Постоянные магниты SmCoFeCuZr с повышенной рабочей температурой от 400 до 600°С

    Как известно “классический” материал КС25ДЦ(Sm-Co-Fe-Cu-Zr) второго поколения содержит обычно в своем химическом составе 4,5-7,8% Cu и 2-3,5% Zr. Спечённые постоянные магниты из таких сплавов могут использоваться при рабочих температурах до 300°С, а иногда до 400°С. Более высокие температуры могут привести к структурным изменениям в материале, что приводит к необратимому изменению магнитных параметров постоянных магнитов. Еще с 80-х годов известно, что увеличение содержания меди в сплаве Sm-Co-Fe-Cu-Zr позволяет увеличить рабочую температуру, но низкий уровень магнитных характеристик (намагниченности) ограничили содержание меди в интервале 4,5-7,8% в сплавах при производстве постоянных магнитов.

    Необходимость использования редкоземельных SmCo магнитов при повышенных (≥400°С) рабочих температурах в ряде специальных применений дали толчок практическим исследованиям, что привело к появлению специальных марок постоянных магнитов в США. (Т500 и Т550).

    На нашем предприятии были также проведены работы по возможному увеличению содержания меди в составе материала для изготовления постоянных магнитов с повышенной рабочей температурой, и оптимизации режимов термообработок для них.

    В соответствии с общепринятой точкой зрения на механизмы магнитного гистерезиса в сплавах SmCoFeCuZr высокая JHC≥20кЭ определяется наноструктурным кристаллическим состоянием и высоким содержанием меди в фазе 1:5, возникшим после низкотемпературного отжига при снижении от 850°С до 400°С. Отсюда следует, что необходим дополнительный запас Cu в магните с высокой рабочей температурой, чтобы обеспечить её достаточное содержание в фазе 1:5 с учетом того, что часть меди при T≈ 400°С-600°С обратимо уходит в другие фазы.

Экспериментальная часть.

   В индукционной печи в атмосфере Ar с розливом в чугунную шестилучевую изложницу был выплавлен ряд сплавов различного состава системы Sm(Co, Fe, Cu, Zr). Слитки дробились и измельчались в шаровой вибромельнице в среде ацетона. Высушенные в вакууме пресс-порошки использовали для составления смесей из двух, трёх или четырёх компонент для обеспечения требуемого состава по меди. Прессование приготовленных однородных пресс-порошков осуществляли изостатически в эластичных элементах из резины или полиуретана при давлении около 6 т/см3 в магнитном поле 1000÷1200 кА/м.

    Спекание проводили в вакуумных печах в вакууме не хуже 10-3 мм.рт.ст. с запуском аргона.

    Затем были проведены гомогенизирующие и низкотемпературные отжиги в среде инертного газа (He, Ar).

    После механической обработки образцы в виде дисков Ø16х5,5 мм намагничивались импульсным магнитным полем ~6 Тл и измерялись величины потокосцепления поля магнита с катушками Гельмгольца (рис.1).

Рисунок 1

Рис.1.Зависимость величины индукции в рабочей точке постоянного магнита от массовой доли Cu в составе. Содержание Fe 12,5 %.

    Измерения величины потокосцепления показали закономерное снижение значения индукции в рабочей точке с ростом содержания меди в составе постоянного магнита.

    Затем образцы на немагнитных подложках помещались в термошкаф, где подвергались воздействию температуры Тст не менее 2 часов и дальнейшему остыванию до комнатной температуры. После проводились измерения величины потокосцепления (Рис.2,3).

Рисунок 2

Рис.2.Зависимость относительной величины индукции в рабочей точке от температуры выдержки для разных составов по Cu.

Рисунок 3

Рис.3.Зависимость относительной величины индукции в рабочей точке от массового содержания Cu после выдержки при разных температурах.

    Анализ полученных данных позволил определить оптимальный химический состав сплава для различных рабочих температур. Результат представлен в таблице.

Таблица 1

Состав(Cu9.4):

    Sm – 27,2%, Co – 48,3%, Fe – 12,7%, Cu – 9,4%, Zr – 2,4%

    Sm(Co0,67 Fe0,19 Cu0,12 Zr0,02)6,75

    Для образцов (Cu9,4) приведены измерения параметров кривой размагничивания в замкнутой магнитной цепи электромагнита с Hmax=25 кЭ на установке ПОЗ-Прогресса до и после термостабилизации 610°С (рис.4).

Рисунок 4

Рис.4.Кривая размагничивания для образца (Cu9,4) до и после термостабилизации 610°С.

    Также были изготовлены образцы Ø10х5,5 мм и проведены контрольные измерения параметров кривой размагничивания в Уральском Федеральном Университете на установке Permagraf, которые подтвердили результаты наших измерений (рис.5).

Рисунок 5

Рисунок 5

Рис.5.Кривая размагничивания для образца (Cu9,4).

Практическое применение.

    После проведенных исследований были изготовлены постоянные магниты 30х30х15 из состава соответствующего (Cu9,0) для непосредственных нужд заказчика. Заказчик провел выдержку в вакууме до 10-7мм.рт.ст. данных образцов по режиму 2 ч – 550°С, 8 ч – 500 °С, 10 ч – 400°С. Измерения после выдержки и остывания до комнатной температуры показали, что величина необратимых потерь не превышала ~0,2%, и соответствовала заявленным нами характеристикам, максимальное энергетическое произведение для них при комнатной температуре составило 18 МГс*Э. Таким образом, оптимизация химического состава и режимов термообработок позволяет расширить сферу применения постоянных магнитов с повышенной рабочей температурой до 600°С, в том числе, например, располагать магнитную систему внутри вакуумной оболочки СВЧ-прибора, где для достижения высокого вакуума 10-6-10-7мм.рт.ст. необходимы данные температуры. Это приведет к уменьшению габаритов и массы магнитной системы в данных приборах в несколько раз (рис.6).

Рисунок 6

Рис.6.Пример СВЧ-прибора

    Другим реальным исследованием новых высокотемпературных постоянных магнитов явилось применение их в индукционном жидкометаллическом насосе с рабочим телом в виде жидкого металла (например жидкого натрия). Сложность данной задачи состояла еще и в том, что помимо высокой рабочей температуры до 450°С, необходимо было упростить конструкцию магнитной системы, её сборку и обеспечить высокое значение магнитной индукции в большом рабочем зазоре. В соответствии с расчетом Заказчика этой цели удовлетворяли только магнитные полюса с оптимизированной магнитной текстурой (см. рис.7). Применив собственную технологию изготовления магнитов с неоднородной магнитной текстурой, разработанную для многополюсных колец мы изготовили заготовки из которых электроэрозионной обработкой были вырезаны сектора. Материал Sm-Co-Fe-Cu-Zr с содержанием меди 8,4 масс.% обеспечил рабочую температуру до +500°С, несмотря на высокое размагничивающее поле в магните.

Рисунок 7

Рис.7.Монолитный сектор с заданной текстурой и рабочей температурой до 500°С.

Основные результаты.

    • Получены постоянные магниты Sm-Co-Fe-Cu-Zr с максимальной рабочей температурой до 600°С. Магнитные характеристики Brи (BH)max, измеренные на образцах Ø16х5,5 мм (N=0,675) при комнатной температуре после их выдержки при температурах Т=500°С, 550°С, 580°С и 610°С, превышают значения мировых аналогов.

Таблица 2

    • Оптимизация химического состава и режимов термообработок позволит расширить сферу применения постоянных магнитов с повышенной рабочей температурой до 600°С, в том числе, например, располагать постоянные магниты внутри вакуумной оболочки СВЧ-прибора или составлять из них магнитную систему ротора индукционного насоса, работающего с жидким металлом при температуре до 500-600°С.

    Список литературы:
    [1] ТУ 6391-005-55177547-2008, ООО «ПОЗ-Прогресс», г. Верхняя Пышма;
    [2] J.F. Liu et. al. Thermal stability and a radiation resistance of SmCo based permanent magnets. Proc. of space nuclear confer. 2007, p.2036;
    [3] US Patent 06451132. Issue date Sept. 17, 2002.

 
Постоянные магниты
Магнитные системы