магнитный материал для постоянных магнитов и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Магнитный материал, содержащий Fe-B-Co-R, где R представляет собой сумму R₁ и R₂, причем R₁ является по меньшей мере одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы неодим (Nd), празеодим (Pr), а R₂ является по меньшей мере одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы диспрозий (Dy), тербий (Tb), и добавку M, представляющую собой сумму M₁ и M₂, причем M₁ является по меньшей мере одним из элементов, выбранным из группы алюминий (Al), ниобий (Nb), хром (Cr), галлий (Ga), а M₂ является по меньшей мере одним из элементов, выбранным из группы титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), ванадий (V), тантал (Ta), скандий (Sc) и уран (U) следующего изотопного состава, ат. %: уран 238 - 99,28 - 99,9999, уран 235 - 0,0001 - 0,72, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, ат. %:

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 12,0 - 17,0

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,1 - 5,0

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,5 - 4,0

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,1 - 1,5

Бор - 6,5 - 8,5

Кобальт - 0,1 - 1,5

Уран - 0,001 - 0,025

Железо - Остальное

2. Способ получения магнитного материал, включающий дробление базового сплава и сплава-добавки, смешивание сплавов в соотношении, обеспечивающем получение материала заданного состава, измельчение смеси дробленых сплавов до крупности среднего размера частиц 1 - 10 мкм, прессование смеси порошков в ориентирующем магнитном поле для получения заготовки низкой плотности, спекание заготовки до получения плотности по меньшей мере 80% от теоретической, при 950 - 1200^oC и охлаждение спеченной заготовки, отличающийся тем, что базовый сплав содержит компоненты в следующем соотношении, ат.%:

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 11,0 - 17,0

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,01 - 0,1

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,01 - 1,5

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,01 - 1,0

Кобальт - 0,01 - 1,4

Бор - 4,8 - 8,5

Железо - Остальное

и сплав-добавка содержит компоненты в следующем их соотношении, ат.%:

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 25,0 - 11,0

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 10,0 - 0,01

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 8,0 - 0,01

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 6,0 - 0,01

Кобальт - 10,0 - 0,01

Бор - 15,0 - 4,8

Уран - 1,5 - 0,002

Железо - Остальное

и тем, что нагрев заготовки низкой плотности под спекание проводят ступенчато со средней скоростью нагрева от около 1 до около 50^oC/мин по меньшей мере до 950^oC в вакууме глубиной от около 10^-1 до около 10^-6 мм рт.ст., спекание в заданном интервале температур осуществляют со скоростью изменения температуры 1 - 40^oC/мин, а охлаждение спеченной заготовки ведут ступенчато со средней скоростью 1 - 200^oC/мин.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при нагреве заготовки до температуры около 950^oC со средней скоростью 1 - 5^oC/мин спекание проводят как непрерывный нагрев со средней скоростью 1 - 5^oC/мин.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при нагреве заготовки до температуры около 1075^oC со средней скоростью 5 - 15^oC/мин спекание проводят как циклический нагрев и охлаждение с амплитудой 20 - 250^oC.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что при нагреве заготовки до температуры около 1200^oC со средней скоростью 5 - 20^oC/мин спекание проводят как непрерывное охлаждение со средней скоростью 1 - 5^oC/мин.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что смесь порошков смешивают со смазкой в соотношении 1 : 0,5 - 1 : 1,5, прессование проводят в магнитном поле напряженностью около 240 кА/м при удельном давлении 0,05 - 1,5 т/см² и непрерывном удалении смазки из полости пресс-формы.

7. Способ получения магнитного материала, включающий дробление базового сплава и сплава-добавки, смешивание сплавов в соотношении, обеспечивающем получение материала заданного состава, измельчение смеси дробленных сплавов до крупности среднего размера частиц 0,1 - 5,0 мкм, прессование смеси порошков в ориентирующем магнитном поле для получения заготовки низкой плотности, спекание заготовки до получения плотности по меньшей мере 80% от теоретической при 950 - 1200^oC и охлаждение спеченной заготовки, отличающийся тем, что базовый сплав содержит компоненты в следующем соотношении, ат.%:

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 11,0 - 17,0

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,01 - 0,1

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,01 - 1,5

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,01 - 1,0

Кобальт - 0,01 - 1,4

Бор - 4,8 - 8,5

Железо - Остальное

сплав-добавка содержит компоненты в следующем их соотношении, ат.%:

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 25,0 - 11,0

По меньшей мере один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 10,0 - 0,01

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 8,0 - 0,01

По меньшей мере один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 6,0 - 0,01

Кобальт - 10,0 - 0,01

Бор - 15,0 - 4,8

Железо - Остальное

при этом в смесь дробленых сплавов вводят добавку окислов урана в количестве, ат.%: 0,001 - 0,025, и тем, что нагрев заготовки низкой плотности под спекание проводят ступенчато со средней скоростью нагрева от около 1 до около 50^oC/мин по меньшей мере 950^oC в вакууме глубиной от около 10^-1 до около 10^-6 мм рт. ст. , спекание в заданном интервале температур осуществляют со скоростью изменения температуры 1 - 40^oC/мин, а охлаждение спеченной заготовки ведут ступенчато со средней скоростью 1 - 200^oC/мин.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при нагреве заготовки до 950^oC со средней скоростью 1 - 5^oC/мин спекание проводят как непрерывный нагрев со средней скоростью 1 - 5^oC/мин.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что при нагреве заготовки до температуры около 1075^oC со средней скоростью 5 - 15^oC/мин спекание проводят как циклический нагрев и охлаждение с амплитудой 20 - 250^oC.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что при нагреве заготовки до температуры около 1200^oC со средней скоростью 5 - 20^oC/мин спекание проводят как непрерывное охлаждение со средней скоростью 1 - 5^oC/мин.

11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что смесь порошков смешивают со смазкой в соотношении 1 : 0,5 - 1 : 1,5, прессование проводят в магнитном поле напряженностью около 240 кА/м при удельном давлении 0,05 - 1,5 т/см² и непрерывном удалении смазки из полости пресс-формы.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, специальным материалам с особыми физическими свойствами, а более конкретно, к магнитному материалу для постоянных магнитов и способу его изготовления.

Известные и широко распространенные в настоящее время магнитные материалы системы Fe-B-R и Fe-B-Co-R, обладающие высокой магнитной энергией (BH/2)max, нашли широкое применение в электрических двигателях, генераторах, магнитных муфтах и т.д. Указанные материалы используются в различных видах бытовой техники - аудио- и видеоаппаратуре, периферийных устройствах электронно-вычислительных машин (ЭВМ), миксерах, кофемолках, фенах, пылесосах, холодильниках и т.п.

Однако относительно низкие значения коэрцитивной силы iHc вышеуказанных материалов несколько ограничивают область их применения. Известно, что при повышении температуры материала для постоянного магнита его коэрцитивная сила iHc уменьшается, и постоянный магнит может быть полностью размагничен путем его выдержки при повышенной температуре. Если его коэрцитивная сила iHc при комнатной температуре относительно велика, такое размагничивающее воздействие температурой будет незначительно.

Кроме того, увеличение значения коэрцитивной силы iHc материала для постоянных магнитов позволяет уменьшить толщину постоянного магнита при сохранении заданных технических характеристик изделия. Поэтому повышение iHc материалов для постоянных магнитов и снижение удельных затрат энергии на изготовление магнитов является актуальной задачей в настоящее время.

При изготовлении постоянных магнитов из известных материалов системы Fe-B-R и Fe-B-Co-R удельные энергозатраты относительно высоки.

Известен магнитный материал (патент EP N 0134305 В) системы Fe-B-R. В известном материале R представляет собой сумму R₁ и R₂, причем R₁ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы: неодим (Nd), празеодим (Pr), а R₂ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы диспрозий (Dy), тербий (Tb), гадолиний (Gd), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm) и иттербий (Yb). Известный материал включает добавку M, являющуюся, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы хром (Cr), тантал (Ta), ниобий (Nb), алюминий (Al), ванадий (V), вольфрам (W), молибден (Mo).

В известном материале вышеуказанные элементы содержатся в следующем соотношении (ат.%): 0,05-5% R₁, 12,5-20% R₂ 4 - 20% B и остальное железо (Fe) с добавкой M не более 9%.

Общеизвестно, что свойства материала для постоянных магнитов системы Fe-B-R определяются количеством и размером зерен, удельной намагниченностью и коэрцитивной силой основной фазы (R)₂Fe₁₄B, а также количеством, структурой и составом фаз, изолирующих зерна основной фазы (R)₂Fe₁₄В.

Для получения максимальных характеристик магнитного материала, например (BH)max, температуры эксплуатации (Tmo), необходимо, чтобы основная фаза (R)₂Fe₁₄В присутствовала в материале в количестве, приближающемся к 100%, имела оптимальный размер зерна и максимально возможные значения удельной намагниченности и коэрцитивной силы, а фазы, изолирующие зерна основной фазы (R)₂Fe₁₄В друг от друга, должны присутствовать в минимальном количестве по границам зерен основной фазы и быть слабомагнитными или немагнитными.

В связи с тем, что основным механизмом коэрцитивной силы магнитного материала системы R-Fe-B является уничтожение доменов обратной намагниченности, причиной облегченного появления доменов обратной намагниченности может быть:

1) относительно низкая магнитокристаллическая анизотропия или дефектная структура (высокая плотность дефектов решетки, включений и т.д.) основной фазы типа R₂Fe₁₄В, облегчающее зарождение доменов обратной намагниченности внутри зерен основной фазы;

2) недостаточные изолирующие свойства межзеренной фазы (фаз), облегчающие зарождение доменов обратной намагниченности на границе основной и межзеренной фазы (фаз);

3) плохая морфология и/или недостаточное количество межзеренной фазы (фаз), ухудшающее изоляцию зерен основной фазы и облегчающее проникновение доменов обратной намагниченности на одного зерна в другие.

Наличие тяжелых редкоземельных элементов в известном материале, таких как диспрозий (Dy), тербий (Tb), гадолиний (Gd), гольмий (Ho) и т.д., в большей или меньшей степени приводит к увеличению поля анизотропии H_A основной фазы R₂Fe₁₄В магнитного материала, что обуславливает увеличение коэрцитивной силы iHc. Однако обменное взаимодействие между ионами тяжелых редкоземельных элементов и железа приводит к антиферромагнитной ориентации их магнитных моментов, что вызывает значительное уменьшение удельной намагниченности и тем самым остаточной индукции Br и (BH)max. Для увеличения остаточной индукции Br в магнитный материал дополнительно введены элементы Cr, Al, Nb и т. д., являющиеся магнитонейтральными, при одновременном уменьшении в материале содержания диспрозия и тербия, которые, кроме того, повышают стоимость магнита. Основным механизмом воздействия дополнительных вышеназванных элементов на коэрцитивную силу является формирование слабомагнитных обогащенных неодимом фаз, изолирующих друг от друга зерна основной фазы. Некоторые из этих элементов, например Al, улучшают смачиваемость жидкой фазой зерен основной фазы Nd₂Fe₁₄B, что ускоряет процесс спекания при получении магнитного материала. Поскольку размер зерен основной фазы магнитного материала неоднороден, а именно меняется в пределах 0,3-80 к ,то материал имеет относительно низкую коэрцитивную силу iHc.

На основании вышеизложенного этот материал имеет относительно низкие магнитные свойства, а именно:

коэрцитивную силу iHc - 5-20 KOe (398-1520 кА/м);

энергетическое произведение (BH)max - 5-38,4 MGOe (39,8-305,7 кДж/м³);

остаточную индукцию Br - 5-12 KG (0,5-1,2 Тл).

При этом низким значениям коэрцитивной силы iHc соответствуют большие значения (BH)max и, наоборот, большим значениям (BH)max соответствуют меньшие значения iHc. При оптимальном соотношении компонентов в известном магнитном материале коэрцитивная сила iHc не менее 10 KOe (796 кА/м), (BH)max не менее 20 MGOe (159,2 кДж/м³) и остаточная индукция Br не менее 9 KG (0,9 Тл). В известном материале происходит резкое снижение магнитных свойств при температуре выше 80-100^oC, так как он имеет низкую температуру Кюри Tc - 310^oC. Это ограничивает его применение в электрических машинах высокой удельной мощности. Известный материал также имеет относительно высокие энергозатраты при его изготовлении из-за высокой прочности слитка и относительно высокой температуры спекания.

Известен магнитный материал системы Fe-B-Co-R (патент EP N 0106948 B) с более высокой температурой Кюри. В известном материале R представляет собой сумму R₁ и R₂, причем R₁ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы неодим (Nd), празеодим (Pr), а R₂ является, по меньшей мере, одним из тяжелых редкоземельных элементов. Известный материал включает также добавку M, представляющую собой сумму M₁ и М₂, причем М₁ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы алюминий (Al), ниобий (Nb), хром (Cr) и другие, а М₂ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), ванадий (V), тантал (Ta) и т.д. Указанные компоненты содержатся в магнитном материале в следующем соотношении, ат.%: 8-30% R - R₁ + R₂; 2-28% B, не более 50% Co и остальное железо (Fe) с добавками M - M₁ + M₂, где их не более 12,5%.

Наличие кобальта (Co) в магнитном материале увеличивает его температуру Кюри (Tc), она достигает 750^oC. Это позволяет использовать известный материал без значительного снижения его магнитных свойств при температурах 120-160^oC. Однако большое содержание кобальта (Co) в материале приводит к появлению магнитомягкой фазы, обогащенной кобальтом, что является причиной резкого снижения коэрцитивной силы iHc. Для компенсации снижения коэрцитивной силы iHc сплав легируют повышенным количеством редкоземельных элементов и бора (B), что в свою очередь приводит к уменьшению (BH)max. Последнее объясняется относительным уменьшением количества основной фазы Nd₂Fe₁₄B. В известном магнитном материале средний размер зерен основной фазы имеет диапазон 1-100 к, что обуславливает низкую коэрцитивную силу iHc. Кроме того, известный материал отличает его относительно низкая технологичность, связанная, в основном, с относительно высокой прочностью слитка и температурой спекания, что приводит к высоким удельным энергозатратам при измельчении слитка и спекании.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату является магнитный материал (патент EP 0539592, опубликован 05-05.93), включающий Fe-B-Co-R, где R представляет собой сумму R₁ и R₂, причем R₁ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы неодим (Nd) и празеодим (Pr), a R₂ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы диспрозий (Dy) и тербий (Tb), и добавку M, представляющую собой сумму M₁ и M₂, причем M₁ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы алюминий (Al), ниобий (Nb), хром (Cr), а M₂ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным ив группы титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), ванадий (V), тантал (Ta), и содержит уран (U) при следующем соотношении компонентов, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы:

неодим и празеодим - 12,0-17,0;

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы:

диспрозий и тербий - 0,1-5,0;

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы:

алюминий, ниобий, хром - 0,5-4,0;

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы:

титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал - 0,1-1,5;

кобальт - 2,0-6,0

бор - 6,5-8,5

уран - 0,05-1,5

железо - остальное.

Необходимо, чтобы уран (U) имел следующий изотопный состав, ат.%:

уран 238 - 99,7 - 99,9999

уран 235 - 0,0001 - 0,3

В магнитном материале добавка M₁ может также содержать галлий, а добавка M₂ - скандий.

Такой магнитный материал может быть получен следующим общеизвестным способом.

Готовят шихту, содержащую вышеперечисленные компоненты в указанном соотношении, и загружают в плавильную печь.

В вакуумной индукционной печи в атмосфере аргона при давлении 300 мм рт. ст. получают расплав, состав которого соответствует составу магнитного материала. Затем производят разливку полученного расплава в медную водоохлаждаемую изложницу и получают слиток. Последний подвергают грубому измельчению до размера частиц менее 500 к, a затем тонкому измельчению в вибрационной шаровой мельнице до размера частиц 1-5 к. Полученный порошок помещают в магнитное поле напряженностью 10 кЭ для создания магнитной текстуры и подвергают прессованию усилием 0,1 - 5 т/см². Затем спрессованную заготовку подвергают спеканию при температуре 1000 - 1200^oC и термической обработке при температуре 400 - 1000^oC.

Такой магнитный материал обладает высокими магнитными свойствами, а именно имеет повышенное значение коэрцитивной силы iHc около 25 кОе при (BH)max 29-36 MGOe и удельных энергозатратах 0,71-0,9.

Однако этот известный магнитный материал, изготовленный общеизвестным способом, не свободен от недостатков.

Во-первых, при приготовлении исходного сплава методом выплавки, легирующие элементы U, Ga, Sc, Al, Tl, Dy и т.д. распределяются по фазам R₂Fe₁₄B, R₄Fe₄B и др. неконтролируемо, в соответствии с неравновесной диаграммой фазового состояния, в результате чего фазовый состав и структура магнитного материала не оптимальны. Такое легирование особенно неэффективно в случае малых содержаний легирующих элементов.

Поэтому для того, чтобы нужный элемент попал в нужное место в необходимом количестве, приходится вводить его в шихту в избыточном количестве, которое может быть вредным с точки зрения потребительских свойств магнитов, например снижать магнитную индукцию.

Во-вторых, известный способ получения магнитного материала не может обеспечить изготовления магнитов с требуемой точностью состава по всем компонентам сложнолегированного сплава. В связи с этим технолог вынужден использовать тот сплав, который дают металлурги, с существующим разбросом по составу и соответственно получать готовый магнитотвердый материал с аналогичным разбросом по составу и свойствам, что значительно снижает выход годных магнитов.

В-третьих, неконтролируемые внешние факторы (температура, влажность и т. д. ) приводят к изменению состава материала в процессе его изготовления. Это препятствует получению в конечном продукте нужного сочетания свойств материала.

Широко применяется также магнитный материал на основе интерметаллического соединения SmCo₅ (патент США N 3655464), содержащий компоненты в следующем соотношении (%):

редкоземельный металл (самарий, цериевый мишметалл) - 32 - 36

кобальт - остальное.

Этот известный магнитный материал имеет высокую температуру эксплуатации благодаря высокой температуре Кюри ( 700^oC) основной фазы SmCo₅. Однако указанный материал обладает относительно низким энергетическим произведением (BH)max = 20-24 МГсЭ и высокой стоимостью.

Указанный магнитный материал получают способом (патент США N 3.655.464), содержащим следующие операции:

- выплавку основного сплава, содержащего ( мас.%)

редкоземельный металл (самарий, цериевый мишметалл) - 32 - 36,

кобальт - остальное;

- выплавку сплава-добавки, содержащего ( мас.%)

редкоземельный металл - 46-65

кобальт - остальное;

- дробление и измельчение слитков основного сплава и сплава-добавки с получением порошков сплавов с размером частиц порошка от около 1 до 10 мкм:

- смешивание полученных порошков основного сплава и сплава-добавки в соотношении, обеспечивающем получение материала заданного состава;

- ориентирование полученной смеси порошков основного сплава и сплава-добавки в магнитном поле напряженностью от около 7 до около 15 кЭ и прессование давлением от около 5 до около 10 т/см²;

- изотермическое спекание в интервале температур от около 950^oC до около 1200^oC до плотности спеченной заготовки по меньшей мере около 80% и охлаждение.

Изготовление магнитного материала на основе интерметаллического соединения Nd₂Fe₁₄B вышеописанным способом приводит к получению магнитов с низкими свойствами и выходом годных.

Во-первых, использование сплава-добавки, обогащенного редкоземельным металлом по отношению к основному сплаву, хотя и позволяет путем их смешивания корректировать состав конечного материала, но только по одному элементу - редкоземельному. Однако содержание остальных компонентов известного магнитного материала, которые имеют существенное влияние на магнитные свойства, формируется только в процессе выплавки и не может быть изменено в процессе изготовления материала. Следует отметить, что этот же недостаток присущ и традиционной, общеизвестной технологии. Выплавка сплава, особенно многокомпонентного, может обеспечить точность "попадания" в заданный состав от около 0,1% до 0,5%, в зависимости от физико-химических свойств легирующего элемента. Для обеспечения высоких магнитных свойств и выхода годных магнитов необходимо, чтобы содержание жизненно важных элементов в материале задавалось с точностью от 0,05 до 0,1% и сохранялось (или контролируемо изменялось к заданному) на протяжении всего технологического процесса. В случае, когда в магнитном материале содержание легирующих элементов должно составлять около 0,01-0,001%, то изготовление его заданного состава методом выплавки это не гарантирует.

Во-вторых, проведение спекания при постоянной температуре приводит к тому, что только часть магнитов в одной садке (или только часть объема крупногабаритных магнитов) находится оптимальное время при оптимальной температуре, что не позволяет получить высокий выход годных магнитов по свойствам и по однородности магнитных свойств.

Данное явление связано со следующим. Существует естественный разброс частиц порошка по размерам и составу. Кроме того, пресс-заготовки также неоднородны по плотности, особенно крупногабаритные, а любая печь для спекания характеризуется определенным градиентом температур. Поэтому, когда проводится изотермическое спекание, только часть объема пресс-заготовки или только часть объема садки в печи находятся оптимальное время при оптимальной температуре и достигают заданной плотности и уровня магнитных свойств. Остальные части крупногабаритных магнитов или другие магниты в садке оптимальной плотности и свойств не достигают или, наоборот, переходят их. Это определяет относительно низкий уровень магнитных свойств и их однородности.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача создать магнитный материал такого химического состава и с таким содержанием компонентов, который при сохранении высоких значениях коэрцитивной силы iHc имел бы более широкую область применения - медицина и некоторые виды бытовой техники, находящейся в длительном контакте с человеческим организмом.

В основу изобретения положена также задача создать такой способ изготовления магнитного материала, который позволил бы применением сплава-добавки и специальной термической обработкой обеспечить получение магнитов с высокой коэрцитивной силой, достигаемой путем оптимизации структуры фаз, изолирующих друг от друга зерна основной фазы Nd₂Fe₁₄B; с высокой однородностью магнитных свойств и выходом годных при относительно низких удельных энергозатратах.

Поставленная задача решается тем, что в магнитном материале, содержащем Fe-B-Co-R, где R представляет собой сумму R₁ и R₂, причем R₁ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы неодим (Nd) и празеодим (Pr), a R₂ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы диспрозий (Dy) и тербий (Tb), и добавку M, представлявшую собой сумму M₁ и M₂ причем M₁ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы алюминий (Al), ниобий (Nb), хром (Cr), а M₂ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), ванадий (V), тантал (Ta), скандий (Sc) и уран (U) следующего изотопного состава, ат.%: уран 338 - 99,28 - 99,9999: уран 235 - 0,0001-0,72, согласно изобретению, компоненты содержатся в следующем соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы:

неодим и празеодим - 12,0-17,0;

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы:

диспрозий и тербий - 0,1-5,0:

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы:

алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,5-4,0;

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы:

титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,1-1,5;

бор - 6,5-8,5

кобальт - 0,1-1,5

уран - 0,001-0,025

железо - остальное.

Такой магнитный материал, согласно изобретению, обладает высокими магнитными свойствами, в частности, имеет повышенное значение коэрцитивной силы iHc более 25 кЭ (1990 кА/м) при (BH)max при 29-36 МГсЭ (230,8-286,6 кДж/м³).

Общеизвестно, что свойства материала для постоянных магнитов системы Fe-B-R определяются количеством и размером зерен, удельной намагниченностью и коэрцитивной силой основной фазы (R)₂,Fe₁₄B, а также количеством, структурой и составом фаз, изолирующих зерна основной фазы (R)₂Fe₁₄В.

Для получения максимальных характеристик магнитного материала, например (BH)max температуры эксплуатации (Tmo), необходимо, чтобы основная фаза (R)₂Fe₁₄B присутствовала в материале в количестве, приближающемся к 100%, имела оптимальный размер зерна и максимально возможные значения удельной намагниченности и коэрцитивной силы, а фазы, изолирующие зерна основной фазы (R)₂Fe₁₄B друг от друга, должны присутствовать в минимальном количестве по границам зерен основной фазы и быть слабомагнитными или немагнитными.

В связи с тем, что основным механизмом коэрцитивной силы магнитного материала системы R-Fe-B является уничтожение доменов обратной намагниченности, причиной облегченного появления доменов обратной намагниченности может быть:

1) относительно низкая магнитокристаллическая анизотропия или дефектная структура (высокая плотность дефектов решетки, включений и т.д.) основной фазы типа R₂Fe₁₄B, облегчающее зарождение доменов обратной намагниченности внутри зерен основной фазы;

2) недостаточные изолирующие свойства межзеренной фазы (фаз), облегчающие зарождение доменов обратной намагниченности на границе раздела основной и межзеренной фазы (фаз);

3) плохая морфология и/или недостаточное количество межзеренной фазы (фаз), ухудшающее изоляцию зерен основной фазы и облегчающее проникновение доменов обратной намагниченности из одного зерна в другие.

Проведенные исследования магнитного материала показали, что вводимый в материал уран распределяется неоднородно: около 80-90% вводимого урана концентрируется в фазах, изолирующих зерна основной фазы типа R₂Fe₁₄B, и около 10-20% вводимого урана растворяется в зернах основной фазы типа R₂Fe₁₄B, преимущественно обогащая границы зерен этой основной фазы.

Такое поведение урана, а именно обогащение соединениями урана границ зерен основной фазы в результате взаимодействия зерен основной фазы со сложной урансодержащей эвтектикой при спекании, приводит к улучшению магнитной изоляции зерен основной фазы типа R₂Fe₁₄B и, следовательно, к повышению коэрцитивной силы.

Следует также отметить, что частичное растворение урана в основной фазе типа R₂Fe₁₄B приводит к локальному повышению поля анизотропии основной фазы и, следовательно, к повышению коэрцитивной силы.

Следует также отметить, что в известном магнитном материале используют природный уран, содержащий 238 и 235 изотопы. При содержании урана в материале 0,05 ат.% его удельная активность составляет 90 Вк/г, что находится на уровне природных материалов, например, гранитов, имеющих удельную активность более 100 Вк/г и широко используемых в строительстве. В соответствии с нормами МАГАТЭ нерадиоактивными являются материалы с удельной активностью менее 70 Вк/г. При использовании в известном магнитном материале обедненного урана его удельная активность составит 70 Вк/г, что соответствует нормам МАГАТЭ.

При содержании в предложенном материале урана в количестве 0,001-0,025 ат.%, независимо от его изотопного состава (в пределах заявленного) удельная активность магнитного материала составит 1-35 Вк/г, что значительно ниже норм МАГАТЭ и позволяет значительно расширить область его использования, например, в медицине для имплантации и изделиях, находящихся в длительном контакте с живыми организмами.

При содержании кобальта до 0,1-1,5 ат.% уровень наведенной активности материала пренебрежимо мал и стоимость низка при сохранении высоких потребительских свойств материала.

Таким образом, при минимальном содержании в магнитном материале, согласно изобретению, урана (U) - 0,001-0,025%, а кобальта (Co) - 0,1-1,5%, он сохраняет высокие значения коэрцитивной силы iHc более 25 кЭ (2000 кА/м) при (BH)max - 29-36 МГсЭ (230-290 кДж/м³), что расширило область его применения, а именно позволило использовать в медицине для имплантации в ткани живых организмов.

Поставленная задача решается также тем, что в способе получения магнитного материала, заключающемся в том, что каждый из предварительно приготовленных базовый сплав и сплав-добавку дробят с получением дробленых сплавов, которые смешивают в соотношении, обеспечивающем получение материала заданного состава, и получают смесь дробленых сплавов, последнюю направляют в зону измельчения, где указанную смесь дробленых сплавов измельчают до крупности среднего размера частиц 1-10 к и получают смесь порошков, направляемую в зону прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле, и смесь подвергают прессованию, в результате которого получают заготовку низкой плотности, которую направляют в зону спекания для увеличения плотности заготовки, достигающей по меньшей мере 80% от теоретического, и получают спеченную заготовку, которую направляют в зону охлаждения и охлаждают, согласно изобретению, базовый сплав содержит компоненты в следующем их соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 11 - 17

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,01 - 0,1

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром - 0,01 - 1,5

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал - 0,01 - 1,0

кобальт - 0,01 - 1,4

бор - 4,8 - 8,5

железо - Остальное

и сплав - добавка содержит компоненты в следующем их соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 25 - 11

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 10 - 0,01

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 8,0 - 0,01

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 6,0 - 0,01

кобальт - 10,0 - 0,01

бор - 15,0 - 4,8

уран - 1,5 - 0,002

железо - Остальное

в зоне спекания на участке нагрева создают вакуум величиной от около 10^-1 до около 10^-6 мм рт.ст. и проводят нагрев заготовки низкой плотности ступенчато со средней скоростью нагрева от около 1 до около 50^oC/мин по меньшей мере до температуры 950^oC, в результате чего получают очищенную от летучих веществ нагретую заготовку, которую спекают на участке спекания указанной зоны спекания в диапазоне температур от около 950^oC до около 1200^oC со средней скоростью изменения температуры 1-40^oC/мин, а в зоне охлаждения проводят охлаждение спеченной заготовки ступенчато со средней скоростью охлаждения 1-200^oC/мин.

Такой способ изготовления магнитного материала позволяет получать постоянные магниты с высокими магнитными свойствами - остаточная индукция Br = 11-13 кГс (1,1-1,3 Тл), коэрцитивная сила по намагниченности iHc - до 26,4 кЭ (2100 кА/м), энергетическое произведение (BH)max - 30-38,9 МГсЭ (240-310 кДж/м³), с высокой однородностью свойств магнитов между партиями и внутри партии - до 5%, и выходом годных более 90%.

Достигнутые результаты объясняются следующим.

Использование в производстве магнитного материала принципа получения заданного состава материала и соответственно его свойств путем смешивания базового сплава и сплава-добавки, каждый из которых обогащен (обеднен) (по сравнению с базовым) по крайней мере по одному из основных элементов (Nd, Pr, Dy, Tb, B и др.), позволяет путем расчета и составления смеси порошков точно задавать состав конечного продукта и, кроме того, вводить легирующие добавки (например, Dy, Tb, Ga, Zr, U и др.) в малых количествах в нужное место - в межзеренные области магнитного материала, т.е. получать материал строго заданного состава и с заданным распределением элементов. Этот же принцип смешивания базового сплава со сплавом - добавкой позволяет снизить общее содержание легирующих элементов в материале, например Dy, Tb, Al, Ti и др. , по сравнению с общеизвестной технологией изготовления конечного продукта из сплава одного состава, полученного методом выплавки и тем самым повысить магнитную индукцию.

Кроме того, использование принципа составления смесей позволяет снизить жесткость требований к точности состава исходных сплавов - базового и добавок и тем самым повысить выход годных магнитов, поскольку путем смешивания сплавов (базового и добавок) разного состава можно легко получить конечный продукт одного и того же состава и соответственно с одними и теми же высокими свойствами. Использование принципа составления смесей позволяет легко получать конечный продукт с различным сочетанием магнитных свойств - с высокой остаточной индукцией и относительно низкой коэрцитивной силой и наоборот - путем использования одного и того же базового сплава и различных сплавов-добавок или их количества в смеси.

Вышеуказанные условия нагрева пресс-заготовок приводят к созданию в каждой заготовке садки равномерного температурного поля, что исключает растрескивание и окисление материала в процессе нагрева. В процессе нагрева пресс-заготовок до температуры около 950^oC происходит их дегазация, т.е. удаление с поверхности порошковых заготовок адсорбированных в процессе измельчения порошков и их прессования газов, воды и органических жидкостей. При высокой скорости нагрева (более 50^oC/мин) дегазация может происходить бурно и приводить к растрескиванию заготовок, при низкой (менее 1^oC/мин) - дегазация неоправданно затягивается и приводит к связыванию адсорбированных веществ с материалом заготовки в стойкие соединения (например, окислы) и изменять тем самым состав материала и ухудшать его свойства, например, снижать коэрцитивную силу, а также неоправданно загружает оборудование. Таким образом, нагрев пресс-заготовок необходимо проводить ступенчато с контролируемой скоростью в зависимости от массы садки, способа и среды измельчения порошков, способа и среды прессования, таким образом, чтобы вакуум в процессе нагрева поддерживался на уровне по меньшей мере 10^-3 мм рт.ст.

Спекание очищенных от летучих веществ нагретых заготовок проводят в диапазоне температур от около 950 до около 1200^oC со средней скоростью изменения температуры 0,1-40^oC/мин, что позволяет повысить выход годных магнитов по свойствам и их однородности.

Данное явление связано со следующим. Существует естественный разброс частиц порошка по размерам и составу. Кроме того, пресс-заготовки также неоднородны по плотности, особенно крупногабаритные, а любая печь для спекания характеризуется определенным градиентом температур. Поэтому, когда проводится изотермическое спекание, только часть объема пресс-заготовки или только часть объема садки в печи находятся оптимальное время при оптимальной температуре и достигают заданной плотности и уровня магнитных свойств. Остальные части крупногабаритных магнитов или другие магниты в садке оптимальной плотности и свойств не достигают или, наоборот, переходят их. Это определяет низкий уровень магнитных свойств и их однородности.

Проведение спекания при переменной по определенному закону температуре приводит к тому, что каждая часть объема пресс-заготовки или каждая часть объема садки в печи находятся оптимальное время при оптимальной температуре и достигают заданной плотности и уровня магнитных свойств. Выбор закона изменения температуры спекания зависит от формы и размеров пресс-заготовок, от способа и среды измельчения порошка и прессования, от массы садки и режима нагрева пресс-заготовок по меньшей мере до температуры 950^oC.

Проведение операции охлаждения, носящего ступенчатый характер, приводит к возрастанию коэрцитивной силы магнитного материала, согласно изобретению.

Указанный диапазон средней скорости охлаждения обусловлен составом материала, массой и формой заготовок и массой садки.

При средней скорости охлаждения меньше 1^oC/мин имеет место неоправданно высокие энергозатраты. При средней скорости охлаждения больше 200^oC/мин снижается выход годных магнитов из-за их растрескивания вследствие появления больших внутренних напряжений.

Предложенный магнитный материал с высокими магнитными свойствами и их однородностью с выходом годных магнитов более 90% может быть получен другим способом, включающим дробление каждого из предварительно приготовленных базового сплава и сплава-добавки с получением дробленых сплавов, которые смешивают и получают смесь дробленых сплавов, последнюю направляют в зону измельчения, где указанную смесь дробленых сплавов измельчают до крупности среднего размера частиц 1-10 мкм и получают смесь порошков, направляемую в зону прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле, и смесь подвергают прессованию давлением, в результате которого получают заготовку низкой плотности, которую направляют в зону спекания для увеличения плотности заготовки, достигающей по меньшей мере 80% от теоретической, и получают спеченную заготовку, которую направляют в зону охлаждения и охлаждают, отличающийся тем, что базовый сплав содержит компоненты в следующем их соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один на редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 11,0 - 17,0

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,01 - 0,1

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,01 - 1,5

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,01 - 1,0

кобальт - 0,01 - 1,4

бор - 4,8 - 8,5

железо - остальное,

сплав - добавка содержит компоненты в следующем их соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 25,0 - 11,0

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 10,0 - 0,1

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы; алюминий, ниобий, хром, галлий - 8,0 - 0,01

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 6,0 - 0,01

кобальт - 10,0 - 0,01

бор - 15,0 - 4,8

железо - остальное,

при этом в смесь дробленных сплавов вводят добавку окислов U в количестве (ат.%) 0,001-0,025 и тем, что в зоне спекания на участке нагрева создают вакуум величиной от около 10^-1 до около 10^-6 мм рт.ст. и проводят нагрев заготовки низкой плотности ступенчато со средней скоростью нагрева от около 1 до около 50^oC/мин по меньшей мере до температуры 950^oC, в результате чего получают очищенную от летучих веществ нагретую заготовку, которую спекают на участке спекания указанной зоны спекания в диапазоне температур от около 950^oC до около 1200^oC со средней скоростью изменения температуры 1-40^oC/мин, а в зоне охлаждения проводят охлаждение спеченной заготовки ступенчато со средней скоростью охлаждения 1-200^oC/мин.

Магнитный материал, полученный вышеописанным способом, обладает магнитными свойствами: остаточная индукция Br=1,1-1,3 Тл (11-13 кГс), коэрцитивная сила iHc-2100 кА/м (26 кЭ), энергетическое произведение (BH)max= 240-310 кДж/м³ (30-39 МГсЭ), высокой однородностью магнитных свойств и выходом годных. Реализация указанного способа удешевляет процесс изготовления магнитов из-за приготовления сплава-добавки в общепромышленных условиях, т.к. она не содержит уран.

Рекомендуется при нагреве заготовок до температуры около 950^oC со средней скоростью 1-5^oC/мин спекание проводить как непрерывный нагрев со средней скоростью 1-5^oC/мин. Такой режим следует использовать при изготовлении магнитов со сложной текстурой, например, четырехполюсных, и средней массой, например, 10-100 г. При этом плавный нагрев до окончательного уплотнения заготовок не позволяет возникающим внутренним напряжениям разрушить заготовку.

Целесообразно при нагреве заготовок до температуры 1075^oC со средней скоростью 5-15^oC/мин спекание проводить как циклический нагрев и охлаждение с амплитудой 20-250^oC. Такой режим следует использовать, в основном, при спекании заготовок с низкой исходной плотностью и большой массой, например, 0,5-3 кг. При таком режиме спекания каждый объем пресс-заготовки или каждая часть садки в печи находится оптимальное время при оптимальной температуре и достигают заданной плотности и уровня магнитных свойств, что улучшает однородность магнитов по свойствам и повышает выход годных.

Желательно при нагреве заготовок до температуры около 1200^oC со средней скоростью 5-20^oC/мин спекание проводить как непрерывное охлаждение со средней скоростью 1-5^oC/мин. Такой режим следует использовать при спекании малогабаритных заготовок с высокой исходной плотностью. При таком режиме спекания процесс уплотнения заготовок ускоряется, что снижает затраты на производство.

Возможно перед прессованием смесь порошков смешать со смазкой в соотношении 1: 0,5- -1:7,5 и проводить прессование в магнитном поле напряженностью около 160 кА/м при удельном давлении 0,05-1,5 т/см² при непрерывном удалении смазки из зоны прессования. Такой прием следует использовать при массовом производстве магнитов, когда необходимы высокие производительность прессования, магнитные свойства и выход годных. В качестве смазки следует использовать этиловый и/или поливиниловый спирт, толуол и др.

Повышение производительности и выхода годных магнитов при этом обусловлено легкостью автоматизации процесса прессования порошка в магнитном поле и повышения срока службы прессового оборудования и оснастки в связи со снижением удельного давления прессования.

Повышение выхода годных магнитов, магнитных свойств и их однородности обусловлено повышением степени магнитной текстуры и ее однородности вследствие более благоприятных условий текстурования (co смазкой) и мягких режимов прессования (снижение удельных давлений прессования).

Верхний и нижний пределы отношений весов порошка к смазке обусловлены спецификой дозировки и подачи "мокрой" пресс-массы из питателя пресса и дозатора в пресс-форму. Указанное соотношение весов определяет также максимальную степень магнитной текстуры.

Нижний предел давления 0,05 т/см² при прессовании ограничен минимальной прочностью пресс-заготовок. Верхний предел 1,5 т/см² - степенью магнитной текстуры: применение давления свыше 1,5 т/см² при взаимнопараллельном приложении магнитного поля и давления снижает степень магнитной текстуры ниже 80%.

Краткое описание чертежей

Другие цели и преимущества изобретения станут более понятны из следующих конкретных примеров его выполнения и чертежей, на которых:

фиг. 1 - график зависимости коэрцитивной силы iНс материала от содержания урана (U);

фиг. 2 - блок-схема технологического процесса изготовления магнитного материала;

фиг. 3 - схема изменения температуры в зоне термической обработки в процессе изготовления магнитного материала;

фиг. 4 - блок-схема технологического процесса изготовления магнитного материала;

фиг. 5 - блок-схема, технологического процесса, изготовления магнитного материала.

Магнитный материал, согласно изобретению, содержит Fe-B-Co-R, где R представляет собой сумму R₁и R₂, причем R₁ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы неодим (Nd) и празеодим (Pr), a R₂ является, по меньшей мере, одним из редкоземельных элементов, выбранным из группы диспрозий (Dy) и тербий (Tb), и добавку М, представляющую собой сумму М₁ и М₂, причем М₁ является по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы алюминий (Al), ниобий (Nb), хром (Cr), галлий (Ga), а М₂ является, по меньшей мере, одним из элементов, выбранным из группы титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), ванадий (V), тантал (Ta), скандий (So) и уран (U) следующего изотопного состава, ат.% уран 338 - 99,28-99,9999, уран 235 - 0,0001-0,72, содержит компоненты в следующем соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 12,0 - 17,0;

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,1 - 5,0;

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,5 - 4,0;

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,1 - 1,5;

бор - 6,5 - 8,5

железо - остальное.

отличающийся тем, что уран содержится в количестве (ат.%): 0,001-0,025, а кобальт - 0,1-1,5.

Такой магнитный материал, согласно изобретению, обладает высокими магнитными свойствами, в частности, имеет повышенное значение коэрцитивной силы iНс более 25 кЭ (1990 кА/м) при (BH)max=29-36 МГсЭ (230,8-286,6 кДж/м³).

При введении урана улучшается магнитная изоляция зерен основной фазы типа R₂Fe₁₄B в связи с образованием урансодержащей эвтектики и образованием на поверхности зерен основной фазы типа R₂Fe₁₄B тонкой (толщиной доли мкм) пленки, обогащенной ураном. Кроме того, растворение урана в основной фазе, хотя и незначительное, может приводить к локальному повышению поля анизотропии основной фазы и тем самым к повышению коэрцитивной силы, что видно из фиг. 1 графика зависимости iНс от содержания урана.

Вышеописанный магнитный материал, получают способом, согласно изобретению. На фиг. 2 приведена блок-схема технологического процесса (способа), согласно изобретению, изготовления магнитного материала.

Базовый сплав, содержащий компоненты в следующем соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 11,0 - 17,0

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 0,01 - 0,1

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 0,01 - 1,5

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 0,01 - 1,0

кобальт - 0,01 - 1,4

бор - 4,8 - 8,5

железо - остальное,

полученный, например, методом вакуумной индукционной выплавки, подают в зону 1 (фиг. 2) дробления.

В эту же зону подают и сплав - добавку, содержащую компоненты в следующем соотношении: ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 25,0 - 11,0

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 10,0 - 0,01

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 8,0 - 0,1

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 6,0 - 0,01

кобальт - 10,0 - 0,01

бор - 15,0 - 4,8

уран - 15,0 - 0,002

железо - остальное,

полученную, например, методом вакуумной индукционной выплавки.

Составы базового сплава и сплава-добавки приведены в таблице 1.

В зоне 1 дробления (фиг. 2) осуществляют дробление до крупности 100 мкм - 1 мм сплавов, а затем раздробленные сплавы подают в зону 2 приготовления смеси для смешивания в соотношении 1:1 - 1:25, обеспечивающем получение материала заданного состава (см. таблицу 2).

Полученную смесь дробленых сплавов направляют в зону 3 измельчения, где указанную смесь дробленых сплавов измельчают до среднего размера частиц около 1-10 мкм.

Полученную смесь порошков направляют в зону 4 прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле напряженностью от 160 кА/м до 800 кА/м и смесь подвергают прессованию давлением от 10 кг/см² до 10 т/см², в результате которого получают заготовку низкой плотности, которую направляют в зону 5 термической обработки для получения магнитного материала с высокой плотностью и коэрцитивной силой.

В зоне 5 термической обработки (см. фиг. 3) на участке 5а нагрева создают вакуум глубиной от около 10^-1 до около 10^-6 мм рт.ст. и проводят нагрев заготовки с низкой плотностью ступенчато со средней скоростью нагрева от около 1 до около 50^oC/мин, по меньшей мере до температуры 950^oC, в результате чего получают очищенную от летучих веществ нагретую заготовку. Последнюю спекают на участке 5в спекания указанной зоны 5 термической обработки в диапазоне температур от около 950^oC до около 1200^oC со средней скоростью изменения температуры 1-40^oC/мин, в результате чего получают заготовку плотностью по меньшей мере 80% от теоретической. После спекания заготовки с высокой плотностью направляют на участок 5с охлаждения, где охлаждение проводят ступенчато со средней скоростью охлаждения 1-200^oC/мин, в результате чего получают заготовку с микроструктурой, обеспечивающей высокую коэрцитивную силу. Из зоны 5 термической обработки заготовки поступают в зону 6 намагничиваниия, в результате чего получают заготовку с высокой коэрцитивной силой более 2000 кА/м (25 кЭ).

В случае повышенных требований к геометрии магнитов и их коррозионной стойкости заготовки перед поступлением в зону намагничивания поступают, например, в зону шлифования и галтовки, а затем в зону нанесения защитного покрытия, повышающего коррозионную стойкость магнитов.

Магнитный материал, согласно изобретению, может быть получен способом, согласно изобретению, при котором базовый сплав, состав которого аналогичен вышеизложенному, и сплав-добавку, содержащий компоненты в следующем соотношении, ат.%:

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: неодим и празеодим - 25 - 11

по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, выбранный из группы: диспрозий и тербий - 10,0 - 0,01

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: алюминий, ниобий, хром, галлий - 8,0 - 0,01

по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы: титан, гафний, цирконий, ванадий, тантал, скандий - 6,0 - 0,01

кобальт - 10,0 - 0,01

бор - 15,0 - 4,8

железо - остальное,

направляют в зону 7 дроблениия (фиг. 4) для получения дробленых до крупности 100 мкм - 1 мм сплавов, а затем раздробленные сплавы и добавку - окись урана подают в зону 8 смешиваниия. Составы базового сплава, сплава-добавки и добавки приведены в таблице 3. Полученную смесь направляют в зону 9 измельчения и далее процесс проводят в соответствии с вышеизложенным.

Рекомендуется при нагреве заготовок до температуры около 950^oC со средней скоростью 1-5^oC/мин спекание проводить как непрерывный нагрев со средней скоростью 1-5^oC/мин. Такой режим следует использовать при изготовлении магнитов со сложной текстурой, например, четырехполюсных, и средней массой, например, 10-100 г. При этом плавный нагрев до окончательного уплотнения заготовок не позволяет возникающим внутренним напряжениям разрушить заготовку.

Целесообразно при нагреве заготовок до температуры 1075^oC со средней скоростью 5-15^oC/мин спекание проводить как циклический нагрев и охлаждение с амплитудой 20-250^oC. Такой режим следует использовать, в основном, при спекании заготовок с низкой исходной плотностью и большой массой, например, 0,5-3 кг. При таком режиме спекания каждый объем пресс-заготовки или каждая часть садки в печи находится оптимальное время при оптимальной температуре и достигают заданной плотности и уровня магнитных свойств, что улучшает однородность магнитов по свойствам и повышает выход годных.

Желательно при нагреве заготовок до температуры около 1200^oC со средней скоростью 5-20^oC/мин спекание проводить как непрерывное охлаждение со средней скоростью 1-5^oC/мин. Такой режим следует использовать при спекании малогабаритных заготовок с высокой исходной плотностью. При таком режиме спекания процесс уплотнения заготовок ускоряется, что снижает затраты на производство.

Для увеличения производительности процесса прессования, снижения энергозатрат, повышения стойкости пресс-инструмента и повышения степени магнитной текстуры и соответственно остаточной индукции целесообразно измельченную смесь порошков базового сплава и сплава-добавки или базового сплава, сплава-добавки и окиси урана подавать в зону 10 приготовления пресс-массы (фиг. 5), в которой порошки смешивают со смазкой в соотношении 1:1 - 10:1. Полученную пресс-массу подают в зону прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле напряженностью от 160 кА/м до 400 кА/м и пресс-массу подвергают прессованию давлением от 10 кг/см² до 1500 кг/см² при непрерывном удалении смазки, в результате чего получают заготовку низкой плотности, которую направляют в зону термической обработки для получения магнитного материала с высокой плотностью и коэрцитивной силой.

Сплав-добавка может быть получен методом высокоскоростной закалки расплава с целью получения аморфной или микрокристаллической структуры частиц. Использование сплава-добавки в таком состоянии с высокой степенью активности повышает эффективность действия сплава-добавки в смеси порошков и повышает магнитные характеристики материала.

Ниже приводятся составы магнитного материала, согласно изобретению, полученные способами изготовления согласно изобретению.

Пример 1

Берут базовый сплав состава Fe-1,4Co-8,5В-17Nd-0,1Dy-1,4Al-0,9Ti-0,1Sc и сплав-добавку Fe-1,6Co-7,5B-11Nd-2,9Dy-0,6Al-0,1Ti-0,1Sc-0,03U, полученные методом вакуумной индукционной плавки, и подают их в зону 1 дробления (фиг. 2). В данной зоне слитки сплавов по отдельности дробят до крупности - 500 мкм, а затем раздробленные сплавы подают в зону 2 приготовления смеси для смешивания в соотношении, обеспечивающем получение материала Fe-1,5Co-8B-14Nd-1,5Dy-1Al-0,5Ti-0,1Sc-0,015U (п.35 Табл. 2-3). Полученную смесь дробленых сплавов направляют в зону 3 измельчения, где указанную смесь измельчают до среднего размера частиц 3 мкм. Полученный порошок направляют в зону 4 прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле напряженностью 600 кА/м и прессуют в виде четырехполюсных заготовок массой около 80 г при удельном давлении 5 т/см², в результате чего получают заготовки плотностью около 70%, которые и направляют в зону 5 термической обработки. В зоне 5 термической обработки на участке нагрева 5а создают вакуум глубиной около 10^-3 мм рт. ст. и проводят нагрев заготовок ступенчато со средней скоростью 3^oC/мин до температуры 950^oC, причем при достижении заготовками температуры 200^oC проводят выдержку в течение 60 мин, затем их подвергают дальнейшему нагреву до 600^oC и вновь осуществляют выдержку в течение 60 мин. После достижения температуры 950^oC в результате дегазации получают нагретые и очищенные от летучих веществ заготовки, которые подают на участок спекания. Спекание проводят как непрерывный нагрев до температуры 1180^oC со средней скоростью 5^oC/мин, в результате чего получают заготовки с плотностью 95%. После спекания заготовки направляют на участок 5с охлаждения, где охлаждение проводят ступенчато со средней скоростью охлаждения 11 и/мин, причем при достижении заготовками температуры 900^oC и 520^oC осуществляют выдержку в течение 30 и 60 мин соответственно, в результате чего формируется микроструктура, обеспечивающая высокую коэрцитивную силу. После охлаждения заготовки направляют в зону намагничивания.

Пример 2

Берут базовый сплав состава Fe-0,01Co-4,8B-11Nd-0,01Dy-0,01Al-0,01Ga-0,01Sc и сплав-добавку состава Fe-3,7Co-13B-22Nd-5Dy-3,7Al-0,09Ga-1,15Sc-0,035U, полученные методом кальциетермического восстановления, и подают их в зону 1 дробления (фиг.2 ). В указанной зоне слитки сплавов по отдельности дробят до крупности - 500 мкм, а затем раздробленные сплавы подают в зону приготовления смеси для смешивания в соотношении, обеспечивающем получение материала Fe-1Co-7B-14Nd-1,4Dy-1Al-0,03Ga-0,05Sc-0,01U (п. 66 табл. 2-5). Полученную смесь дробленых сплавов направляют в зону 3 измельчения, где указанную смесь измельчают до среднего размера частиц 2,5 мкм. Полученный порошок направляют в зону 4 прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле напряженностью 800 кА/м (10 кЭ) и прессуют в виде призматических заготовок массой около 1,5 кг при удельном давлении 1 т/см², в результате чего получают заготовки плотностью около 60%, которые и направляют в зону 5 термической обработки. В зоне 5 термической обработки на участке нагрева 5а создают вакуум глубиной 10^-1 мм рт.ст. и проводят нагрев заготовок ступенчато со средней скоростью 7^oC/мин, до температуры 1120^oC, причем при достижении заготовками температуры 250^oC проводят выдержку в течение 30 мин, затем их подвергают дальнейшему нагреву до 650^oC и вновь осуществляют выдержку в течение 30 мин. После достижения температуры 1120^oC в результате дегазации получают нагретые и очищенные от летучих веществ заготовки, которые подают на участок спекания 5в. Спекание проводят как циклический нагрев и охлаждение с амплитудой 50^oC со средней скоростью изменения температуры 2,5^oC/мин, в результате чего получают заготовки с плотностью 98%. После спекания заготовки направляют на участок 5с охлаждения, где охлаждение проводят ступенчато со средней скоростью охлаждения 50^oC/мин, причем при достижении заготовками температуры 950^oC и 600^oC осуществляют выдержку в течение 5 и 10 мин соответственно, в результате чего формируется микроструктура, обеспечивающая высокую коэрцитивную силу. После охлаждения заготовки направляют в зону намагничивания.

Пример 3

Магнитный материал состава, аналогичный описанному в примере 1, получают следующим образом.

Берут базовый сплав состава Fe-1Co-6,5B-12Nd-0,8Dy-0,75Al-0,5Ti-0,01Sc и сплав-добавку Fe-3,8Co-15B-23Nd-4,75Dy-2,1Al-0,5Ti-0,7Sc, полученные методом вакуумной индукционной выплавки, и подают их в зону 7 дробления (фиг. 4). В указанной зоне слитки сплавов по отдельности дробят до крупности - 500 мкм, а затем раздробленные сплавы и добавку - окись урана подают в зону 8 приготовления смеси, в которой их смешивают в соотношении, обеспечивающем получение магнитного материала состава Fe-1,5Co-8B-14Nd-1,5Dy-1Al-0,5Ti-0,1Sc-0,015U (п. 35 табл. 2-3). Полученную смесь направляют в зону 9 измельчения, где указанную смесь измельчают до среднего размера частиц 3 мкм и далее процесс проводят в соответствии с вышеизложенным в примере 1.

Пример 4

Берут базовый сплав состава Fe-0,5Co-6B-14Nd-0,5Dy-1,85Al-0,3Ti-0,07Sc и сплав-добавку состава Fe-0,5Co-11B-20Nd-2Dy-4Al-1,3Ta-0,22Sc-0,036U, полученные методом индукционной выплавки, и подают их в зону 1 дробления (фиг. 2). В указанной зоне слитки сплавов по отдельности дробят до крупности - 500 мкм, а затем раздробленные сплавы подают в зону 2 приготовления смеси для смешивания в соотношении, обеспечивающем получение материала Fe-0,5Co-7B-15Nd-0,8Dy-2Al-0,5Ti-0,1Sc-0,025U (п. 4 табл. 2-1). Полученную смесь дробленых сплавов направляют в зону 3 измельчения, где указанную смесь измельчают до среднего размера частиц 3 мкм. Полученный порошок направляют в зону 4 прессования, в которой создают ориентирующее магнитное поле напряженностью 800 кА/м (10 кЭ) и прессуют в виде дисковых заготовок массой около 1 г при удельном давлении 0,5 т/см², в результате чего получают заготовки плотностью около 60%, которые и направляют в зону 5 термической обработки. В зоне 5 термической обработки на участке нагрева 5а создают вакуум глубиной 10 мм рт. ст. и проводят нагрев заготовок ступенчато со средней скоростью 20^oC/мин, до температуры 1200^oC, причем при достижении заготовками температуры 300^oC проводят выдержку в течение 15 мин, затем их подвергают дальнейшему нагреву до 700^oC и вновь осуществляют выдержку в течение 20 мин. После достижения температуры 1200^oC в результате дегазации получают нагретые и очищенные от летучих веществ заготовки, которые подают на участок спекания 5в. Спекание проводят как непрерывное охлаждение со средней скоростью 5^oC/мин до температуры 1000^oC, в результате чего получают заготовки с плотностью 95%. После спекания заготовки направляют на участок 5с охлаждения, где охлаждение проводят ступенчато со средней скоростью охлаждения 200^oC/мин, причем при достижении заготовками температуры 550^oC осуществляют выдержку в течение 1 мин, в результате чего формируется микроструктура, обеспечивающая высокую коэрцитивную силу. После охлаждения заготовки направляют в зону намагничивания.

Описанные выше предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены только в качестве примеров и не ограничивают объема изобретения. Возможны различные модификации и варианты осуществления изобретения без отклонения от его сущности и объема, определенных нижеследующими патентными притязаниями.