Влияние наноструктурирующих добавок, содержащих углерод

ВИАМ/2011-205823
Влияние наноструктурирующих добавок,
содержащих углерод, на свойства магнитов
Nd–Fe–B
В.П. Пискорский
С.А. Мельников
Г.С. Бурханов
В.П. Паршин
Р.А. Валеев
Н.С. Моисеева
С.И. Иванов
И.С. Терешина
Май 2011
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
журнале «Перспективные материалы», № 11, 2011 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Влияние наноструктурирующих добавок, содержащих
углерод, на свойства магнитов Nd–Fe–B
В.П. Пискорский1, С.А. Мельников2, Г.С. Бурханов3,
В.П. Паршин2, Р.А. Валеев1, Н.С. Моисеева1,
С.И. Иванов4, И.С. Терешина3
ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов», г. Москва
ОАО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии»,
г. Москва
3
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, г. Москва
4
ОАО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических
материалов им. академика А.А. Бочвара», г. Москва
1
2
Исследована бинарная технология введения углерода в материал Nd–Fe–B с
использованием
добавок
на
основе
интерметаллидов
Dy–Co–B–C и
Dy–B–C. Показано, что легирование углеродом повышает магнитные
характеристики спеченных магнитов Nd–Fe–B.
Ключевые слова: интерметаллиды, бинарная технология, спеченные
магниты.
A binary technology of carbon insertion into the Nd–Fe–B material with the
use of additions based on Dy–Co–B–C and Dy–B–C intermetallics is investigated.
The carbon alloying is shown to increase the magnetic characteristics of the
sintered Nd–Fe–B magnets.
Keywords: intermetallic, binary technology, sintered Nd–Fe–B magnets.
Введение
Соединение R2Fe14C (R – редкоземельный металл) как и соединение
R2Fe14B существует для всех R и имеет близкие параметры решетки [1].
Однако, спеченные магниты на основе R2Fe14C получить не удается из-за того,
что этот интерметаллид распадается при температурах ниже температуры
спекания магнитов [1]. В работе [2] показано, что частичная замена углерода на
бор может приводить к увеличению магнитных характеристик интерметаллида
R2Fe14B. Так соединение Nd 2Fe14B0,5C0,5 имеет величину намагниченности
насыщения ниже на 6%, а поле анизотропии выше на 16%, чем Nd 2Fe14B [2].
Таким образом, замена части бора на углерод может оказаться перспективным
методом для повышения свойств спеченных магнитов. Следовательно,
необходимо найти технологичный способ введения углерода в материал.
Известно, что существуют вполне устойчивые интерметаллиды на основе РЗМ,
содержащие как углерод, так и бор [3]. Естественно предположить, что углерод
может быть введен в материал, используя интерметаллиды-добавки по так
называемой бинарной технологии, заключающейся в спекании смеси порошков,
состоящих из базового сплава и легирующих сплавов-добавок [4–6]. Данная
работа посвящена исследованию этого вопроса.
Материалы и методика эксперимента
В
качестве
базовой
была
выбрана
плавка
Б
состава
(Nd 0,94 Dy0,06 ) 16 (Fe 0,98 Co 0,02 ) ocт Ti 1 B 7 , а в качестве добавок интерметаллиды,
близкие по составу к следующим: Ф2 – (Nd 0,3 Dy0,7 )(Fe 0,6 Co 0,4 ) 3 B 2 ; Ф7 –
DyCo 2 B 2 С 1 ; Ф8 – DyB 2 C 2 . Сплавы были выплавлены в вакуумной
индукционной печи по обычной методике. Слитки дробили до размера менее
630 мкм в инертной атмосфере. Тонкий помол проводили в центробежнопланетарной мельнице в среде трифтортрихлорэтана. Заготовки магнитов в
виде призм прессовали в поперечном магнитном поле 800 кА/м методом
«влажного» прессования. Спекание проводили в вакуумной печи СНВЭ
1.3.1/16-И3 при температурах 1040–1180°С в течение 1 часа. Образцы
проходили вакуумную низкотемпературную термообработку (НТО) по
режиму 530°С, 1 час с последующим охлаждением на воздухе.
Результаты
Все добавки смешивали с базовым сплавом на операции тонкого помола.
Сплавы Ф7, Ф8 добавляли в количестве 1 мас. %, а сплав Ф2 – 5 мас. %.
Составы полученных материалов даны в таблице. На рисунке представлена
зависимость
относительной
плотности
от
температуры
спекания.
Относительную плотность находили как отношение плотности при данной
температуре спекания (Т сп ) к максимальной плотности, полученной при
спекании. Как видно из рисунка, присутствие добавок приводит к
понижению Т сп . В таблице представлены магнитные характеристики
образцов, спеченных при оптимальной температуре, а также влияние на них
НТО. Оптимальной Т сп считали такую температуру, при которой достигается
максимальное значение остаточной индукции (B R ). Как видно из таблицы,
легирование добавками Ф7, Ф8 не меняет количество бора в материале (по
сравнению с базовой плавкой), добавляя только углерод. При этом возрастает
величина B R и величина коэрцитивной силы (Н cI ) как после спекания, так и
после термообработки. Материал с добавкой Ф2 дан для сравнения. Видно,
что свойства этого материала выше, чем у базовой плавки, но ниже, чем у
материалов с добавками Ф7, Ф8. Показано, что увеличение количества
добавки Ф8 до 2% приводит к падению магнитных характеристик.
Максимальные свойства, которые удалось получить в этом случае (после
НТО), следующие: B R =1,03 Тл; Н cI =1070 кА/м.
Зависимость относительной плотности от температуры спекания
магнитов из базового сплава (Nd 0,94 Dy0,06 ) 16 (Fe 0,98 Co 0,02 ) ост Ti 1 B 7 (1),
с добавкой Ф7 (2) и Ф8 (3)
Магнитные свойства материалов, спеченных
при оптимальной температуре, после спекания и НТО
Состав материала, ат. %
После спекания
После НТО
B R , Тл Н cI , кА/м B R , Тл Н cI , кA/м
Б
(Nd 0,94 Dy0,06 ) 16 (Fe 0,98 Co 0,02 ) ост Ti 1 B 7
1,11
780
1,12
1040
1% Ф7 (Nd 0,93 Dy0,07 ) 16 (Fe 0,98 Co 0,02 ) ост Ti 1 B 7 C 0,2
1,13
950
1,14
1310
1% Ф8 (Nd 0,92 Dy0,08 ) 16 (Fe 0,98 Co 0,02 ) ост Ti 1 B 7 C 0,6
1,12
1010
1,14
1390
5% Ф2
(Nd 0,91 Dy0,09 ) 16 (Fe 0,97 Co 0,03 ) ост Ti 1 B 8
1,12
820
1,14
1180
Обсуждение результатов
Увеличение количества углерода при постоянном содержании бора
приводит к увеличению значения Н cI без уменьшения величины B R . Отметим,
что при легировании добавкой Ф8 несколько увеличивается содержание Dy в
материале. Однако эффект увеличения Н cI не связан с количеством
диспрозия. Действительно, в материале с добавкой Ф2 содержание Dy даже
выше, но величина Н cI ниже, чем в материалах с добавками Ф7, Ф8.
Суммарное содержание бора и углерода в образце с добавкой Ф8 и бора
(образец с добавкой Ф2) примерно одинаково, однако величина Н cI
углеродсодержащего материала выше на 18%. Таким образом, именно
присутствие углерода определяет повышение магнитных характеристик
материала. Из рисунка можно сделать вывод, что добавки Ф7, Ф8 активно
участвуют в процессе спекания, понижая его температуру. Ранее было
отмечено, что при спекании магнитов Nd–Fe–B величину Т сп понижает
добавка с неодимом, поскольку увеличивается количество межзеренной
фазы, определяющей жидкофазный характер спекания [7]. По-видимому,
следует предположить, что добавки Ф7, Ф8 образуют с обогащенной
неодимом фазой эвтектику с более низкой температурой плавления, чем в
материалах Nd–Fe–B, что и понижает величину Т сп .
Выводы
Показано, что интерметаллические углеродсодержащие соединения могут
быть использованы для легирования углеродом спеченных материалов
Nd–Fe–B по бинарной технологии. Показано, что введение углерода на
уровне 8 ат. % (по степени замещения бора) повышает магнитные
характеристики материала.
Показано, что углеродсодержащие добавки состава DyCo 2 B 2 С 1 и DyB 2 C 2
понижают Т сп магнитов. Предполагается, что эти соединения образуют с
обогащенной неодимом фазой эвтектику с более низкой температурой
плавления, чем в материалах Nd–Fe–B.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-03-12103.
Список литературы:
1. Buschow K.H.J. New developments in hard magnetic materials // Reports on progress in
physics. 1991. V.54. N.9. P. 1125–1249.
2. Kou X.C., Sun X.K., Chuang Y.C., Grossinger R., Kirchmayr H.R. Structure and magnetic
properties of R 2 Fe 14 B 1–x C x compounds (R=Y, Nd) // J. of Magn. and Magn. Materials. 1989.
V.80. P. 31–36.
3. Бодак О.И., Гладышевский Е.И. Тройные системы, содержащие редкоземельные
металлы. – Львов: Изд. Львовского университета, 1985. 328 с.
4. Богаткин А.Н., Тарасов Е.Н., Андреев С.В., Попов А.Г., Кудреватых Н.В.
Совершенствование технологии получения постоянных магнитов из сплавов Nd–Fe–B
// Металлы. 1996. № 2. С. 86–90.
5. Буйновский А.С., Софронов В.Л., Штефан Ю.П., Ещев В.А. Твердофазное легирование
магнитных сплавов на основе Nd–Fe–B // Известия вузов. Цветная металлургия. 2004.
№5. С. 47–51.
6. Пискорский В.П., Мельников С.А., Паршин А.П., Сычев И.В., Давыдова Е.А.,
Степанова С.В. Влияние многокомпонентного легирования с участием диспрозия на
свойства магнитов Nd–Fe–B // Журнал функциональных материалов. 2007. Т. 1. №10.
С. 374–377.
7. Chang W.C., Wu Т.В., Liu K.S. The influence of sintering aids on the texture and remanence
of Nd–Fe–B alloys // J. of Magn. and Magn. Materials. 1989. V. 78. P. 283–290.