МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2013 года по МПК H01F1/57 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к магнитным материалам для постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов с металлами группы железа.

Известен магнитный материал на основе празеодима, железа, кобальта, алюминия, бора следующего химического состава, ат.%: Pr₁₅Fe_62.5Co₁₆Al₁B_5.5 [Jiang S.Y. et al. Magnetic properties of R-Fe-B and R-Fe-Co-Al-B magnets (R-Pr and Nd), J. Appl. Phys., 1988, V.64, No. 10, pp.5510-5512].

Известен магнитный материал на основе неодима, железа, кобальта, бора следующего химического состава, ат.%: Nd₁₅(Fe_1-xCo_x)₇₇B₈, где х=0-0,2 [Sagawa M. et al. Permanent magnet materials based on the rare earth-iron-boron tetragonal compounds, IEEE Trans. On Magnet., 1984, V. MAG-20, No 5, pp.1584-1589].

Изделиями из известных магнитных материалов являются, например, бруски, стрежни, кольца, диски и т.п.

Недостатками известных магнитных материалов и изделий из них, являются недостаточно высокие значения коэрцитивной силы по намагниченности (_jH_c) и температурной стабильности (высокое значение температурного коэффициента индукции по абсолютной величине).

Известен магнитный материал на основе неодима, тербия, железа, кобальта, бора следующего химического состава, ат.%: (Nd_1-x-x2Tb_x1R_x2)_14-17(Fe_1-yCo_y1)_75-80T_y2B_6-8, где R - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий (Er), тулий (Tm), а Т - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Мо), причем х1+х2=0,1-0,99; х1/х2≥у1=0,2-0,5; у2=0,01-10 [патент РФ №2136069].

Недостатками этого материала являются недостаточно высокие магнитные свойства.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является магнитный материал на основе неодима, церия, самария, диспрозия, празеодима, гадолиния, тербия, железа, кобальта, бора следующего химического состава, ат.%:

(Pr_1-x1-x2-x3R¹ _x1R² _x2Gd_x3)_11,5-16(Fe_1-y1CO_y1)_ост.B_6-10,

где R¹ - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: диспрозий (Dy), тербий (Tb), R² - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: самарий (Sm), неодим (Nd), церий (Се);

x1=0,40-0,70; x2+x3=0,001-0,25; у1=0,20-0,43;

при этом магнитный материал дополнительно может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: алюминий (Al), галлий (Ga), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Мо), при этом химический состав соответствует формуле, ат.%:

(Pr_1-х1-х2-x3R¹ _x1R² _x2Gd_x3)_11,5-16(Fe_1-y1CO_y1)_ост.T_y2B_6-10,

где Т - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: Al, Ga, Ti, Nb; Мо, Cu, ат.%: у2=0,001-1 и изделие выполненное из этого материала [патент РФ №2368969, опубл. 20.05.2009].

Недостатком этого материала являются недостаточно высокий коэффициент квадратичности размагничивающей части петли гистерезиса К (К=H_k/_jH_c, где _jH_c - коэрцитивная сила по намагниченности. H_k - величина поля на размагничивающей части петли гистерезиса, при котором остаточная намагниченность уменьшается на 10%), особенно при криогенных (до 77 К) температурах, что существенно увеличивает необратимые потери магнитного потока при эксплуатации магнитов в составе магнитных устройств.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке сплава и изделия, выполненного из него, характеризующихся повышенным коэффициентом квадратичности размагничивающей части петли гистерезиса К=H_k/_jH_c, особенно при криогенных (до 77 К) температурах.

Технический результат изобретения - повышение коэффициента квадратичности размагничивающей части петли гистерезиса, особенно при криогенных температурах, достигается тем, что магнитный материал, содержащий железо (Fe), кобальт (Со), бор (В), по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы неодим (Nd), празеодим (Pr), по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), тербий (Tb), гадолиний (Gd), по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), медь (Cu), дополнительно содержит бериллий (Be), а также, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы лантан (La), гольмий (Но), при этом химический состав соответствует формуле, ат.%:

(R¹ _1-x1-x2R² _x1R³ _x2)_13,5-15,5(Fe_1-yCO_y)_ост.M_0,1-2,0Be_0,001-0,2B_6-9,

где R¹ - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Nd, Pr;

где R² - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Dy, Tb, Gd;

где R³ - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы La, Но;

где М - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Al, Ga, Cu;

где x₁ - 0,05-0,70;

где x₂ - 0,01-0,05;

где у - 0,01-0,50.

Технический результат достигается также в изделии, выполненном из заявленного выше материала.

Авторами установлено, что введение в состав материала элементов из группы R³ (La, Но) в сочетании с бериллием (Be) приводят к существенному уменьшению в нем содержания таких интерметаллических фаз, как RM₂, RM₃, R₂M₇, R₅M₁₉, RM₄B и др., которые имеют низкую магнитокристаллическую анизотропию при рабочих, в том числе криогенных температурах. Это приводит повышению коэффициента квадратичности размагничивающей части петли гистерезиса К=H_k/_jH_c, особенно при криогенных (до 77 К) температурах. Дополнительным фактором, приводящим к увеличению этого параметра, является то, вновь вводимые элементы способствуют созданию наногетерогенной структуры в зернах основной магнитотвердой фазы типа 2-14-1. Авторами также установлено, что введение бериллия способствует лучшей изоляции зерен основной магнитотвердой фазы типа 2-14-1, что также приводит к повышению коэффициента квадратичное™ размагничивающей части петли гистерезиса К=H_k/_jH_c.

Примеры осуществления предполагаемого изобретения. Сплавы предлагаемого магнитного материала и материала прототипа получают из исходных компонентов или их лигатур путем плавления в вакуумной индукционной печи в среде инертного газа с последующей закалкой в водоохлаждаемую изложницу. Контроль химического состава осуществляют с помощью эмиссионно-спектрального метода. Гидридное диспергирование слитков и редкоземельных элементов 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 в магнитном поле и при Т₂=1340 К (7.2 кс) с последующей обработкой по режиму: 1175 К (7.2 кс) охлаждение со скоростью (0.01-0.03) К/с+675 К (10-16 кс)+775 К (7.2 кс)+закалка. После механической шлифовки алмазным инструментом и намагничивания до насыщения образцы измеряют на гистериографе и вибрационном магнитометре. После магнитных измерений для проведения структурных исследований образцы термически размагничивают в вакууме при 775 К, для восстановления исходного состояния. Микроструктуру исследуют с помощью оптической и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Используют также локальный рентгеноструктурный анализа (ЛРСА).

Составы и свойства предполагаемого магнитного материала и материала-прототипа приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Составы предлагаемого магнитного материала и материала прототипа. № Состав магнитного материала, ат.%. 1 (Nd_0,78Dy_0,05Tb_0,15Ho_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 2 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 3 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₆ 4 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₉ 5 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_13,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 6 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_15,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 7 (Pr_0,48Tb_0,5Ho_0,02)_14,5(Fe_0,7Co_0,3)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,004B₈ 8 (Nd_0,83Pr_0,1Tb_0,05Ho_0,02)_14,5(Fe_0,99Co_0,01)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 9 (Pr_0,3Tb_0,5La_0,02Ho_0,02)_14,5(Fe_0,7Co_0,3)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,004B₈ 10 (Nd_0,3Pr_0,27Dy_0,15Tb_0,25La_0,01)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 11 (Nd_0,3Pr_0,28Dy_0,1Tb_0,25Ho_0,05)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 12 (Nd_0,08Pr_0,20Dy_0,70La_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Ga_0,1Be_0,003B₈ 13 (Nd_0,3Pr_0,28Dy_0,15Tb_0,25La_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,15Al_0,6Ga_0,25Be_0,003B₈ 14 (Pr_0,43Tb_0,5Ho_0,05La_0,02)_14,5(Fe_0,6Co_0,4)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,004B₈ 15 (Pr_0,48Tb_0,5Gd_0,05La_0,02)_14,5(Fe_0,6Co_0,4)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,004B₈ 16 (Pr_0,48Tb_0,5Gd_0,05La_0,02)_14,5(Fe_0,6Co_0,5)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,001B₈ 17 (Pr_0,48Tb_0,5Gd_0,05La_0,02)_14,5(Fe_0,6Co_0,4)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,2B₈ 18 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1B₈ 19 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,15Tb_0,25)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 20 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25Ho_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,3B₈ 21 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,1Tb_0,2Ho_0,1)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 22 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,115Tb_0,25Ho_0,005)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1Be_0,003B₈ 23 (Nd_0,3Pr_0,3Dy_0,13Tb_0,25La_0,02)_14,5(Fe_0,8Co_0,2)ост.Cu_0,1Al_0,3Ga_0,1B₈

Таблица 2. Свойства предлагаемого магнитного материала и материала прототипа. № пп Материал К=H_k/_jH_c при Т=300 К К=H_k/_jH_c при Т=77 К 1 Предложенный 0,95 0,91 2 Предложенный 0,94 0,90 3 Предложенный 0,92 0,88 4 Предложенный 0,95 0,91 5 Предложенный 0.91 0,88 6 Предложенный 0,94 0,89 7 Предложенный 0,93 0,88 8 Предложенный 0,85 0,81 9 Предложенный 0,95 0,90 10 Предложенный 0,95 0,91 11 Предложенный 0,94 0,89 12 Предложенный 0,93 0.90 13 Предложенный 0,95 0,91 14 Предложенный 0,94 0,90 15 Предложенный 0,93 0,89 16 Предложенный 0,85 0,82 17 Предложенный 0,85 0,81 18 По прототипу 0,62 0,45 19 По прототипу 0,71 0,53 20 По прототипу 0,61 0,44 21 По прототипу 0,70 0,51 22 По прототипу 0,69 0,50 23 По прототипу 0,60 0,43

Предложенный магнитный материал повысить коэффициент квадратичности размагничивающей части петли гистерезиса К=H_k/_jH_c, особенно при криогенных (до 77 К) температурах. Это позволяет существенно снизить необратимые потери магнитного потока при эксплуатации магнитов в составе магнитных устройств, а также повысить точность и стабильность навигационного оборудования и систем авиационной и космической автоматики и навигационного оборудования.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к магнитным материалам для постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов с металлами группы железа. Заявленный магнитный материал содержит железо (Fe), кобальт (Co), бор (B), по меньшей мере один элемент, выбранный из группы неодим (Nd), празеодим (Pr), по меньшей мере один элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), тербий (Tb), гадолиний (Gd), по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), медь (Cu), дополнительно содержит бериллий (Be), а также по меньшей мере один элемент, выбранный из группы лантан (La), гольмий (Ho). При этом химический состав соответствует формуле, ат.%: (R¹ _1-x1-x2R² _x1R³ _x2)_13,5-15,5(Fe_1-yCo_y)_ост.M_0,1-2,0Be_0,001-0,2B_6-9, где R¹ - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Nd, Pr; где R - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Dy, Tb, Gd; где R³ - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы La, Ho; где М - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Al, Ga, Cu; где x₁ - 0,05-0,50, где x₂ - 0,01-0,05; где y - 0,01-0,40. Техническим результатом является возможность повышения коэффициента квадратичности размагничивающей части петли гистерезиса K=H_k/_jH_c, особенно при криогенных (до 77 К) температурах. Это существенно снижает необратимые потери магнитного потока при эксплуатации магнитов в составе магнитных устройств, а также повышает точность и стабильность навигационного оборудования и систем авиационной и космической автоматики и навигационного оборудования. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Магнитный материал, содержащий железо (Fe), кобальт (Co), бор (B), по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы неодим (Nd), празеодим (Pr), по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), тербий (Tb), гадолиний (Gd), по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), медь (Сu), отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий (Be), a также, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы лантан (La), гольмий (Ho), при этом химический состав соответствует формуле, ат.%:
$${\left(R_{1-x1-x2}^1{R}_{x1}^2{R}_{x2}^3\right)}_{\mathrm{13,5}-\mathrm{15,5}}{\left(F{e}_{1-y}C{o}_y\right)}_{ост}{M}_{\mathrm{0,1}-\mathrm{2,0}}B{e}_{\mathrm{0,001}-\mathrm{0,2}}{B}_{6-9},$$
где R¹, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Nd, Pr;
где R², по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Dy, Tb, Gd;
где R³, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы La, Ho;
где M, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Al, Ga, Cu;
где x₁ - 0,05-0,70;
где x₂ - 0,01-0,05;
где y - 0,01-0,50.

2. Изделие из магнитного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.