МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2015 года по МПК H01F1/57 B22F3/12 

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 (Sagawa М. and other. Permanent magnet materials based on the rare earth-iron-boron tetragonal compounds, IEEE Trans. on Magnet., 1984, V. MAG-20, №5, p.1584-1589) на основе неодима, железа, кобальта, бора следующего химического состава, ат. %: Nd₁₅(Fe_1-xCo_x)₇₇B₈, где x=0-0,2.

Недостатками известного магнитного материала являются недостаточно высокие магнитные свойства: величина коэрцитивной силы H_CI не превышает 10,3 кЭ, а величина температурного коэффициента индукции (ТКИ) может достигать - 0,074%/°C. Изделиями из известного магнитного материала могут быть, например, призмы, цилиндры, кольцевые магниты с радиальной либо аксиальной текстурой и т.д. Недостаточно высокое значение величины H_CI магнитного материала, из которого изготавливаются такие изделия, накладывает ограничения на геометрические размеры изделий, особенно кольцевых магнитов с радиальной текстурой, а недостаточно высокая температурная стабильность материала (высокое значение ТКИ по абсолютной величине) ограничивает область применения изделий из него в технике.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является магнитный материал (патент РФ №2368969), содержащий празеодим, железо, кобальт, бор, медь и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы гадолиний (Gd), диспрозий (Dy), самарий (Sm), церий (Ce), а также изделие, выполненное из указанного материала.

Основным недостатком данного технического решения при использовании в промышленном производстве является недостаточно высокий выход годных кольцевых магнитов с радиальной текстурой при изготовлении (менее 25%) и недостаточно высокая коэрцитивная сила H_CI.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка магнитного материала с высокой температурной стабильностью магнитных свойств, обеспечивающего повышение выхода годных кольцевых магнитов с радиальной текстурой (КМРТ) и повышение коэрцитивной силы H_CI магнитного материала за счет использования нового состава данного материала.

Для достижения указанной технической задачи предложен магнитный материал, содержащий празеодим, железо, кобальт, бор, медь и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы гадолиний (Gd), диспрозий (Dy), самарий (Sm), церий (Ce), который дополнительно содержит цинк (Zn), при этом химический состав материала соответствует формуле, ат.%: (Pr_1-x1-x2R¹ _x1R² _x2)_11,5-16(Fe_1-y1Co_y1)_ост.(Zn_zCu_1-z)_y2B_6-20, где R¹ - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Gd, Dy, R² - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Sm, Ce; x1=0,20-0,50; x2=0,01-0,25; y1=0,30-0,55; y2=0,1-3,0; z=0,001-0,1.

Для достижения технической задачи разработано также изделие, которое выполнено из предлагаемого в изобретении магнитного материала.

Авторами установлено, что легирование материала системы (Pr_1-xR_x)-(Fe_1-yCo_y) - В цинком и медью, а именно комплексом (Zn_zCu_1-z), где z=0,001-0,1, не только облегчает прессование и спекание магнитов, но и повышает магнитные свойства материала за счет замещения ионами этих металлов ионов железа в основной магнитной фазе. Под основной магнитной фазой понимается система, включающая Pr с элементами R¹, R², система, содержащая Fe и Co, а также B. Цинк имеет температуру плавления T_пл=420°C, а медь - T_пл=1083°C, поэтому трещины, образованные прессованием, при наличии комплекса (Zn_zCu_1-z) начинают закрываться раньше, чем при использовании только меди, а во время остывания магнитов и их усадки цинк дольше расплавлен и предохраняет материал от растрескивания. Установлено также, что положительное влияние самария и церия, а также цинка и меди в заявленных пределах связано с изменением химического состава основной магнитной фазы, а также остального фазового состава материала.

Сплав заданного состава получали путем выплавки в вакуумной индукционной печи. Магниты изготавливали по порошковой технологии, включающей: дробление слитка до размера менее 600 мкм, тонкий помол в защитной среде до монокристаллического размера частиц, прессование образцов в магнитном поле при 10 кЭ, спекание в вакуумной печи при температуре 1080-1150°C. Образец изделия получали из заготовок образцов изделий путем шлифовки до размера 20×10×10 мм. Величину ТКИ измеряли в области температур от -60 до +100°C.

Составы и свойства предлагаемого магнитного материала и материала-прототипа приведены в таблице (B_R - остаточная магнитная индукция, кГс). В строке 1 данной таблицы представлены: нижнее граничное значение для x1=0,20 ат. долей, верхнее граничное значение для y1=0,55 ат. долей, верхнее граничное значение для y2=3 ат. доли, нижнее граничное значение для x2=0,01 ат. долей, верхнее граничное значение для z=0,1 ат. долей; в строке 4 таблицы представлены: верхнее граничное значение для x1=0,5 ат. долей; нижнее граничное значение для y1=0,30 ат. долей, верхнее граничное значение для x2=0,25 ат. долей, нижнее граничное значение для y2=0,1 ат. долей, нижнее граничное значение для z=0,001 ат. долей. В строках 2, 3 таблицы представлены промежуточные значения указанных параметров.

Предложенный магнитный материал при величине ТКИ в диапазоне от -0,0043 до +0,005%/°C позволяет повысить величину выхода годных кольцевых магнитов с радиальной текстурой при шлифовке с 25% для прототипа до минимального значения 75%, т.е. в 3 раза, на отдельных составах - до 90%, т.е. в 3,6 раза. При этом величина H_CI повышается минимум в 1,5 раза по сравнению с H_CI материала-прототипа, что является крайне важным показателем для кольцевых магнитов с радиальной текстурой, поскольку они имеют высокий размагничивающий фактор.

Применение предложенного магнитного материала позволяет повысить точность и стабильность работы динамически настраиваемых гироскопов и применять их в изделиях с автономным электропитанием.

Таблица Составы и свойства предлагаемого магнитного материала и материала-прототипа Предлагаемый материал № Состав магнитного материала, ат.% Выход годных KMPT, % Магнитные свойства H_CI, кЭ B_R, кГс ТКИ, %/°C (от -60 до +100°C) 1 (Pr_0,799Dy_0,19Gd_0,01Sm_0,005Ce_0,005)_13,2(Fe_0,45Co_0,55)_ост.(Zn_0,1Cu_0,9)₃B₂₀ 75 17 8,6 +0,003 2 (Pr_0,74Dy_0,22Gd_0,03Sm_0,05Ce_0,05)_14,1(Fe_0,54Co_0,46)_ост.(Zn_0,02Cu_0,98)B₁₈ 89 16 8,6 +0,003 3 (Pr_0,44Dy_0,49Gd_0,01Sm_0,05Ce_0,01)_12,8(Fe_0,65Co_0,35)_ост.(Zn_0,01Cu_0,99)_1,2B₇ 90 15 8,7 -0,0043 4 (Pr_0,25Dy_0,49Gd_0,01Sm_0,24Ce_0,01)_13,2(Fe_0,70Co_0,30)_ост.(Zn_0,001Cu_0,999)_0,1B₁₇ 85 15 8,7 +0,005 Прототип (Pr_0,509Dy_0,48Sm_0,01Gd_0,001)_13,6(Fe_0,65Co_0,35)_ост.Al_0,13Cu_0,001B_6,0 25 10 8,52 -0,005

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к магнитному материалу, содержащему празеодим, железо, кобальт, бор, медь и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы гадолиний (Gd), диспрозий (Dy), самарий (Sm), церий (Ce). Материал дополнительно содержит цинк (Zn). Химический состав материала соответствует формуле, ат.%: (Pr_1-x1-x2R¹ _x1R² _x2)_11,5-16(Fe_1-y1Co_y1)_ост.(Zn_zCu_1-z)_y2B_6-20, где R¹ - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Gd, Dy, R² - по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы Sm, Ce; x1=0,20-0,50; x2=0,01-0,25; y1=0,30-0,55; y2=0,1-3,0; z=0,001-0,1. Также предложено изделие, выполненное из вышеуказанного магнитного материала. Техническим результатом изобретения является повышение выхода годных кольцевых магнитов с радиальной текстурой (КМРТ) с высокой температурной стабильностью магнитных свойств, а также повышение коэрцитивной силы H_CI магнитного материала. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Магнитный материал, содержащий празеодим, железо, кобальт, бор, медь и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы гадолиний (Gd), диспрозий (Dy), самарий (Sm), церий (Ce), отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк (Zn), при этом химический состав материала соответствует формуле, ат.%:
(Pr_1-x1-x2R¹ _x1R² _x2)_11,5-16(Fe_1-y1Co_y1)_ост.(Zn_zCu_1-z)_y2B_6-20,
где R¹ - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Gd, Dy,
R² - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы Sm, Ce,
x1=0,20-0,50,
x2=0,01-0,25,
y1=0,30-0,55,
y2=0,1-3,0,
x=0,001-0,1.

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