Введение к работе
Актуальность работы
Магнитотвёрдые материалы используются для изготовления навигационных приборов (гироскопы, акселерометры, датчики высотно-скоростных параметров и т. д.), а также систем авиационной автоматики, обеспечивающих точность навигации и наведения.
Основные технические характеристики навигационных приборов (крутизна по току, полоса пропускания и т. д.) пропорциональны величине максимального энергетического произведения (ВН)гаах (которая соответствует максимальной величине произведения магнитной индукции Br и коэрцитивной силы Нс на кривой размагничивания) материала магнита, поскольку эта величина определяет значение индукции в магнитной системе прибора.
Стабильность работы приборов (следовательно, их точность) зависит от постоянства индукции магнитного поля при изменении температуры окружающей среды. Данный параметр определяется значением температурного коэффициента индукции (ТКИ) магнитотвердого материала.
Развитие навигационной техники требует получения высокоэнергетического материала с величиной ТКИ близкой к нулю, из которого было бы возможно изготавливать магниты любой геометрии, в том числе методами порошковой металлургии.
Материалы Nd-Fe-B широко применяются в современной технике, в том числе и в авиации, особенно там, где требуются минимальные габариты при максимальной эффективности. Это, в первую очередь, двигатели для различных систем авиационной автоматики. Материалы системы Nd-Fe-B не имеют ограничений по форме изготовления магнита, не требуют длительной прецизионной термообработки. Они имеют следующие максимальные характеристики: (ВН)тах=57 МГсЭ; BR=15,28 кГс; На =10,8 кЭ, причём величина BR близка к теоретическому пределу. Однако, термостабильность этих материалов невысока.
Так как максимальное энергетическое произведение (ВН)тах и ТКИ являются структурно-зависимыми магнитными характеристиками, то необходимо определить, какое структурно-фазовое состояние магнита обеспечит их оптимальные, с точки зрения эксплуатационных свойств, значения.
Получить заданный структурно-фазовый состав можно путём корректировки химического состава магнита с помощью дополнительного легирования, а также путём отработки технологических приёмов получения термостабильных магнитов, направленных на повышение качества материала.
Известно, что замена Nd на Рг и Dy в материалах РЗМ-Fe-Co-B позволяет получить материал, сочетающий в себе как высокую термостабильность, характеризуемую ТКИ, так и достаточно высокую остаточную индукцию (BR).
В соответствии с этим объектом для исследования спеченных материалов выбрана система Pr-Dy-Fe-Co-B, которая является перспективной для создания магнитов для практических приложений в навигационных приборах.
Цель работы
Исследование влияния содержания Dy, Со, Си, Gd и технологических параметров изготовления магнитотвёрдых материалов системы Pr-Dy-Fe-Co-B на их структурно-фазовый состав и магнитные свойства для установления оптимального химического состава, обеспечивающего получение термостабильных магнитов с заданными магнитными характеристиками, и обоснования технологических приёмов, направленных на повышение качества материала.
Задачи работы
Разработка способа расчёта температурной зависимости намагниченности насыщения применительно к спеченным материалам систем Pr-Dy-Fe-Co-B и Pr-Dy-Gd-Fe-Co-B методом молекулярного поля;
Исследование влияния содержания диспрозия и кобальта на структурно-фазовый состав и магнитные характеристики материалов системы Pr-Dy-Fe-Co-В;
Исследование влияния содержания меди на структурно-фазовый состав и магнитные характеристики материалов системы Pr-Dy-Fe-Co-B
Исследование влияния содержания гадолиния на структурно-фазовый состав и магнитные характеристики материалов системы Pr-Dy-Fe-Co-B
Исследование влияния термической обработки и технологических параметров спекания магнитов на структурно-фазовый состав и магнитные характеристики магнитотвёрдых материалов системы Pr-Dy-Fe-Co-B;
Научная новизна работы
-
Разработан способ расчета температурной зависимости намагниченности насыщения спеченных материалов системы Pr-Dy-Fe-Co-B и Pr-Dy-Gd-Fe-Со-В методом молекулярного поля. Разработанная схема расчета позволяет прогнозировать форму температурной зависимости намагниченности материала, исходя из его состава. Средняя величина отклонения между экспериментальным и расчетным значением ТКИ (в интервале температур 20-г100С) составляет 0,005 %/С.
-
Идентифицирован фазовый состав спеченных материалов: Pr-Dy-Fe-Co-В (ат.%: Pr=0,27-0,92; Dy=0-0,73; Fe=0,13-0,85; Со=0,15-0,87; В=5,0-14,9), Рг-Dy-Gd-Fe-Co-B (ат.%: Pr=0,31-0,52; Dy=0,18-0,58; Gd=0,l-0,33; Fe=0,64-0,80; Со=0,2-0,36; В=5,5-7,2), Pr-Dy-Cu-Fe-Co-B (ат.%: (Pr0,52Dyo,48)i3,6(Feo,65Coo,35)ocr.B6,9 с Cu=0-6,26) и измерены их магнитные свойства.
3.У становлено, что легирование медью повышает температурную стабильность материалов Pr-Dy-Fe-Co-B.
Показано, что увеличение содержания Gd при замещении диспрозия в материале приводит к росту величины Br, но уменьшению На и ухудшению температурной стабильности материала.
4 Обнаружено, что после термообработки при 700-900С (выдержка 1 час) величина НСі имеет минимальное значение в материале, в структуре которого содержится одна из борсодержащих фаз: RF2, RF4B, RF3B2, RF2B2. С уве-
личением концентрации кобальта и борсодержащих фаз минимум HCi смещается в область более высоких температур.
Термообработка при 1000С возвращает значение коэрцитивной силы НСі в исходное состояние, зависящее только от состава материала.
5 Установлено, что изменение величины Неї материала при термической обработке обусловлено перераспределением бора между основной магнитной фазой R2Fi4B и борсодержащими фазами RF2, RF4B, RF3B2, RF2B2 за счет процессов диффузии. Минимуму величины НС1 после Тто = 700-900С соответствует максимальное обеднение фазы R2F14B бором.
Практическая значимость работы
Разработанный способ расчета температурной зависимости намагниченности спеченных материалов Pr-Dy-Fe-Co-B и Pr-Dy-Gd-Fe-Co-B позволяет прогнозировать величину температурного коэффициента индукции (ТКИ) материала исходя из его состава, что существенно сократит количество экспериментов при разработке магнитов с заданными характеристиками.
Введение меди в материалы системы Pr-Dy-Fe-Co-B методом добавок позволяет эффективно увеличивать их температурную стабильность без ухудшения остальных магнитных характеристик.
На основе полученных в работе закономерностей изменения структурно-фазового состояния разработан оптимальный режим термообработки и технология изготовления магнитов системы Pr-Dy-Fe-Co-B, что позволит получить структуру, обеспечивающую необходимые магнитные свойства.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- Международной конференции «Магниты и магнитные материалы», г. Суз
даль. 2006г.;
16 Международной конференции по постоянным магнитам, г. Суздаль. 2007г.;
17 Международной конференции по постоянным магнитам, г. Суздаль. 2009г.;
-19 Международной конференции Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы, г. Суздаль, 2008г.
Публикации
По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, из них 5 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературных источников, включающего 137 наименований. Диссертация изложена на 179 листах машинописного текста, содержит таблиц, рисунков.
Список сокращений
BR - остаточная индукция,
4jiIs - намагниченность насыщения,
Неї - коэрцитивная сила по намагниченности,
(ВН)тах — максимальное энергетическое произведение,
ТКИ — температурный коэффициент индукции,
Тс - температура Кюри,
ц - магнитный момент иона,
цв — магнетон Бора,
РЗМ - редкоземельный металл,
R - ион редкоземельного металла,
F - ион Зё-металла,
ЛРЗМ - лёгкий редкоземельный металл,
ТРЗМ - тяжёлый редкоземельный металл,
р - плотность.
ОМФ - основная магнитная фаза R2F14B
