меди в сумме < 0,2 мас. приводит к снижению остаточной индукции.

Таким образом для получения магнитного сплава необходимо использование исходных материалов с определенной степенью частоты.

Одной из особенностей предлагаемого состава магнитного сплава является использование редких земель в виде суммы редкоземельных элементов. Введение тяжелых элементов обеспечивает повышение стабильности и улучшение магнитных характеристик материала.

Главной фазой в материалах постоянных магнитов является соединение тетрагональной кристаллографической системы типа Fe R B, основной состав которой имеет вид Nd-Fe-B. Кроме того, важным фактором является то, что по границам зерен главной магнитной фазы присутствует некоторое количество фазы, обогащенной редкоземельными элементами.

П р и м е р 1. Сплав Nd-Fe-B-M (ScFx) выплавляли в индукционной печи, изменяя содержание скандия, алюминия, фтора. Фториды неодима, железа, прокаленные в токе HF, а также ферробор и двойная соль скандия, в частности алюминия приготавливались заранее.

В качестве восстановителя использовалась кальциевая стружка.

Исходная шихта составлялась из расчета получения сплавов, содержащих 20-30 мас. редкоземельных элементов, 1 мас. бора, остальное железа. В ряде сплавов часть железа замещалось на алюминий и скандий таким образом, чтобы их сумма не превышала 10 мас.

После загрузки RF₃ (Nd или Pr 430 530 FeF₃ 3400-4500 г; кальция 820 2000 (избыток кальция составлял от 5 до 10 раз), ферробор 35 40, фторида двойной соли скандия с алюминием AlF₃ ScF₃[Al(ScFi)] 90 250, печь герметизировали и вакуумировали до Р _ост. 1˙ 10^-2 мм рт.ст.

Одновременно с вакуумированием проводили нагрев шихты до 700 800^оС с целью удаления отходящих газов и частичного удаления примесей кальция из твердой фазы. Затем печь заполняли аргоном до давления 650 мм рт.ст. и температуру поднимали до расплавления шихты 1600 1700^оС в верхней зоне печи. В расплавленном состоянии сплав выдерживали в течение 5 10 мин, а затем в инертной атмосфере выливали в изложницу. Сплав охлаждали до комнатной температуры. Полученный материал подвергали грубому помолу, а затем измельчали в шаровой мельнице до получения среднего размера частиц 10-15 мкм. Полученный порошок прессовали в магнитном поле и давлении 2 тс/см, спекали и отжигали в атмосфере аргона при температуре 750-800^оС в течение 1 1,5 ч.

После этого полученный магнитный материал исследовали, при этом определяли остаточную индукцию магнитного потока (Br), коэрцитивную силу по намагниченности (jHc), максимальное энергетическое произведение (ВН)_max, температурный коэффициент остаточной индукции. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Как показано из табл. 1 при добавлении скандия и фтора 0,1-6,0, 0,05-0,6 мас. соответственно, коэрцитивная сила (jНс) и максимальное энергетическое произведение (ВН)_max повышаются; а температурный коэффициент остаточной плотности магнитного потока уменьшается. При большом содержании скандия и фтора в материале коэрцитивная сила и максимальное энергетическое произведение снижаются.

П р и м е р 2. Для получения магнитного сплава NdDy(Tb)FeB M(ScFx) в индукционной печи выплавляли по 4 образца, изменяя содержания Dy(Tb) (тяжелых редкоземельных элементов) от 3 до 9 мас. Фториды неодима, Dy(Tb) и железа, прокаленные в токе HF, а также ферробор приготавливались заранее. В качестве восстановителя использовалась кальциевая стружка.

Исходная шихта составлялась из расчета получения сплавов, содержащих 30 мас. редкоземельных элементов (530-630 г), фторида железа 3400 3500 г, кальция 800 2000 г (избыток кальция составлял от 5 до 10 раз), ферробор 35 40 г, печь герметизировали и вакуумировали до Р _ост.1˙ 10 мм рт.ст. Дальнейший процесс получения магнитного материала описан в примере 1.

Характеристики магнитного материала с использованием тяжелых редкоземельных элементов представлены в табл. 2.

В 1 мас. F 0,4 мас. Sc 3 мас. Al 4 мас. Fe остальное.

Изучение магнитных характеристик сплавов показало, что введение тербия в сплав вместо диспрозия приводит к существенному росту коэрцитивной силы.

П р и м е р 3. Используя сплавы, содержащие фторид диспрозия аналогичным способом как в практическом примере 2, изготовляли постоянные магниты, содержащие в качестве двойных фторидных солей скандия элементы группы IA, Ba, Ga. Результаты магнитных характеристик представлены в табл. 3. (В 1 мас. F 0,4 мас. Sc 3 мас. Al 4 мас. Fe остальное).

Причиной, вызывающей увеличение температурной стабильности и коэрцитивной силы в магнитных материалах вида Nd-Fe-B в присутствии Ga является, по-видимому, процесс, связанный с кристаллизацией и зарождением новой фазы с Al или Nd. Увеличение коэрцитивной силы может быть вызвано образованием мелких включений при взаимодействии железа или бора с галлием, а также торможением роста зерен при высоких температурах.

Использование: для производства постоянных магнитов в области электротехники, приборостроения, радиоэлектроники, машиностроения, медицины и т. д. Сущность изобретения: предложен сплав для постоянных магнитов на основе железа, содержащий редкоземельные элементы, бор, а также один из элементов группы 1А, скандий и фтор. Соотношение масс легких и тяжелых редкоземельных элементов находится в пределах от 3 до 8. При этом сплав содержит компоненты при следующем соотношении, мас. легкие редкоземельные элементы 20 25; тяжелые редкоземельные элементы 3 6; элементы группы 1А: барий, алюминий, галий 1 5; скандий 0,1 3; бор 0,1 1; фтор 0,1 0,6; железо остальное. Предложенный состав сплава позволяет улучшить магнитные и экспериментальные характеристики постоянных магнитов. 2 з. п. ф-лы, 3 табл.

1. СПЛАВ ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, содержащий легкие редкоземельные элементы и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тяжелые редкоземельные элементы и один из элементов группы IА барий, алюминий, галлий, а также скандий и фтор при следующем соотношении компонентов, мас.

Легкие редкоземельные элементы 20 25
Тяжелые редкоземельные элементы 3 6
Элементы группы IА барий, алюминий, галлий 1 5
Скандий 0,1 3,0
Бор 0,1 1,0
Фтор 0,1 0,6
Железо Остальное
причем отношение массы легких к массе тяжелых редкоземельных элементов составляет 3 8.