CC BY
26
УДК 537.622
Е.Н. Каблов1, О.Г. Оспенникова1, И.И. Резникова1, Р.А. Валеев1, И.В. Чередниченко1, Р.Б. Моргунов1'2
СРАВНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МАГНИТОВ НА ОСНОВЕ SmCo И PrDy-FeCo-B
DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-S2-42-46
Произведено сравнение температурных зависимостей намагниченности сплавов на основе SmCo и PrDy-FeCo—B и вариаций параметров петель гистерезиса с температурой в диапазоне эксплуатации магнитов -80^+80°С. Установлено, нто сплавы PrDy-FeCo—B имеют значительно более высокую температурную стабильность и заметно меньшие вариации параметров петель гистерезиса.
Ключевые слова: магнитный материал, температурная стабильность, коэрцитивная сила, легирование, кобальт.
The comparison of the temperature dependencies of the magnetic susceptibility of SmCo and PrDy-FeCo—B alloys and variations of magnetic hysteresis parameters with the temperature within the range of operating of magnets from - 80°С up to+80°C was made. It has been established that PrDy-FeCo—B alloys have higher temperature stability and lesser variations of hysteresis parameters.
Keywords: magnetic material, temperature stability, coercivity, alloying, cobalt.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации
[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
^Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН [Federal State Budgetary Science establishment Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences] E-mail: [email protected]
Введение
Спеченные редкоземельные магниты типа РЮу-РеСо-В имеют наилучшую температурную стабильность в наиболее востребованном температурном диапазоне -80^+80°С по сравнению с другими видами магнитов, таких как магниты на основе редкоземельных (ЯЕ) и переходных (ТМ) металлов системы ЯЕ-ТМ-В [1-7]. Однако такое сравнение с другими промышленными магнитами производится редко. В частности, наиболее распространенные магниты SmCo также необходимо характеризовать их температурной стабильностью для сравнения с аналогичным параметром магнитов РЮу-РеСо-Б. Эксплуатация магнитов в указанном температурном диапазоне сопровождается значительными трудностями - например, низкие температуры Кюри (Тс) для представленных сплавов неизбежно приводят к отрицательному наклону кривой зависимости магнитного момента от температуры М(Т) [8-13]. Главная сложность заключается в том, чтобы уменьшить его значения, сделав спад намагниченности сосредоточенным как можно ближе к критической температуре Тс. Другой проблемой является использование температурного коэффициента остаточной магнитной индукции (ТКИ), который характеризует производную dM/dT в узком диапазоне температур и не дает представления о крутизне кри-
вой температурной зависимости намагниченности во всем диапазоне температур, значимом для технологического применения. Наконец, отсутствует информация о физических механизмах стабилизации намагниченности, поскольку анализ такого рода требует получения набора петель магнитного гистерезиса в изучаемом диапазоне температур. Это помогло бы ответить на вопрос, какие именно характеристики стабилизируются в температурном диапазоне при смене типа магнитов -коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, крутизна и форма петли намагничивания и др.
Для решения этих проблем выполнена данная работа, заключающаяся в том, чтобы:
- охарактеризовать температурную стабильность намагничивания не одним числом (ТКИ), а дать полную температурную зависимость;
- сравнить температурную стабильность магнитов SmCo и РЮу^еСо-В, которые наиболее востребованы на производстве;
- установить, какие параметры петель гистерезиса магнитов меняются в температурном диапазоне эксплуатации.
Материалы и методы
Образцы состава (NdDy)l6,2(FeCo)78,lB5,7 получены путем спекания монокристаллических частиц сплава в высоковакуумной печи. Подробно
Типы образцов, использованных в экспериментах
Материал Марка Изготовитель
(NdDy)l6,2(FeCo)78,lB5,7 SmCo А32-5 КСГЭ-26 КС25ДЦ ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ ООО «ПОЗ-Прогресс» То же
М, эме/г 98-
а)
б)
М, эме/г
97-
96"
-80
-80 -40
Рис. 1. Температурные зависимости магнитного момента М для материала марки КСГЭ-26, измеренные в «нулевом» поле при нагревании образца (а) и в поле напряженностью 3 кЭ (б) при двукратном прохождении температурного диапазона (охлаждение - в «нулевом» поле)
а)
М, эме/г 104
102-
100-
98
М, эме/г
104-
б)
102-
100-
-80 -40
40 80 °С
П
Рис. 2. Температурные зависимости магнитного момента М для материала марки КС25ДЦ, измеренные в «нулевом» поле при нагревании образца (а) и в поле напряженностью 3 кЭ (б) при двукратном прохождении температурного диапазона (охлаждение - в «нулевом» поле)
М, % 1,00-
0,98-
Рис. 3. Температурные зависимости намагниченности образцов из материалов марок КСГЭ-26 (•), КС25ДЦ (•) и А32-5 (ВИАМ) (о)
а)
б)
М, эме/г 10050-
-50-
-100-
М, эме/г 150
100500
-50-100-150
-60
-60 -40
Напряженность магнитного поля Н, кЭ
40 60
Рис. 4. Петли магнитного гистерезиса (а: -20 (•), 0 (•), 30 (•), 80°С (•)) и полевые зависимости (б: -20 (•), 0 (•), 30 (•), 80°С (•)) намагниченности образца из материала марки КСГЭ-26, измеренные при различных температурах
1,0 0,80,60,40,20
1,0
0,9
0,8
0,7
240
270
300
330
360 Т, К
Рис. 5. Температурные зависимости коэрцитивной силы Нс1 образцов из материалов марок КСГЭ (1) и А32-5 (ВИАМ) (2)
0
0
методика их изготовления и результаты химического и фазового анализа приведены в работах [14, 15]. Исследование неоднородности материалов и локального химического состава фаз проводили методом микрорентгеноспектрального анализа с помощью анализатора JCMA-733. Образцы состояли из двух фаз - (NdDySm)2(FeCo)i4B и (NdDySm)2(FeCo)2B, доли которых составляли 85 и 15% соответственно; исследовали три типа образцов (см. таблицу).
Для образцов, имеющих форму пластины размером 0,5^2x4 мм, с помощью магнитометра MPMS 5XL Quantum Design при различных температурах (190-350 К) получены петли магнитного гистерезиса в интервале напряженностей магнитного поля Н=-50^+50 кЭ. Получены также температурные зависимости намагниченности М(Т) в магнитном поле напряженностью Н=3 кЭ (близком к полю, в котором используются изделия из магнитов) и при различных температурах. Образцы во время экспериментов располагали в атмосфере гелия, как и при их планируемой эксплуатации, поэтому окисление поверхности и другие факторы не могли повлиять на результаты экспериментов.
Результаты и обсуждение
На рис. 1. представлены температурные зависимости магнитного момента образца из материала марки КСГЭ-26, измеренные в «нулевом» внешнем магнитном поле (рис. 1, а) и в поле напряженностью 3 кЭ (рис. 1, б). В обоих случаях измерение магнитного момента производили в процессе нагрева образцов в «нулевом» магнитном поле. Двукратное прохождение температурного диапазона в одинаковых условиях (рис. 1, а) дает представление о величине разброса. Этот разброс не связан с точностью СКВИД-магнитометра, способного определять магнитный момент с точностью 10-7 эме (размерность дана в международной системе единиц - NBS U.S.). Разброс значений мог быть вызван небольшой разориентацией главной оси намагниченности образца при процедурах установки и изъятия образца. Видна тенденция к спаду намагниченности с ростом температуры по мере приближения к температуре Кюри.
На рис. 2 представлены аналогичные температурные зависимости магнитного момента образца из материала марки КС25ДЦ, измеренные в «нулевом» внешнем магнитном поле (рис. 2, а) и в поле напряженностью 3 кЭ (рис. 2, б). Видно, что падение намагниченности при нагревании происходит более плавно, чем в образцах из материала марки КСГЭ-26.
На рис. 3 показано сравнение температурных зависимостей остаточного магнитного момента (в «нулевом» магнитном поле) для всех трех исследованных марок образцов в процентах от максимальной намагниченности в заданном температурном диапазоне. Видно, что лучшие результаты по намагниченности у образца марки А32-5.
Для сравнения характеристик магнитов, относящихся к петле гистерезиса, магнитный гистерезис записали при разных температурах для всех типов образцов. В качестве примера температурных вариаций гистерезиса приведены лишь петли магнитного гистерезиса для образца из материала КСГЭ-26 (рис. 4). Видно, что намагниченность насыщения практически не изменяется с температурой, в то время как коэрцитивная сила Нс1 претерпевает существенные изменения.
На рис. 5 приведено сравнение температурных зависимостей коэрцитивной силы в образцах из материалов марок КСГЭ-26 (1) и А32-5 (2). Видно, что для образца из материала марки А32-5 резкое уменьшение коэрцитивной силы наблюдается лишь при температуре >353 К (80°С), т. е. вне температурного диапазона эксплуатации. В то же время образец из материала КСГЭ-26 демонстрирует плавное снижение коэрцитивной силы во всем диапазоне температур, что нежелательно при практическом применении.
Заключение
Установлено, что сплавы РЮу-РеСо-В имеют значительно более высокую температурную стабильность и заметно меньшие вариации значений коэрцитивной силы в температурном диапазоне эксплуатации магнитов (-80^+80°С) по сравнению с магнитами на основе SmCo. Температурная стабилизация достигается за счет резкого падения магнитных параметров вблизи температуры Кюри у образцов состава РЮу^еСо-В.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
2. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Ред-
кие металлы и редкоземельные элементы - материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 ^ат^о^.га).
3. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю., Гончаров В.А. Методы исследования конструкционных композиционных материалов с интегрированной электромеханической системой //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 17-20.
4. Каблов Е.Н., Морозов Г.А., Крутиков В.Н., Мурав-
ская Н.П. Аттестация стандартных образцов состава сложнолегированных сплавов с применением эталона // Авиационные материалы и технологии 2012. №2. С. 9-11.
11. Stmat K.J. Modem Permanent Magnets for Applications in Electro-Technology //Proceedings of the IEEE. 1990. V. 78. P. 923-946.
12. Skomski R., Manchanda P., Kumar P., Balamurugan B., Kashyap A., Sellmyer D.J. Predicting the Future of Permanent-Magnet Materials // IEEE Transactions On Magnetics. 2013. V. 49. P. 3215-3220.
13. Fidler J., Schrefl T. Overview of Nd-Fe-B magnets and coercivity (invited) //J. Appl. Phys. 1996. V. 79. P. 5029-5034.
14. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Kablov D.E. et al. Bifurcation of magnetic anisotropy caused by small addition of Sm in (Ndi-ISmIDy)(FeCo)B magnetic alloy //J. Appl. Phys. 2015. V. 117. Р. 243903.1-243903.5.
15. Каблов Е.Н., Пискорский В.П., Брук Л.А. Постоянные магниты из сплавов Nd-Fe-B /В кн. Авиационные материалы и технологии Избранные труды «ВИАМ» 1932-2002: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: МИСИС-ВИАМ. 2002. C. 191-197.
P. 2763-2778.
5. Чабина Е.Б., Алексеев А.А., Филонова Е.В., Лукина Е.А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 06 (таат^огк^ги).
6. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Пискорский В.П. и
др. Аномальное влияние добавок Sm на магнитные свойства интерметаллидов (Nd1.ISm;tDy)(FeCo)B // ЖЭТФ. 2015. Т. 148. №3. С. 493-502.
7. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Пискорский В.П. и
др. Конкуренция механизмов намагничивания в сплавах (NdDy)(FeCo)B, легированных самарием // Физика низких температур. 2016. Т. 42. №1. С. 60-66.
8. Cook J.S., Rossiter P.L. Rare-earth iron boron supermag-
nets //Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 1989. V. 15. Р. 509-550.
9. Burzo E. Permanent magnets based on R-Fe-B and R-Fe-C alloys //Rep. Prog. Phys. 1998. V. 61. P. 1099-1266.
10. Kirchmayr H.R. Permanent magnets and hard magnetic materials //J. Phys. D: Appl. Phys. 1996. V. 29.
