сплав для постоянных магнитов и способ его получения

Формула изобретения

1. Сплав для постоянных магнитов на основе 3d-переходного металла из группы железа, содержащий один или несколько редкоземельных элементов, выбранных из группы, содержащей самарий, неодим, празеодим, диспрозий, тербий, и один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей ниобий, гафний, цирконий, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей бор, алюминий, марганец, кремний, при следующем соотношении компонентов, мас.

Один или несколько редкоземельных элементов, выбранных из группы, содержащей самарий, неодим, празеодим, диспрозий, тербий 22 40

По крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей бор, алюминий, марганец, кремний 0,1 4,2

Один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей ниобий, гафний, цирконий, титан 0,05 0,45

3d-Переходный металл из группы железа Остальное

2. Способ получения сплава для постоянных магнитов на основе 3d-переходного металла из группы железа, включающий выплавку исходного состава в индукционной печи с последующей разливкой и охлаждением, отличающийся тем, что выплавку осуществляют путем предварительного расплавления 3d-переходного металла из группы железа и последующего введения шихты, содержащей редкоземельные элементы, а после выплавки осуществляют предварительное и окончательное раскисление.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что введение шихты, содержащей редкоземельные элементы, осуществляют путем расплавления 3d-переходного металла группы железа.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что предварительное раскисление проводят борсодержащими лигатурами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к магнитным материалам, а именно к материалам для постоянных магнитов на основе соединений редкоземельных элементов с металлами железной триады и способам из получения.

Широко известны материалы для постоянных магнитов на основе соединений редкоземельных металлов (РЗМ) Со₅.

Наиболее широкое распространение для изготовления постоянных магнитов получило соединение SmSo₅, содержащее 37 мас. Sm, остальное кобальт [1]

Однако постоянные магниты из этих материалов имеют уровень магнитных характеристик (ВН)_макс. 15-20 Мс Э, недостаточный для их успешного использования в ответственных изделиях специального назначения. Кроме того, их широкое использование сдерживается высоким содержанием дефицитных материалов самария и кобальта.

В последние годы разработки постоянные магниты на основе системы Fe-Nd-B с добавками тяжелых РЗМ и кобальта. Материалы для получения магнитов данного класса не содержат дефицитного самария, содержание кобальта в них невысокое (не более 15 мас.). Уровень магнитной энергии достаточно высок (ВН)_макс> 25 МГс ^.Э. Однако магниты из таких материалов обладают сравнительно низкой температурой Кюри (не более 300^оС) и начинают заметно реагировать с атмосферой при нагревании их до 100-120^оС, что ограничивает их использование и значительно снижает технологичность и уровень магнитных характеристик.

Известны материалы [2] наиболее стойкие к окислению (до 120-140^оС). Эти материалы описываются формулами

Со_3,5 Сu _1,5 Sm и Co₃Сu₂Sm

Основным недостатком известного материала данного типа является низкая воспроизводимость магнитных свойств. Наиболее трудно контролируемым параметром является коэрцитивная сила материала.

Способ получения материала для постоянных магнитов типа SmCo₅ включает выплавку исходного состава в вакуумной индукционной печи в тигле из Al₂O₃, его измельчение, прессование в магнитном поле, спекание и термическую обработку.

Недостатком способа является низкая воспроизводимость магнитных свойств, связанная со сложностью получения однородного сплава по химическому составу при выплавке и разливке.

Наиболее близким к предлагаемому является материал для постоянных магнитов, содержащий неодим, празеодим, железо, кобальт, бор при следующем соотношении компонентов, мас. РЗМ 10-40 Бор 0,1-8,0 Железо Остальное причем железо частично может быть заменено кобальтом-никелем.

Способ получения данного сплава заключается в выплавке данного состава в вакуумных индукционных печах с разливкой или остыванием в замкнутой вакуумной камере в атмосфере нейтрального газа.

Недостатками указанного материала и способа его получения являются низкая стойкость сплава к окислению на воздухе при нагревании и низкая воспроизводимость магнитных свойств. Выход годных магнитов с предельным уровнем магнитной энергии не превышает 20%

Недостатком известного способа производства сплава является также сложность удаления с поверхности расплава шлаковых образований при расплавлении компонентов сплава, а также в процессе легирования, раскисления шлаковые включения остаются на поверхности металла, большая часть из них запутывается в металле, т. е. практически операцию раскисление-связывание растворенного кислорода и удаление его оксидов проводить не представляется возможным, затруднено также проведение процесса рафинирования сплава от нежелательных примесей.

Недостатком известного способа является также сложность осуществления технологических операций, обусловленных необходимостью использования специальных приемов введения малых добавок (0,02-2,30 мас.) бора и др. или больших добавок РЗМ (до 30 мас.).

Цель изобретения улучшение эксплуатационных характеристик, повышение температурной стабильности сплава к взаимодействию с атмосферой до 360^оС.

Цель достигается тем, что сплав для постоянных магнитов на основе соединений редкоземельных элементов с 3d-переходными металлами группы железа, содержащий самарий, неодим, празеодим, диспрозий, тербий и один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей ниобий, гафний, цирконий, титан, дополнительно содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей бор, алюминий, марганец, кремний при следующем соотношении компонентов, мас. один или несколько редкоземельных элементов, выбранных из группы, содержащей самарий, неодим, празеодим, диспрозий, тербий не более 40 мас. по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей бор, алюминий, марганец, кремний 0,1-4,2 мас. один или несколько элементов, выбранных из группы, содержащей ниобий, гафний, цирконий, титан 0,05-0,45 мас.

Способ получения сплава для постоянных магнитов на основе 3d-переходного металла из группы железа включает выплавку исходного состава в индукционной печи с последующей разливкой и охлаждением. Выплавку осуществляют путем предварительного расплавления 3d-переходного металла из группы железа и последующего введения шихты, содержащей редкоземельные элементы, а после выплавки осуществляют предварительное и окончательное раскисление.

Введение шихты, содержащей редкоземельные элементы, осуществляют после расплавления 3d-переходного металла группы железа.

Предварительное раскисление проводят борсодержащими лигатурами.

При выплавке по предложенному способу вначале расплавляют один или несколько элементов из группы, содержащей железо, кобальт или никель, затем в жидкую ванну вводят один или несколько элементов из группы РЗМ, содержащей самарий, неодим, празеодим, диспрозий, тербий, в раскислительную ванну вводят бор в виде лигатуры железо-бор, окончательно раскисляют жидкую ванну комплексным раскислителем, содержащим в своем составе марганец, цирконий, кремний, титан, ниобий, гафний. Причем в зависимости от поставленной цели меняется и состав используемой лигатуры: для увеличения сопротивления окислению порошков сплавов на воздухе в состав лигатуры входят ниобий-гафний-титан, при этом температура взаимодействия порошков сплавов с атмосферой поднимается от 100 до 340-360^оС, что значительно увеличивает технологичность сплавов.

Для увеличения намагниченности насыщения (т.е. величины индукции) в лигатуре необходимо наличие кремния, ниобия, циркония.

Благоприятно действует на величину коэрцитивной силы одновременное присутствие в составе сплава ниобия, гафния.

Основным механизмом повышения технологичности и увеличения эксплуатационных характеристик является обеспечение максимально малых скоростей образования как в жидком, так и в твердом состояниях конденсированных оксидных и нитридных фаз.

Образование конденсированной оксидной фазы в растворе на основе железа-кобальта-никеля происходит тогда, когда оболочка ионизированного комплекса МеО^-4 заполняется до оболочки инертного газа, где за счет коллективизированных электронов проводимости, т.е. для выделения неметаллической фазы (оксидов или нитридов) необходимо: элемент раскислителя (Ме^-n); растворенный кислород (О^-2) или азот; носитель заряда (электрон).

Необходимо также, чтобы элемент-раскислитель и кислород имели достаточную активность.

Кислород попадает в раствор сплава как из кобальта, РЗМ, так и из атмосферы печи в процессе технологической цепочки изготовления магнитов при размоле, спекании, термообработке.

Для удаления кислорода из раствора используют комплексное раскисление жидкого металла сильнейшими раскислителями цирконием, гафнием, титаном, кремнием, марганцем.

При этом остаточные количества элементов раскислителей в металле обеспечивают минимальные количества растворенного кислорода в сплаве.

Химический состав сплава приведен в таблице.

Экспериментально при исследовании постоянной Холла в сплавах для постоянных магнитов обнаружено, что присутствие ниобия, гафния, титана в сплаве снижает подвижность носителей заряда (электронов) на порядок, т.к. тенденция к образованию конденсированной фазы уменьшается в несколько десятков раз. При этом коэффициенты диффузии кислорода и азота как в жидком, так и в твердом металле снижаются.

В технологические операции выплавки металла введено комплексное раскисление металла. В состав сплава введены поверхностно-активные элементы, например марганец, алюминий, кремний.

После технологической операции размельчения сплава, когда поверхность металла увеличивается на несколько порядков, поверхностно-активные элементы, а также ниобий блокируют проникновение кислорода и азота в глубь порошинок. Если и образуется конденсированная фаза, то в виде тонкого плотного слоя, в составе которого металлографические исследования обнаруживают окиси алюминия, циркония, гафния. Было обнаружено, что заявляемый порошок сплава на основе SmCo₅ и FeNdB при комнатной температуре практически не взаимодействует с атмосферой. Заметное взаимодействие начинается для сплава на основе SmCo₅ и сплава на основе Fe-Nd-B при 340-360^оС. Фактор повышения стойкости заявляемого сплава к взаимодействию с атмосферой повышает технологичность.

Микрохимическая однородность сплава повышается введением операции перелива жидкого сплава в ковш и последующей заливкой металла в металлическую изложницу, установленную на холодильнике. При этом в изложницу с залитым металлом поступает нейтральный газ. Поверхность залитого металла присыпается размельченными отходами предыдущих плавок.

Из порошков, приготовленных из предложенного сплава, полученного предложенным способом, были изготовлены постоянные магниты SmCo₅ с максимальной энергией до 30 МГс Э и с максимальной энергией до 45 МГс Э.