способ получения постоянных магнитов из сплавов на основе системы неодим-железо-бор или празеодим-железо-бор

Формула изобретения

1. Способ получения постоянных магнитов из сплавов на основе системы неодим-железо-бор или празеодим-железо-бор, включающий горячую деформацию полученной литьем сплава заготовки, отличающийся тем, что деформацию осуществляют методом равноканального углового прессования в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с углом пересечения, равным 90-135°, в диапазоне температур 500-800°С с достижением накопленной логарифмической степени деформации не менее 0,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после равноканального углового прессования осуществляют дополнительные одноэтапные или многоэтапные отжиги при температурах 500-1000°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после равноканального углового прессования осуществляют дополнительные операции горячей деформации заготовки методами осадки или прокатки или экструзии при температуре 500-1000°С.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после дополнительных операций горячей деформации осуществляют одноэтапные или многоэтапные отжиги при температуре 500-1000°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения постоянных магнитов с мелкозернистой структурой из сплавов на основе системы неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) или празеодим-железо-бор (Pr-Fe-B), обладающих повышенными магнитными характеристиками.

Известен способ получения постоянных магнитов из магнитотвердого сплава на основе системы Pr-Fe-B, включающий литье заготовки и последующую термообработку при температуре 1000°С в течение 8 часов + отжиг при температуре 475°С в течение 1 часа (патент РФ №2044101, МПК С22С 38/16, опубл. 20.09.1995 г.). Однако данный способ не позволят получить магниты с мелким зерном, высокой текстурой и высокими магнитными свойствами.

Широко используются способы порошковой металлургии, включающие операции отливки слитка сплава, размола сплава в порошок, прессование порошка в магнитном поле и последующее спекание заготовки. Например, известен способ изготовления постоянных магнитов, включающий выплавку сплавов, содержащих железо, неодим, бор, кобальт, дробление слитков, размол, ориентирование частиц порошка магнитным полем, прессование, спекание, отжиг при температуре 650-8000°С и охлаждение до комнатной температуры со скоростью 20-600 град/мин (а.с. СССР №1288997, МПК В22F 3/24, опубл. 20.12.2005 г.).

Недостатком способа является большое число операций, включая несколько стадий размола слитка, что удорожает производство. Склонность порошков Nd-Fe-B, Pr-Fe-B к окислению требует защиты и контроля их контактов с атмосферой и в условиях массового производства может приводить к деградации свойств магнитов. По этой технологии затруднено изготовление магнитов с радиальной текстурой, т.е. магнитной анизотропией по радиусу цилиндрического образца. Для изготовления анизотропных магнитов необходимы специфические дорогостоящие установки прессования в магнитном поле, которые имеют ограничения по размерам получаемых магнитов, что затрудняет изготовление магнитов больших размеров.

Известно, что магнитные свойства магнитов Pr-Fe-B, Nd-Fe-B (коэрцитивная сила и остаточная индукция) могут быть заметно повышены измельчением зерна вплоть до нанокристаллического (с размером зерен менее 100 нм) или ультрамелкозернистого размера (с размером зерен менее 1 мкм).

В связи с этим, например, используется метод быстрой закалки Pr(Nd)-Fe-B, в результате которой в сплаве формируется нанокристаллическая структура с размером зерен менее 100 нм [Croat, J.J., Herbst, J.F., Lee, R.W., Pinkerton, F.E., J. Appl. Phys., 1984, vol.55, no.6, pp.2078]. Недостатком этой технологии является то, что сплав получается в виде тонких лент или порошков и требуется введение сложной дополнительной операции горячего компактирования и деформации порошков в вакууме.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ производства постоянных магнитов из сплавов системы неодим-железо-бор, празеодим-железо-бор (US 5536334 МПК Н01F 1/57), включающий литье заготовки и последующую горячую деформацию сплава при температуре 800-1050°С путем прессования, обжатия или экструдирования.

Недостатком этой технологии является невозможность значительного измельчения зерна исходных слитков до размеров менее 5 мкм. Это затрудняет достижение высокой коэрцитивной силы (Н_с) на слитках с исходно-крупным зерном. Также недостатком является выдавливание обогащенной празеодимом межзеренной фазы на периферию деформируемого магнита, что приводит к появлению неоднородности гистерезисных свойств в радиальном направлении магнита.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в создании способа получения магнитов из сплавов Nd-Fe-B и Pr-Fe-B, обладающих повышенной коэрцитивной силой за счет интенсивного измельчения зерна.

Поставленная задача решается способом получения постоянных магнитов из сплавов на основе системы неодим-железо-бор или празеодим-железо-бор, включающим горячую деформацию полученной литьем заготовки, в котором в отличие от прототипа деформацию осуществляют методом равноканального углового прессования (РКУП) в пересекающихся вертикальном и горизонтальном каналах с углом пересечения, равным 90-135°, в диапазоне температур 500-800°С с достижением накопленной логарифмической степени деформации не менее 0,5.

После РКУП можно осуществлять дополнительные одноэтапные или многоэтапные отжиги при температуре 500-1000°С. Кроме того, после РКУП можно осуществлять дополнительные операции горячей деформации заготовки методами осадки или прокатки или экструзии при температуре 500-1000°С.

Способ позволяет значительно измельчить зерно массивной литой заготовки до размеров менее 5 мкм за счет высокой накопленной логарифмической степени деформации без разрушения слитка и в результате значительно повысить коэрцитивную силу. Кроме того, способ позволяет управлять параметрами мелкозернистой структуры и формировать специфическую радиальную анизотропию магнита, что необходимо для использования его в некоторых областях техники, например, в качестве многополюсного ротора электродвигателя. Этот эффект достигается благодаря тому, что при РКУП происходит переориентировка зерен в зоне деформации, т.е. в зоне пересечения вертикального и горизонтального каналов. В результате формируется текстура с преимущественной ориентировкой осей легкого намагничивания зерен основной фазы R ₂Fe₁₄B по направлению радиуса заготовки (R - редкоземельный элемент, например Nd или Pr).

Известны методы интенсивной пластической деформации, позволяющие путем применения больших деформаций (накопленная истинная степень деформации е 4) в условиях высоких давлений измельчать микроструктуру до ультрамелкозернистой в объемных заготовках из чистых металлов и некоторых сплавов. Так, способ равноканального углового прессования (РКУП) [патент РФ №2175685, МКИ⁷ C22F 1/18, B21J 5/00. - опубл. 10.11.2001 г.] позволяет получать массивные ультрамелкозернистые заготовки из чистых металлов (например, технически чистого титана) со средним размером зерен 100 нм и наивысшим уровнем прочностных свойств. Однако влияние такой деформации на магнитные свойства сплавов системы Pr(Nd)-Fe-B неизвестны.

Таким образом, предложенная совокупность признаков способа позволяет получить новый эффект, приводящий к значительному улучшению магнитных свойств обрабатываемого материала. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «Изобретательский уровень».

Способ осуществляют следующим образом. Исходную заготовку из сплавов системы R-Fe-B в крупнозернистом состоянии после литья подвергают равноканальному угловому прессованию с однократным или многократным продавливанием с целью накопления высокой логарифмической степени деформации при определенной температуре в интервале 500-800°С для формирования однородной мелкозернистой структуры. Понижение температуры ниже 500°С приводит к увеличению вероятности разрушения слитка при РКУП и менее интенсивному измельчению зерна в связи с большей локализацией деформации. Повышение температуры РКУП выше 800°С приводит к менее интенсивному измельчению зерна слитка в связи с активизацией процессов рекристаллизации. Положительный результат с измельчением зерна слитка с 20-50 мкм в исходном литом состоянии до примерно 5 мкм и значительного (до 3-15 раз) увеличения коэрцитивной силы достигается уже в результате одного цикла РКУП. Увеличение числа циклов РКУП более одного приводит к дальнейшему измельчению зерна и повышению коэрцитивной силы Н_с, но уменьшению степени радиальной анизотропии. Деформация может также осуществляться равноканальным угловым прессованием с противодавлением. В случае равноканального углового прессования с противодавлением заготовка деформируется в условиях повышенного всестороннего сжатия [Н.А.Красильников. Металлы №3. 2005], что повышает технологическую пластичность материала. Это позволяет на сплавах R-Fe-B проводить РКУП с большим числом циклов, что необходимо для более сильного измельчения структуры и, соответственно, для дополнительного повышения свойств. Дополнительный отжиг после РКУП в интервале температур 500-1000°С позволяет регулировать структурное состояние и повышать магнитные свойства сплава.

Сплавы, подвергнутые РКУП, характеризуются более мелким зерном и повышенной коэрцитивной силой по сравнению со сплавами, обработанными традиционными методами горячей деформации прокаткой осадкой или экструзией. Исходя из конкретных требований к материалу, варьируя режимы РКУП и отжига, можно получить магниты, имеющие различное сочетание свойств.

Возможен следующий процесс обработки: заготовку после РКУП и, соответственно, с измельченным зерном подвергают горячей деформации прокаткой, экструзией или осадкой. Эта дополнительная деформация после РКУП приводит к изменению направления анизотропии в магните, к дополнительному повышению степени анизотропии и, соответственно, остаточной индукции B_r. Благодаря предварительно измельченной структуры заготовки магнит после указанных операций также имеет более мелкое зерно и, соответственно, более высокую Н _с по сравнению с магнитами, полученными путем горячей деформации прокаткой, экструзией или осадкой без предварительного РКУП.

После РКУП и дополнительных операций горячей деформации могут также производиться дополнительные одноэтапные или многоэтапные отжиги в интервале температур 500-1000°С с целью дополнительного повышения коэрцитивной силы и остаточной индукции.

Пример конкретного выполнения 1

Исходным материалом является цилиндрическая заготовка сплава Pr₁₇Fe7 _6,5В₅Cu_1,5, полученная литьем. Заготовку подвергают равноканальному угловому прессованию при температуре 600°С и угле между каналами оснастки 90°. По результатам одного прохода накопленная логарифмическая степень деформации равна 1. Для определения анизотропии магнитных свойств цилиндрических постоянных магнитов измерения производились в направлениях: вдоль оси цилиндра (С) и по радиусу поперечного сечения (R). Магнитные свойства полученных магнитов представлены в таблице. После РКУП магнит из сплава Pr ₁₇Fe_76,5B₅Cu _1,5 (состояние 1, таблица) имеет коэрцитивную силу Н _c=16.4 кЭ, а значение остаточной индукции B _r в направлении «R» составляет 9.3 кГс, а в направлении «С» наблюдается меньшая величина B_r=6.2 кГс, т.е. после РКУП магнит имеет направление магнитной анизотропии преимущественно перпендикулярно оси цилиндрического магнита, т.е. радиальную анизотропию.

Таким образом, магнит, полученный с использованием РКУП, имеет заметно большую величину Н _с (16.4 кЭ) и радиальную анизотропию в отличие от прототипа с H_с, равной 9.9 кЭ, обладающего осевой анизотропией.

Пример конкретного выполнения 2

Исходным материалом является цилиндрическая заготовка сплава Pr ₂₀Fe_73,3В_5,2 Cu_1,5, полученная литьем. Заготовку подвергают равноканальному угловому прессованию при температуре 600°С и угле между каналами оснастки 90°. Полученный магнит после РКУП имеет Н_с=15.7 кЭ. (таблица, сост.3), в направлении «R» значение В_r составляет 7.2 кГс. После дополнительного отжига магнит имеет свойства: Н_с=17.2 кЭ, В_r=7.5 кГс (таблица, сост.4). Таким образом, дополнительный отжиг после РКУП приводит к улучшению магнитных свойств сплава.

Пример конкретного выполнения 3

На первом этапе заготовку, полученную литьем сплава Pr₂₀Fe_73,3 B_5,2Cu_1,5, подвергают равноканальному угловому прессованию по режимам конкретного выполнения 2. На следующем этапе из заготовки вырезали цилиндр и подвергали горячей деформации осадкой при температуре 750°С со степенью деформации, равной 0,5. Получен магнит с осевой анизотропией с величиной В_r в направлении «С» 9.4 кГс и Н_c=15.8 кЭ (таблица, сост.4). Таким образом, в результате дополнительной осадки заготовки, обработанной РКУП, формируется осевая магнитная анизотропия вдоль оси С (параллельная направлению осадки) и повышаются значения В_r по абсолютным значениям.

Состав	Состояние	Направление измерения	H с кЭ	Вr кГс	Текстура
Pr 17Fe76.5B5Cu 1,5	0	С	9.9	12.6	осевая
Pr17Fe 76,5B5Cu1,5	1	С	16.4	6.2	радиальная
		R	16.4	9.3
Pr 20Fe73,2B5,3 Cu1,5	2	С	15.7	4.4	радиальная
		R	15.7	7.2
Pr 20Fe73,2B5,3 Cu1,5	3	С	17.2	4.4	радиальная
		R	16.7	7.5
Pr 20Fe73,2B5,3 Cu1,5	4	С	15.8	9.4	осевая
Pr20 Fe73,2B5,3Cu 1,5	5	С	20.0	9.45	осевая
Состояния: 0 - прототип; 1 - РКУП по примеру конкретного выполнения 1;
2 - РКУП по примеру конкретного выполнения 2;
3 - РКУП и последующий отжиг по примеру 2;
4 - РКУП и последующая осадка по примеру 3;
5 - РКУП, последующая осадка и отжиг по примеру конкретного выполнения 4

Пример конкретного выполнения 4

Заготовка, полученная комбинацией РКУП+осадка (пример конкретного выполнения 3), подвергалась отжигу. В результате получен магнит с В_r=9.45 кГс по оси заготовки и Н _с до 20 кЭ. Таким образом, отжиг привел к дополнительному повышению коэрцитивной силы и остаточной индукции.

Реализованное значение Н_с (20 кЭ) является близким к рекордным для сплавов данного состава, а значение В _r (9.45 кГс) характеризует высокую степень одноосной текстуры магнита и соответствует значениям В_r, которые могут быть получены на магнитах данного состава традиционными способами спекания или горячей осадки.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить магниты празеодим-железо-бор с повышенными значениями Н_с и управлять направлением магнитной анизотропии.