СПОСОБ ЧАСТИЧНОГО РАЗМАГНИЧИВАНИЯ НАНОГЕТЕРОГЕННЫХ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МАГНИТОВ ТИПА Sm-Co-Fe-Cu-Zr

Изобретение относится к электротехнике, точнее к устройствам для намагничивания и размагничивания магнитов, используемых в системах автоматики, промышленном оборудовании, автомобилях, ветряных генераторах и т.д.

Известен способ размагничивания магнитов путем приложения знакопеременного убывающего по амплитуде магнитного поля в направлении текстуры магнита (Глебов В.А. и Лукин А.А. Нанокристаллические редкоземельные магнитотвердые материалы. М.: ФГУП ВНИИНМ. 2007. С. 166-167). Недостатком данного способа является высокая трудоемкость процесса, связанная с созданием высоких значений напряженности внешнего магнитного поля и большого (более 100) количества циклов перемагничивания. Как правило, для качественного размагничивания величина напряженности внешнего магнитного поля или намагниченности магнита убывает на каждом цикле не более чем на 1-2%.

Известен способ размагничивания магнитов путем приложения обратного намагничивающему (реверсивного) однонаправленного магнитного поля в направлении текстуры магнита (Глебов В.А. и Лукин А.А. Нанокристаллические редкоземельные магнитотвердые материалы. М.: ФГУП ВНИИНМ. 2007. С. 166-167). Недостатком данного способа является сложность размагничивания магнита до заданного значения и неоднородность размагничивания по объему магнита.

Известен способ размагничивания магнитов путем нагрева магнита выше точки Кюри (Глебов В.А. и Лукин А.А. Нанокристаллические редкоземельные магнитотвердые материалы. М.: ФГУП ВНИИНМ. 2007. С. 166-167). Однако данный метод не применим для наногетерогенных высококоэрцитивных магнитов типа Sm-Co-Fe-Cu-Zr из-за их высокой точки Кюри (Т_с≈1073 К), из-за необратимых фазовых превращений, приводящих к существенной деградации магнитных свойств магнитов.

Известен способ размагничивания магнитов путем одновременного приложения двух магнитных полей: обратного намагничивающему полю в направлении текстуры магнита и дополнительного поперечного магнитного поля (Способ размагничивания постоянного магнита типа РЗМ-Со. Авторское свидетельство РФ №1372381, МКИ H01F 13/00, приор. 1985 г., публ. 1988 г.). Недостатком данного способа является сложность реализации данного способа из-за высоких значений требуемых размагничивающих полей и неоднородность частичного размагничивания.

Наиболее близким по технической сущности является способ размагничивания магнитов путем одновременного нагрева магнита в инертной среде до температуры ниже 0,6 T_c и одновременного приложения внешнего знакопеременного магнитного поля (Способ размагничивания постоянного магнита типа РЗМ-Со. Авторское свидетельство РФ №1453453, МКИ H01F 13/00, приор. 1987 г., публ. 1989 г.). Недостатком данного способа является сложность реализации данного способа из-за высоких значений требуемых размагничивающих полей при повышенных температурах в инертной среде и неоднородность частичного размагничивания магнитов.

Техническим результатом изобретения является повышение однородности намагниченности по объему магнита при частичном размагничивании, что позволяет использовать магниты в навигационных приборах повышенной точности, при этом сохраняются такие параметры, как коэрцитивная сила по намагниченности и критическое поле, ответственные за эксплуатационную (термовременную) стабильность магнитов.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе частичного размагничивания наногетерогенных высококоэрцитивных магнитов типа Sm-Co-Fe-Cu-Zr путем их нагрева в инертной среде, согласно изобретению, перед нагревом полюса магнита замыкают магнитопроводом, нагрев намагниченного до насыщения магнита осуществляют до рабочей температуры в интервале 875-1025 К, при этом охлаждение от рабочей температуры до 675 К осуществляют со скоростью не более 1 К/мин.

Известно [см., например, Глебов В.А. и Лукин А.А. Нанокристаллические редкоземельные магнитотвердые материалы. М.: ФГУП ВНИИНМ. 2007. С. 129-132], что высококоэрцитивные магниты типа Sm-Co-Fe-Cu-Zr имеют, по крайней мере, несколько уровней гетерогенности. Два уровня гетерогенности имеют размеры от единиц до десятков нанометров: ромбические ячейки типа Sm₂(Co,Fe)₁₇ [Т_с≈1073 К, структурный тип Th₂Z₁₇] и матрица (границы ячеек) типа Sm(Co,Cu,Fe)₅ [Т_с≈875 К, структурный тип CaCu₅] с размерами, соответственно, 70-100 нм и 15-25 нм (первый уровень наногетерогенности), при этом в матрице наблюдается градиент по меди (второй уровень наногетерогенности). Наногетерогенность обусловливает высокие значения локальной коэрцитивности и, как следствие, коэрцитивной силы по намагниченности. Кроме этого, как правило, наблюдается микрогетерогенность с размерами от единиц до десятков микрометров. Эти микрообласти несколько отличаются друг от друга по форме и размеру ячеек и границ ячеек, что приводит к различной температурной зависимости локальной коэрцитивности при относительно низкой температуре (ниже температуры Кюри материала границ ячеек - 875 К). Следствием этого является неоднородное размагничивание при температурах в интервале 300-875 К различных областей постоянного магнита (ПМ). Это приводит к существенному отклонению распределения магнитного поля ПМ от расчетного в рабочей зоне ПМ (магнитной системы с использованием магнита). При более высоких температурах (от 875 К до 1075 К) эти области имеют близкие значения коэрцитивности в этом интервале температур. Нами обнаружено, что для того чтобы осуществлять однородное частичное размагничивание ПМ в этом температурном интервале в собственном поле постоянного магнита, необходимо процесс размагничивания осуществлять при температурах 875-1025 К в замкнутой магнитной цепи {предварительно замкнув полюса магнита магнитопроводом, например, из материала с высокой точкой Кюри, а именно железо (армко) или пермендюр}. Выбор интервала рабочих температур обусловлен также следующими соображениями: в замкнутой магнитной системе при температуре ниже 875 К не происходит сколько-нибудь существенного размагничивания магнита, выше температуры 1025 К - магнит размагничивается более чем на 50%, что, как правило, не используется на практике. Замкнутая магнитная цепь позволяет не только повысить температуру размагничивания до оптимальной температуры, но и выровнять внутренние размагничивающие поля, воздействующие на магнит, если он не замкнут магнитопроводом. В процессе экспериментов установлено, что скорость охлаждения от рабочей температуры (875-1025 К) до 675 К должна быть не более 1 К/мин, что обусловлено необходимостью сохранения структурно-фазового состояния магнита, ответственного за такие параметры магнита, как коэрцитивная сила по намагниченности (_jH_c) и критическое поле (H_k).

Примеры реализации способа.

В качестве объекта частичного размагничивания выбран постоянный магнит, изготовленный из сплава типа Sm-Co-Fe-Cu-Zr (химический состав в мас. %: Sm - 25,12; Fe - 16,70; Cu - 5,79; Zr - 2,88, Со - ост.). Постоянный магнит в форме диска диаметром 30 мм и толщиной 8 мм с магнитной текстурой, перпендикулярной плоским поверхностям, имел следующие магнитные свойства: остаточная магнитная индукция (B_r) - 1,10 Тл, коэрцитивная сила по намагниченности (_jH_c) - 2400 кА/м, критическое поле (H_k) - 1350 кА/м, максимальное энергетическое произведение (BH_max) - 236 кДж/м³. Первоначально ПМ был намагничен до насыщения импульсным магнитным полем 4000 кА/м, замкнут составным магнитопроводом из сплава типа пермендюр, марка 49КФ (Т_с=1253К). Составной магнитопровод состоял из двух дисков D70 × h10 мм и кольца D70 × d50 × h8 мм. Замыкание магнитного потока намагниченного магнита осуществляют следующим образом: устанавливают ПМ соосно на один из дисковых магнитопроводов, соосно с дисковым магнитопроводом устанавливают кольцевой магнитопровод со стороны ПМ, далее устанавливают второй дисковый магнитопровод поверх кольцевого магнитопровода и ПМ. При этом фактически происходит замыкание магнитного потока ПМ внутри составного магнитопровода. Магнитную систему, состоящую из ПМ и составного магнитопровода, помещают в рабочую камеру вакуумной печи, создают необходимый вакуум (не хуже 0,1 Па), затем напускают в рабочую камеру инертный газ (аргон или гелий) и осуществляют нагрев до требуемой температуры, соответствующей требуемому уровню частичного размагничивания, с последующим охлаждением до комнатной температуры. Для контроля однородности частично размагниченных магнитов использовалась специальная магнитная система, которая представляла собой два соосных дисковых магнитопровода D70 × h10 мм, между которыми расположен кольцевой магнитопровод (D70 × d50 × h18 мм). Кольцевой магнитопровод выполнен с двумя отверстиями в диаметральном направлении вдоль оси, проходящей через центр рабочего зазора для установки датчиков Холла, соединенных с тесламетром. Два частично размагниченных постоянных магнита в форме дисков D30 × h8 мм устанавливают внутри магнитной системы с воздушным зазором 2 мм,

В таблице 1 приведены данные по напряженности магнитного поля в зазоре специальной магнитной системы в четырех точках, находящихся на разном расстоянии от центра магнитной системы после предварительного нагрева магнитов до различных температур в замкнутой магнитной системе.

Как видно из таблицы 1, разброс значений напряженности магнитного поля в зазоре МС при различном уровне размагничивания от 2 до 50% от исходного значения (760 кА/м) не превосходит 1,3%.

В таблице 2 приведены данные по напряженности магнитного поля в зазоре рабочей системе в четырех точках, находящихся на разном расстоянии от центра магнитной системы после предварительного нагрева магнитов до различных температур в разомкнутой магнитной системе (без магнитопроводов).

Как видно из таблицы 2, разброс значений напряженности магнитного поля в зазоре МС при различном уровне размагничивания от 2 до 50% от исходного значения (760 кА/м) существенно выше и находится в интервале 17-82%. Более низкие значения температур (см. табл. 2), при которых происходит частичное размагничивание магнитов в интервале 2-50%, обусловлено более высокими собственными размагничивающими полями магнита при отсутствии замыкающих магнитопроводов.

В таблице 3 представлены данные по зависимости магнитных параметров (_jH_c и H_k) от скорости охлаждения, от рабочей температуры, в частности от 1025 К до 675 К.

Как видно из таблицы 3, при скоростях охлаждения свыше 1,0 К/мин наблюдается существенное падение таких параметров, как _jH_c и H_k, ответственных за эксплуатационную стойкость магнитов. Скорость охлаждения от 675 К до комнатной температуры не влияет на эти магнитные параметры магнитов предположительно из-за низкой скорости диффузионных процессов в этом температурном интервале.

Предложенный способ частичного размагничивания наногетерогенных высококоэрцитивных магнитов типа Sm-Co-Fe-Cu-Zr позволяет сохранить однородность магнитных свойств магнитов при настройке и стабилизации магнитных систем при сохранении основных магнитных (_jH_c и H_k) параметров. Применение предложенного способа позволяет, в частности, повысить точность и стабильность работы навигационного оборудования и систем авиационной автоматики.