МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ

МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ


RU (11) 2136069 (13) C1

(51) 6 H01F1/057 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 98116369/02 
(22) Дата подачи заявки: 1998.09.03 
(45) Опубликовано: 1999.08.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: WO 97/17709 A1, 17.05.97. WO 92/02027 A1, 06.02.92. EP 0553527 A1, 04.08.93. EP 0753867 A1, 15.01.97. EP 0657899 A1, 14.06.95. EP 0680054 A1, 02.11.95. RU 2021640 C1, 15.04.94. RU 2048691 C1, 20.11.95. 
(71) Заявитель(и): Савич Александр Николаевич; Пискорский Вадим Петрович 
(72) Автор(ы): Савич А.Н.; Пискорский В.П. 
(73) Патентообладатель(и): Савич Александр Николаевич; Пискорский Вадим Петрович 
Адрес для переписки: 117485, Москва, ул.Миклухо-Маклая, д.29, корп.1, кв.297, Савичу А.Н. 

(54) МАГНИТНЫЙ МАТЕРИАЛ 

Магнитный материал для постоянных магнитов с повышенной температурной стабильностью системы Fe-B-Co-R, где R - редкоземельные элементы, имеет химический состав, соответствующий формуле

(Nd1-x1-x2Tbx1Rx2)14-17 (Fe1-y1COy1)75-80B6-8,

где R - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий (Еr), тулий (Тm) х1 + х2 - 0,1-0,99, х1/х2 0,10, y1 - 0,2-0,5. Магнитный материал дополнительно содержит также по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (А1), галлий (Gа), титан (Тi), ниобий (Nb), молибден (Мо). Химический состав соответствует формуле

(Nd1-x1-x2Tbx1Rx2)14-17 (Fe1-y1Coy1)75-80 Ty2B6-8,

где Т - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (А1), галлий (Са), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Мо), у2 - 0,01-10 ат. %. Технический результат: материал имеет температурный коэффициент индукции от + 0,05 до - 0,08%/oС в интервале температур от - 60 до + 150°С. 1 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к магнитным материалам для постоянных магнитов на основе соединений редкоземельных элементов с металлами группы железа.

Известные и широко распространенные в настоящее время магнитные материалы системы Nd-Fe-B, обладающие высокой магнитной энергией (BH/2)max, нашли широкое применение в электрических двигателях, генераторах, магнитных муфтах и т.д.

Основным недостатком магнитов Nd-Fe-B является значительная температурная зависимость намагниченности (4I), что приводит к величине температурного коэффициента магнитной индукции (ТКИ) ~ -0,12%/oC в диапазоне 0 - 100oC. Кроме того, из-за низкой величины температуры Кюри (Tc) ~ 300oC эти магниты имеют низкую максимальную рабочую температур (Tp), обычно не превышающую ~ 100oC.

Известно, что Tp может быть увеличена за счет увеличения Tc, поскольку для магнитов состава Nd2(Fe1-xCox)B

Tc ~ 586 + 906x - 500x2 (1)

где Tc дано в градусах К [Herbst J.F., Yelon W.B. J. Appl. Phys., 1986, v. 60, N 12, p. 4224 - 4229]. Однако с увеличением содержания Co резко падает коэрцитивная сила по намагниченности (Hci), что связано с уменьшением эффективного поля анизотропии (HA) основной магнитной фазы. Так при 20oC для Nd2Co14B величина HA-45 кЭ (вместо HА-67 кЭ для Nd2Fe14B) [Buschow K.H.J. Rep. Prog. Phys. 1991, v. 54, p. 1123 - 1213]. Для увеличения HА (и, соответственно Hci) в магниты, содержащие Co, вводят Dy либо Tb, увеличивающие HА основной магнитной фазы.

Известен материал на основе Nd-Fe-B [Griev B., Fleck H. WO 97/17709, 17.05.1997], имеющий следующий состав: 27 - 33 мас.% редкоземельных металлов (РЗМ), где РЗМ - по крайней мере один элемент из группы Pr, Nd, Dy, Tb и содержащий остальные элементы в следующем соотношении, мас.%:

Кобальт - 0 - 6,0

Бор - 0,8 - 11,3

Ниобий - 0 - 2,0

Алюминий - 0 - 1,5

Галлий - 0 - 1,5

Медь - 0 - 1,0

Железо - Остальное

В частности на материале состава мас.%

Nd20Dy10Co3Fe64,75Nb0,8 Al0,2Ga0,2Cu0,1B0,95

получены следующие магнитные характеристики: остаточная индукция Br - 10,89 кГс; коэрцитивная сила по намагниченности Hci > 18,5 кЭ; энергетическое произведение (BH)max - 28,6 МГс Э (T - 25oC). При этом ТКИ в области 25 - 100oC равняется - 0,08%/oК, а в области 25 - 150oC - -0,085%/oК.

Известный материал обладает относительно высокими магнитными свойствами и коррозионной стойкостью. Зависимость остаточной индукции известного материала от температуры представлена на фиг. 1.

Основными недостатками прототипа являются:

Во-первых, в рамках указанного состава невозможно получить ТКИ < [-0,8] %/oC (25 - 100oC). Это связано, в первую очередь, с малым содержанием Co (до 6 мас.%). Оставаясь в рамках простейшей модели двух антиферромагнитно обменно связанных подрешеток (подрешетка ТРЗМ и 3d-подрешетка), качественно это можно объяснить низкой температурой Кюри 3d-подрешетки (см. формулу (1)).

Во-вторых, зависимость намагниченности от температуры (в частности, Br) является практически линейной функцией (см. фиг. 1). Это не позволяет в диапазоне рабочих температур (25 - 150oC) выбирать такую рабочую температуру магнита, где дифференциальный ТКИ является минимальными по абсолютной величине, нулевым, либо вообще меняет знак.

В основу изобретения положена задача создать магнитный материал с повышенной температурной стабильностью, то есть с пониженным (по абсолютной величине) температурным коэффициентом магнитной индукции и высокой рабочей температурой.

Поставленная задача решается тем, что магнитный материал, содержащий железо (Fe), кобальт (Co), бор (B), неодим (Nd), тербий (Tb), согласно изобретению, дополнительно содержит по меньшей мере один редкоземельный элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm), при этом химический состав соответствует формуле

(Nd1-X1-X2TbX1RX2)14-17 (Fe1-Y1CoY1)75-80B6-8,

где R - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm),

при этом x1 + x2 - 0,1 - 1,0; x1/x2 0,10; y1 - 0,2 - 0,5.

Выбор состава обусловлен следующим. Уменьшение величины x1 + x2 ниже 0,1 нецелесообразно, так как при этом даже при минимальном содержании Co(y1 - 0,2) начинается резкое уменьшение величины Hci, что приводит к значительным необратимым потерям намагниченности, особенно на магнитах с низкой рабочей точкой. Если x1/x2 < 0,1 также понижается величина Hci особенно при большом содержании Co. В первую очередь это связано с тем, что в системе Tb-Co-B существует фаза Tb2Co14B, а для элементов R в системе R - Fe-Co-B существует предел растворимости Co, а фаза R2Co14B отсутствует. Кроме того, среди всех ТРЗМ Tb обладает наибольшим полем анизотропии. Элементы из группы R, в отличие от Tb, обладают выраженным максимумом на температурной зависимости намагниченности насыщения, поэтому их основная задача обеспечить заданное значение ТКИ в системе Nd-Tb-R-Fe-Co-B.

Если y1 > 0,5, величина Hci уменьшается крайне резко. Это связано как с ограниченным пределом растворимости Co, так и с образованием магнитомягких фаз Лавеса, типа Nd(Fe, Co)2.

Если y1 < 0,2, то температурная стабильность свойств материала уменьшается.

Магнитный материал, согласно изобретению, дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Mo), при этом химический состав соответствует формуле

(Nd1-x1-x2Tbx1Rx2)14-17 (Fe1-y1D>Coy1)75-80 Ty2B6-8,

где T - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Mo),

y2 - 0,01 - 10

Полностью механизм влияния указанных элементов на характеристики магнитов не установлен. Однако известно, что Al, Ga увеличивают смачиваемость между межзеренной фазой типа 2-14-1 и, кроме того, Al способствует распаду фазы Лавеса. Влияние Ti, Nb, Mo, по-видимому, связано с образованием микрочастиц, в том числе в пределах фазы 2-14-1, на которых происходит закрепление доменных стенок.

При y2 > 10, в первую очередь уменьшается остаточная индукция Br, так как эти элементы являются диамагнетиками.

Ниже приведены наиболее типичные примеры реализации предложенного магнитного материала.

Пример N 1. Сплав состава (Nd0,8Dy0,16Tb0,04)16 (Fe0,8Co0,2)75,5 Al1B7,5 выплавляли в вакуумно-индукционной печи в атмосфере аргона. Слиток дробили и измельчали в инертной атмосфере до крупности частиц 1 - 3 мкм. Порошок текстуровали в магнитном поле напряженностью 5-9 кЭ, прессовали при удельном давлении 0,1 - 4 т/см2 и спекали в защитной атмосфере при температуре 1100 - 1150oC. Магнитный материал имел следующие свойства:

ТКИ - -0,07%/oC, зависимость 4I от комнатной температуры (КТ) до 100oC линейная Br - 10,0 кГс; HCi - 12,7 кЭ.

Пример N2. Сплав (Nd0,69Dy0,25Tb0,06)16 (Fe0,77Co0,23)75,8 Al0,9B7,29 выплавляли в вакуумно-индукционной печи в атмосфере аргона. Слиток дробили и измельчали в инертной атмосфере до крупности частиц 1-3 мкм. Порошок текстуровали в магнитном поле напряженностью 5-9 кЭ, прессовали при удельном давлении 0,1 - 4 т/см2 и спекали в защитной атмосфере при температуре 1100 - 1150oC. Магнитный материал имел следующие свойства: ТКИ = -0,05%/oC, температурная зависимость 4I линейная Br = 8,5 кГс, Hci = 16,8 кЭ.

Пример N 3. Сплав состава (Nd0,48Dy0,42Tb0,10)16 (Fe0,65Co0,35)76,2 Al0,36B7,4 выплавляли в вакуумно-индукционной печи в атмосфере аргона. Слиток дробили и измельчали в инертной атмосфере до крупности частиц 1-3 км. Порошок текстуровали в магнитном поле напряженностью 5-9 кЭ, прессовали при удельном давлении 0,1 - 4 т/см2 и спекали в защитной атмосфере при температуре 1100 - 1150oC. Магнитный материал имел следующие свойства:

в интервале 29 - 45oC ТКИ = 0

в интервале 29 - 100oC ТКИ = -0,02%/oC

Br = 6 кГс, Hci = 11,3 кЭ

Влияние элемента T (на примере Al) на характер температурной зависимости намагниченности материала представлено на фиг. 2. Для наглядности на фиг. 2 показана температурная зависимость относительной намагниченности. В магнитном материале по примеру N 1 ТКИ - +0,002%/oC (22 - 100oC) и зависимость 4I от температуры, начиная примерно с 35oC является монотонной. В магнитном материале по примеру N 2 (фиг. 2) ТКИ = +0,02%/oC (22 - 100oC), однако дифференциальный ТКИ 3 раза меняет знак в этой области температур. Магнитные параметры материалов, представленных на фиг. 2, следующие:

N1 Br = 4,6 кГс, Hci = 13,7 кЭ

N2 Br = 4,5 кГс, Hci = 14,2 кЭ

Таким образом, предложенный магнитный материал имеет высокую температурную стабильность магнитных свойств - температурный коэффициент магнитной индукции составляет +0,02 - -0,07%/oC в интервале от -60oC до +150oC, относительно высокое значение энергетического произведения (BH)max = 10 - 30 МГс Э и коррозионную стойкость. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Магнитный материал, содержащий железо (Fe), кобальт (Co), бор (B), неодим (Nd), тербий (Tb), отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один редкоземельный элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm), при этом химический состав соответствует формуле

(Nd1-x1-x2Тbx1Rx2)14-17(Fe1-y1Coy1)75-80B6-8,

где R - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы диспрозий (Dy), гольмий (Ho), эрбий (Er), тулий (Tm);

x1 + x2 = 0,1 - 0,99;

x1/x2 0,10;

y1 = 0,2 - 0,5.

2. Магнитный материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Mo), при этом химический состав соответствует формуле

(Nd1-x1-x2Tbx1Rx2)14-17(Fe1-y1Coy1)75-80Ty2B6-8,

где T - по меньшей мере один элемент, выбранный из группы алюминий (Al), галлий (Ga), титан (Ti), ниобий (Nb), молибден (Mo);

y2 = 0,01 - 10 ат.%.