Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА SmMN

Изобретение относится к области получения магнитотвердых материалов, которые используются в электротехнике и машиностроении.

Известен способ получения порошков Sm₂Fe₁₇N_x-α-Fe [Ito М., Yoshioka H, Majima K., Katsuyama S., Nagai H. Sm₂Fe₁₇N_x+α-Fe anisotropic composite powders prepared by Sm evaporation and mechanical grinding in NH₃ // Scripta materialia. - 2002. - т. 46. - №. 10. - с. 695-698]. Способ заключается в получении мастер-сплава Sm_12,8Fe_87,2 индукционной плавкой, его последующим измельчением до достижения размера частиц от 45 до 150 мкм, его последующей термической обработкой от 1 до 5 часов в вакуумной печи при температуре 1273 К, его последующим измельчением в шаровой мельнице в течение 5 часов в атмосфере аммиака при давлении 8 атмосфер, его последующим азотированием в токе N₂ при температуре 723 К в течение 6 часов. Недостатки: невозможно получить содержание азота 13 ат. %, что приводит к низкой коэрцитивной силе (Н_с).

Известен способ получения магнитного материала на основе системы элементов Sm-Fe-N. [US Патент №5288339 А]. Способ включает получение материала с мелкокристаллической структурой, содержащего интерметаллическую фазу Sm₂Fe₁₇, механическим легированием из элементарных порошков Sm и Fe, термическую обработку полученного материала и двухстадийное азотирование для получения магнитного материала на основе системы элементов Sm-Fe-N с магнитотвердой фазой. Рентгенофазовый анализ порошка, полученного после механического легирования, показал наличие α-железа и аморфной составляющей. Термическая обработка порошка, полученного механическим легированием в диапазоне температур от 650 до 800°С и при длительности от 10 минут до 1 часа к кристаллизации аморфной составляющей и формированию магнитомягкой фазы Sm₂Fe₁₇. Азотирование полученного материала проводили в две стадии. На первом этапе азотирование проводили от 10 до 1000 часов в диапазоне температур от 300 до 400°С. На втором этапе - при температуре 500°С в течение 16 часов. Благодаря двухстадийному процессу азотирования получили стабильный нитрид. Недостатки: процесс азотирования проходит в две стадии; невозможно получить содержание азота 13 ат. %, что не позволяет получить высокую коэрцитивную силу.

В качестве прототипа выбран способ получения магнитотвердого материала Sm₂Fe₁₇N_x [RU патент №2531393]. Способ заключается в смешивании исходных порошковых компонентов Sm и Fe и их механоактивации в высокоэнергонапряженной вибромельнице в течение 2-3 часов. Механоактивацию проводят в инертной атмосфере без содержания влаги. Далее в реактор вводят аммиак и водород в соотношении NH3 - 85-95% и Н2 - 5-15% и продолжают процесс механоактивации еще в течение 5-7 часов. После чего в реактор вводят высокомолекулярное соединение полиметилметакрилат в количестве 2-4% от массы исходной порошковой смеси и продолжают механоактивацию еще 10-15 минут. В качестве инертной атмосферы можно использовать аргон, гелий и т.п.

Недостатки: низкая температура Кюри, что приводит к низкой стабильности свойств при повышенной температуре.

Задачей является разработка способа получения магнитотвердого материала Sm₂M₁₇N_x, с увеличенными коэрцитивной силой (H_c), температурой Кюри (Т_с).

Для решения задачи предложен способ получения магнитотвердого соединения Sm₂M₁₇N_x, где М - композиция железа и одного или нескольких нитридообразующих элементов. Способ заключается в поэтапном смешивании порошков железа, нитридообразующих элементов (НОЭ), таких как Ti, Nb, Mo, и самария для образования соединения, например, Sm₂Fe₁₆Ti, Sm₂Fe_16.5Nb_0.25Ti_0.25, Sm₂Fe_16.5Mo_0.5.

На первом этапе порошки железа и одного или двух нитридообразующих элементов Ti, Nb, Mo смешивают, таким образом, что на одну часть атомов НОЭ приходится 16 или 33 частей атомов железа - Fe₁₆Ti, Fe_16.5Nb_0.25Ti_0.25, Fe_16.5Mo_0.5. Механическую смесь подвергают механическому легированию, например, в высокоэнергонапряженной вибромельнице в инертной атмосфере без содержания влаги в течение 3-5 часов. На втором этапе полученный твердый раствор железа и НОЭ смешивают с порошком самария. Полученную механическую смесь повторно подвергают механическому легированию в реакторе с инертной атмосферой без содержания влаги в течение 7-20 часов. Во время механического легирования реактор продувают смесью аммиака и водорода NH₃ - 85-95% и Н₂ - 5-15% для азотирования со скоростью 0,5-5 л/мин. В качестве инертной атмосферы можно использовать аргон, гелий и т.п.

Поэтапное смешивание приводит к тому, что азот из-за наличия НОЭ лучше проникает в кристаллическую решетку материала, что приводит к ее расширению (увеличение параметра решетки), что приводит к увеличению коэрцитивной силы. Предварительное получение твердого раствора железа и нитридообразующих элементов позволяет избежать образования нитридов этих элементов. Наличие НОЭ элементов приводит к увеличению температуры Кюри, что позволяет использовать материал при повышенных температурах. Продувка реактора смесью аммиака и водорода в соотношении NH₃ - 85-95% и Н₂ - 5-15% позволяет интенсивнее проводить азотирование. В результате повышения давления в реакторе во время механического легирования реакция N₂+3Н₂↔2NH₃ смещается в сторону образования аммиака по принципу Ле Шателье.

При времени механического легирования менее 3 часов не происходит растворения НОЭ в железе. Проводить механическое легирование более 5 часов нецелесообразно, т.к. процесс растворения проходит полностью. При времени механического легирования менее 7 часов не происходит растворения самария в твердом растворе железа с НОЭ. Проводить механическое легирование более 20 часов нецелесообразно, т.к. процесс растворения происходит полностью.

При скорости продувки менее 0,5 л/мин реакция взаимодействия азота с порошковой смесью происходит не полностью, проводить продувку со скоростью более 5 л/мин нецелесообразно по экономическим соображениям: происходит не полное разложение аммиака.

Порошок железа (95,051 масс. %) смешивают с порошком молибдена (4,949 масс. %). Подвергают механическому легированию в мельнице в течение 5 часов в инертной атмосфере без содержания влаги. Образуется твердый раствор молибдена в железе. Полученный твердый раствор молибдена в железе смешивают с самарием для образования соединения Sm₂Fe_16.5Mo_0.5. Повторяют механическое легирование в мельнице твердого раствора железа и молибдена с самарием 7 часов. Во время механического легирования продуваем реактор смесью NH₃-90% и Н₂-10% для азотирования со скоростью 5 л/мин (см. таблтцу).

За счет нитридообразующих элементов удалось достигнуть высокого содержания азота до 13,52 ат. %, что привело к увеличению температуры Кюри до 570°С, коэрцитивной силы Н_с до 2500-3000 кА/м в магнитотвердом материале Sm₂M₁₇N_x,