Кіріспе
Сирек кездесетін жер элементі мен кобальт қорытпасынан жасалған күшті тұрақты магнит. Самарий-кобальт (SmCo) магниті – сирек кездесетін жер магнитінің бір түрі, самарий мен кобальт екі негізгі элементінен жасалған күшті тұрақты магнит. Олар 1960 жылдардың басында Карл Стрнаттың Райт-Паттерсон әуе базасындағы және Альден Рэйдің Дейтон университетіндегі жұмыстарының нәтижесінде әзірленді. Атап айтқанда, Стрнат және Рэй SmCo5 формуласын алғаш рет жасады. Самарий-кобальт магниттері әдетте неодим магниттерімен салыстырылатын күшке ие, бірақ олардың температураға төзімділігі және коэрцитивтілігі жоғары.
A samarium–cobalt (SmCo) magnet, a type of rare earth magnet, is a strong permanent magnet made of two basic elements: samarium and cobalt. They were developed in the early 1960s based on work done by Karl Strnat at Wright Patterson Air Force Base and Alden Ray at the University of Dayton. In particular, Strnat and Ray developed the first formulation of SmCo5. Samarium–cobalt magnets are generally ranked similarly in strength to neodymium magnets, but have higher temperature ratings and higher coercivity.
Сериялар
Самарий-кобальт магниттері екі "түрде" келеді, атап айтқанда SmCo5 магниттері және Sm2Co17 магниттері.
1: 5 сериясы
Бұл самарий-кобальт магнит қорытпалары (әдетте SmCo5 немесе SmCo Series 1:5 деп жазылады) кобальттың бес атомына бір сирек жер самарий атомы бар. Бұл магниттік қорытпаның салмағы бойынша әдетте 36% самарий, ал қалғаны кобальттан тұрады. Осы самарий-кобальт қорытпаларының энергия өнімдері 16 МГ·Ое-ден 25 МГ·Ое-ге дейін, яғни шамамен 128–200 кДж/м3 аралығында болады. Бұл самарий-кобальт магниттерінің кері температуралық коэффициенті 0,05%/°C құрайды. Магниттелуді орташа магнит өрісімен жүзеге асыруға болады. Бұл сериядағы магниттерді SmCo 2:17 сериялы магниттерге қарағанда белгілі бір магнит өрісіне калибрлеу оңайырақ. Орташа күшті магнит өрісінің әсерімен осы сериядағы магниттелмеген магниттер өз бағдар осын магнит өрісіне сәйкестендіруге тырысады, соның салдарынан сәл магниттеледі. Егер кейіннен өңдеу кезінде магнитті қаптау немесе жабу қажет болса, бұл мәселе туындауы мүмкін. Магнит тартқан шағын өріс, қаптау немесе жабу процесінде қоқымды тартуы мүмкін, бұл қаптаманың бұзылуына немесе механикалық толеранттылық шегінен шығуына әкелуі мүмкін. Br температураға байланысты өзгереді және магниттің маңызды сипаттамаларының бірі болып табылады. Инерциялық гироскоптар және толқындық құбырлар (TWT) сияқты кейбір қолданулар үшін кең температуралық диапазон бойынша тұрақты өріс қажет. Br-дің кері температуралық коэффициенті (RTC) былай анықталады: (∆Br/Br) x (1/∆T) × 100%. Осы талаптарды қанағаттандыру үшін 1970 жылдардың соңында температуралық компенсацияланған магниттер әзірленді. Конвенциялық SmCo магниттері үшін Br температураның жоғарылауымен төмендейді. Керісінше, GdCo магниттері үшін Br температураның белгілі бір диапазонында жоғарылаумен артады. Самарий мен гадолинийді қорытпаға қосу арқылы температура коэффициентін дерлік нөлге дейін төмендетуге болады. SmCo5 магниттері өте жоғары коэрцитивтілікке (коэрцитивті күшке) ие, яғни оларды оңай демагнетиздеу қиын. Олар кең түйіршікті, жеке доменді магниттік ұнтақтарды ығыстыру арқылы жасалады. Барлық магниттік домендер жеңіл ось бағытымен сәйкестендірілген. Бұл жағдайда барлық домен қабырғалары 180 градус бұрышпен орналасқан. Қоспалар болмаған жағдайда, ірі магниттің кері айналу процесі жеке доменді моттарға тең, мұнда когерентті айналу басым механизм болып табылады. Алайда, өндірістің жетілмеуіне байланысты магниттерге қоспалар енгізілуі мүмкін, олар ядролар құрайды. Бұл жағдайда, қоспалардың анизотропиясы төмен болуы немесе оңай осьтері дұрыс бағытталмауы мүмкін, олардың магниттелу бағыттарын айналдыру оңай, бұл 180° доменді қабырға конфигурациясын бұзады. Мұндай материалдарда коэрцитивтілік ядролық қалыптасу арқылы бақыланады. Жоғары коэрцитивтілікке қол жеткізу үшін өндіріс процесінде қоспаларды бақылау өте маңызды.
(∆Br/Br) x (1/∆T) × 100%. To address these requirements, temperature compensated magnets were developed in the late 1970s. For conventional SmCo magnets, Br decreases as temperature increases. Conversely, for GdCo magnets, Br increases as temperature increases within certain temperature ranges. By combining samarium and gadolinium in the alloy, the temperature coefficient can be reduced to nearly zero. SmCo5 magnets have a very high coercivity (coercive force); that is, they are not easily demagnetized. They are fabricated by packing wide grain lone domain magnetic powders. All of the magnetic domains are aligned with the easy axis direction. In this case, all of the domain walls are at 180 degrees. When there are no impurities, the reversal process of the bulk magnet is equivalent to lone domain motes, where coherent rotation is the dominant mechanism. However, due to the imperfection of fabricating, impurities may be introduced in the magnets, which form nuclei. In this case, because the impurities may have lower anisotropy or misaligned easy axes, their directions of magnetization are easier to spin, which breaks the 180° domain wall configuration. In such materials, the coercivity is controlled by nucleation. To obtain much coercivity, impurity control is critical in the fabrication process.
Сериясы 2:17
Бұл қорытпалар (Sm2Co17 немесе SmCo сериясы 2:17) сирек жерлер самарийінің екі атомына 13–17 атом ауыспалы металл (TM) шамасында құрастырылып, қартаю арқылы қатайтылады. TM құрамы кобальтқа бай, бірақ темір және мыс сияқты басқа элементтер де қамтиды. Жылулық өңдеуге жақсы жауап беру үшін цирконий, гафний және тағы басқа элементтер шағын мөлшерде қосылуы мүмкін. Салмағы бойынша қорытпада әдетте 25% самарий болады. Бұл қорытпалардың максималды энергия өнімдері 20-дан 32 МГОe-ге дейін, шамамен 160–260 кДж/м3 құрайды. Бұл қорытпалардың барлық сирек жерлер қорытпаларының арасында ең жақсы қайтымды температуралық коэффициенті бар, ол әдетте 0,03%/°C-қа тең. "Екінші буын" материалдарын жоғары температурада да пайдалануға болады. Sm2Co17 магниттерінде коэрцитивтік механизм домендік қабырғалардың бекітілуіне негізделген. Магниттер ішіндегі қоспалар домендік қабырғалардың қозғалысын қиындатады, соның салдарынан магниттеудің кері процесіне қарсы тұрады. Коэрцитивтілікті арттыру үшін өндіріс процесінде қоспалар мақсатты түрде қосылады.
Өндіріс
Самарий-кобальт қорытпалары әдетте магниттелмеген күйде өңделеді. Самарий-кобальтты су негізіндегі салқындатқыштар қолданылатын ылғалды ұнтақтау процесімен (сулы ұнтақтау) және алмасты ұнтақтау дискісімен ұнтақтау керек. Тесіктерді бұрғылау немесе шектеулі кеңістіктегі басқа да элементтер жасау үшін де осындай процесс қажет. Самарий-кобальттың тұтану температурасы төмен болғандықтан, ұнтақтау қалдықтарының толығымен кебуіне жол берілмеуі керек. Статикалық электр заряды сияқты кішкентай ұшқын оңай жануға себеп болуы мүмкін. Соның салдарынан туындайтын өрт өте қызып, бақылауы қиын болуы мүмкін. Самарий-кобальт магниттерін өндіру үшін тотығу/еріту және тотығу/диффузия әдістері қолданылады. SmCo5 және Sm2Co17 өндірісінде де қолданылатын тотығу/еріту әдісі сипатталады. Шикізат аргон газымен толтырылған индукциялық пеште балқытылады. Қоспа қалыпқа құйылып, сумен салқындатылып, металл құймасы жасалады. Құйма ұнтақталады, ал бөлшектердің мөлшерін одан әрі азайту үшін бөлшектер ұнтақталады. Нәтижесінде алынған ұнтақ, бөлшектердің магниттік өрісін бағыттау үшін магниттік өріспен қажетті пішіндегі қалыпқа басылады. 1100˚C–1250˚C температурада спекалдау (сіңіру) жүргізіледі, содан кейін 1100˚C–1200˚C температурада ерітіндімен өңдеу және соңында магнит 700˚C–900˚C шамасында темперленеді (қайта жылыту). Содан кейін ол ұнтақталып, магниттік қасиеттерін арттыру үшін қайтадан магниттеледі. Дайын өнім сыналып, тексеріліп, қапталады. Самарийді празеодимий, церий және гадолиний сияқты басқа сирек кездесетін элементтердің бір бөлігімен алмастыруға болады; ал кобальтты темір, мыс және цирконий сияқты басқа өткіш металдардың бір бөлігімен алмастыруға болады.