ЛИГАТУРА ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НА ОСНОВЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2000 года по МПК C22C28/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению лигатур редкоземельных и переходных металлов из подгруппы железа для последующего получения из них сплавов и высокоэнергетических постоянных магнитов.

Производство постоянных магнитов на основе РЗМ предполагает получение на первой стадии базовых сплавов с легирующими добавками или без них. Сплавы, используемые для изготовления постоянных магнитов, должны иметь следующий состав: сумма РЗМ (неодима, празеодима, диспрозия, тербия) 30-36 мас.%, при этом диспрозия и тербия в основном не более 3-5 мас.%, бора 0,95-1,25 мас.%, легирующие элементы Co, Ti, Al, Nb и т.п. 1-10 мас.% и остальное Fe. Сплавы такого состава можно приготовить путем совместного восстановления фторидов РЗМ с FeF₂, FeF₃ или их смесью, с добавлением в шихту FeB, порошка металлического железа и легирующих элементов [1]. В одном из патентов предлагается использовать в качестве компонента шихты железо в виде трихлорида [2]. В обоих случаях восстановление проводят стружкой металлического кальция. Из-за различия в исходном сырье и условиях проведения плавки не всегда можно получить сплав заданного состава.

Известен способ приготовления постоянных магнитов из сплавов, полученных сплавлением индивидуальных компонентов [3, 4]. Сплавы готовят путем сплавления индивидуальных компонентов - неодима, тербия, диспрозия, железа, ферробора и легирующих добавок. Для приготовления сплава заданного состава расчетные количества индивидуальных веществ (РЗМ, Fe, FeB, легирующие добавки) расплавляют в тиглях из оксида алюминия в индукционных печах, после чего расплав сливают в кристаллизатор.

Преимуществом способа получения сплавов из индивидуальных компонентов является удобство в их синтезе и возможность получения сплавов заданного состава.

Однако для получения сплавов данным способом необходимо иметь индивидуальные вещества, в частности РЗМ. Получают индивидуальные РЗМ (Nd, Pr, Dy, Tb) путем металлотермического восстановления безводных индивидуальных фторидов в индукционных печах в атмосфере аргона. Восстановительную плавку проводят в ниобиевых или танталовых тиглях. Для удаления избытка кальция индивидуальные РЗМ (Nd, Pr, Dy, Tb) повторно переплавляют в вакууме в танталовых тиглях [5, 6]. Индивидуальные РЗМ отличаются высокой пластичностью и коррозионной активностью; поэтому для уменьшения потерь при хранении их покрывают слоем парафина и помещают в герметичную упаковку. Высокая пластичность индивидуальных РЗМ затрудняет их деление на части на воздухе для подбора массы материала, загружаемого для переплава в состав шихты.

К недостаткам способа получения индивидуальных РЗМ можно отнести следующие:
использование дорогих тиглей для получения металлов и их переплавки;
трудность хранения и деления на части при составлении шихты для получения сплавов заданного состава;
значительный расход электроэнергии на нагрев системы при печном металлотермическом получении металлических РЗМ (Nd, Pr, Dy, Tb) и их последующего переплава для удаления шлака и примесей, в том числе и металлического кальция [7].

Все эти факторы значительно удорожают стоимость сплавов, получаемых из индивидуальных РЗМ.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является сплав на основе системы самарий-кобальт, содержащий в качестве переходных металлов железо и кобальт, а в качестве редкоземельных металлов - самарий при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Железо - 8-10
Кобальт - 20-35
Самарий - Остальное
Сплав используется в качестве лигатуры для постоянных магнитов [8].

Отличие заявленного изобретения от наиболее близкого заключается в том, что лигатура в качестве РЗМ содержит, по крайней мере, один РЗМ, выбранный из группы, содержащей неодим, празеодим, диспрозий, тербий, а в качестве переходных металлов - железо и/или кобальт при следующем соотношении компонентов, мас. %: по крайней мере, один РЗМ, выбранный из группы, содержащей неодим, празеодим, диспрозий, тербий 72-78, железо и/или кобальт - остальное.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состояла в разработке состава лигатуры для производства сплавов, используемых для изготовления постоянных магнитов, обладающей хрупкостью и коррозионной стойкостью в воздухе более высокой, чем индивидуальные редкоземельные металлы.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагаемая лигатура на основе редкоземельных металлов содержит один или несколько РЗМ, выбранных из группы, содержащей неодим, празеодим, диспрозий, тербий, и железо и/или кобальт, в мас.%:
Один или несколько РЗМ, выбранных из группы неодим, празеодим, диспрозий, тербий - 72-78
Железо и/или кобальт - До 100
Наличие в составе лигатуры РЗМ в количестве 72-78 мас.% обуславливает ее высокую хрупкость и лучшую коррозионную стойкость за счет образования интерметаллических соединений и малой концентрации свободных РЗМ. Использование более дешевого материала лигатуры РЗМ-железо (кобальт) вместо индивидуальных РЗМ обеспечивает при переплаве получение сплавов заданного состава.

Получение лигатуры иллюстрируется следующим примером:
Получение лигатуры состава 72 Nd - 28% (мас.) Fe.

Для изготовления 2000 г лигатуры использовали трифторид РЗМ с концентрацией неодима 69,8% (мас. ) и празеодима 2,2% (мас.), трифторид железа с концентрацией железа 50% (мас.). Избыток металлического кальция для восстановления фторидов металлов составил 20% к стехиометрическому количеству.

Избыток неодима в исходной шихте для получения лигатуры необходимого состава равен 8%, поэтому теоретическая масса слитка увеличилась до 2115,2 г. Из расчетного количества железа в составе сплава (560 г) 35% его в шихту ввели в виде порошка металлического железа (196 г), а 65% в виде трифторида, количество которого составило 728 г. После проведенных расчетов получаем шихту для восстановительной плавки:
NdF₃ - 2160 г, Fe_{порошок} - 196 г, FeF₃ - 728 г, Ca - 1237 г.

Суммарная масса шихты - 4231 г.

Компоненты шихты после взвешивания смешивают в смесителе, загружают в тигель, который устанавливают в аппарат восстановления, и проводят восстановление. Аппарат восстановления вакуумируют, заполняют аргоном и электрозапалом инициируют реакцию восстановления. В момент прохождения реакции приборы фиксируют повышение давления и температуры. После проведения восстановительной плавки аппарат охлаждают до комнатной температуры (18-30^oC), затем его вскрывают и поднимают тигель. Из тигля извлекают слиток и шлак, после чего слиток зачищают от шлаковых включений и взвешивают. При взвешивании получили массу слитка лигатуры, равную 1980.3 г, что соответствует выходу 93,6%. От слитка отобрали пробу.

Химический анализ слитка показал следующие результаты: Nd 70,1%, Pr 2,1%, Ca 0,15%, Cu 0,09%, Ni 0,07%, Fe остальное (мас.%).

Химические составы и свойства предложенных лигатур представлены в таблице.

Предлагаемые лигатуры указанных составов синтезированы на Сибирском Химическом комбинате. Коррозионная стойкость лигатур обеспечила возможность их продолжительного хранения в пластиковой упаковке, а хрупкость этого материала упростила использование его для подбора состава шихты при получении магнитных сплавов требуемых составов, из которых на СХК изготавливают высокоэнергетические магниты на основе РЗМ типа P3M₂Fe₁₄B. Предлагаемые авторами лигатуры используют в качестве заменителей индивидуальных РЗМ при индукционной выплавке магнитных сплавов любых составов.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения:
1. US 4612047 A, C 22 C 33/00, 1986.

2. FR 8666948 A1, C 22 C 23/06, 1988.

3. US 4756775 A, H 01 F 1/04, 1988.

4. Кекало И. Б. , Самарин Б.А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами. - М: Металлургия, 1989, с. 458.

5. Справочник по редким металлам. Под редакцией Плющева В.Е. - М: Издательство "Мир" 1965, с. 585.

6. Зеликман А.Н. Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана. - М: ГНТИ 1961, с. 192.

7. RU 2066269 C1, H 01 F 1/053, 3/08, 1996.

8. SU 384922 A, C 22 C 28/00, 29.05.1973.

Изобретение относится к получению лигатур для постоянных магнитов на основе металлов. Лигатура для постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов содержит, мас.%: один или несколько РЗМ, выбранных из группы РЗМ, содержащей неодим, празеодим, диспрозий, тербий 72 - 78, железо и/или кобальт - остальное. Коррозионная стойкость лигатур обеспечила возможность их продолжительного хранения в пластиковой упаковке, а хрупкость этого материала упростила использование его для подбора состава шихты при получении высокоэнергетических магнитов на основе РЗМ типа РЗМ₂Fe₁₄B. 1 табл.

Лигатура для постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов, содержащая РЗМ и переходные металлы, отличающаяся тем, что в качестве РЗМ она содержит по крайней мере один РЗМ, выбранный из группы, содержащей неодим, празеодим, диспрозий, тербий, а в качестве переходных металлов железо и/или кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
По крайней мере один РЗМ, выбранный из группы, содержащей неодим, празеодим, диспрозий, тербий - 72 - 78
Железо и/или кобальт - Остальное