Введение
Сильный постоянный магнит, изготовленный из сплава редкоземельного элемента и кобальта. Самарий-кобальтовый (SmCo) магнит, являющийся типом редкоземельного магнита, представляет собой сильный постоянный магнит, состоящий из двух основных элементов: самария и кобальта. Они были разработаны в начале 1960-х годов на основе исследований, проведенных Карлом Стрнатом на авиабазе Райт-Паттерсон и Алденом Рэем в Университете Дейтона. В частности, Стрнат и Рэй разработали первую формулу SmCo5. Самарий-кобальтовые магниты обычно сопоставимы по прочности с неодимовыми магнитами, но обладают более высокими температурными характеристиками и большей коэрцитивной силой.
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.
Серия
Магниты из самария-кобальта выпускаются двух "серий": магниты SmCo5 и магниты Sm2Co17.
Серия 1:5
Эти легированные магниты самарий-кобальта (обычно записываются как SmCo5 или SmCo Series 1:5) содержат один атом редкоземельного самария на пять атомов кобальта. По весу этот магнитный сплав обычно содержит 36% самария, а остальное – кобальт. Энергетические продукты этих сплавов самарий-кобальта варьируются от 16 до 25 МГ·Оэ, то есть приблизительно от 128 до 200 кДж/м³. Эти магниты из самарий-кобальта обычно имеют обратимый температурный коэффициент 0,05%/°C. Насыщенная намагниченность может быть достигнута при умеренном намагничивающем поле. Калибровка этой серии магнитов на определенное магнитное поле проще, чем у магнитов серии SmCo 2:17. В присутствии умеренно сильного магнитного поля, не намагниченные магниты этой серии будут стремиться выровнять свою ось ориентации по направлению магнитного поля, тем самым слегка намагничиваясь. Это может стать проблемой, если последующая обработка требует нанесения на магнит гальванического или защитного покрытия. Небольшое поле, которое захватывает магнит, может притягивать загрязнения во время процесса покрытия, вызывая его дефекты или выход за допустимые механические размеры. Остаточная индукция (Br) изменяется с температурой и является одной из важных характеристик магнитных свойств. Некоторые применения, такие как инерционные гироскопы и лампы бегущей волны (TWT), требуют поддержания постоянного поля в широком диапазоне температур. Обратимый температурный коэффициент (RTC) Br определяется как (∆Br/Br) x (1/∆T) × 100%. Для удовлетворения этих требований в конце 1970-х годов были разработаны магниты с температурной компенсацией. Для обычных магнитов SmCo Br уменьшается с повышением температуры. И наоборот, для магнитов GdCo Br увеличивается с повышением температуры в определенных диапазонах температур. Комбинируя самарий и гадолиний в сплаве, температурный коэффициент можно снизить почти до нуля. Магниты SmCo5 обладают очень высокой коэрцитивной силой (коэрцитивностью), то есть их нелегко размагнитить. Они изготавливаются путем уплотнения магнитных порошков с крупным зерном. Все магнитные домены ориентированы по направлению легкой оси намагничивания. В этом случае все границы доменов находятся под углом 180 градусов. При отсутствии примесей процесс перемагничивания образца эквивалентен перемагничиванию одиночных доменов, где когерентное вращение является доминирующим механизмом. Однако из-за несовершенства изготовления в магниты могут попадать примеси, которые служат центрами зарождения. В этом случае, поскольку примеси могут иметь более низкую анизотропию или неправильно ориентированные оси легкого намагничивания, их направления намагниченности легче изменить, что нарушает конфигурацию границы домена в 180°. В таких материалах коэрцитивной силой управляет процесс зарождения. Для достижения высокой коэрцитивной силы контроль примесей имеет решающее значение в процессе изготовления.
(∆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.
Серия 2:17
Эти сплавы (обозначаются как Sm2Co17 или SmCo серии 2:17) упрочняются старением и имеют состав, содержащий два атома редкоземельного самария на 13–17 атомов переходных металлов (TM). Содержание TM преимущественно состоит из кобальта, но также включает другие элементы, такие как железо и медь. Для улучшения отклика на термическую обработку могут добавляться небольшие количества других элементов, таких как цирконий и гафний. По весу сплав обычно содержит 25% самария. Максимальные значения энергетического произведения этих сплавов варьируются от 20 до 32 MGOe, что эквивалентно примерно 160–260 кДж/м3. Эти сплавы обладают наилучшим обратимым температурным коэффициентом среди всех редкоземельных сплавов, обычно составляющим 0,03%/°C. Материалы "второго поколения" также могут применяться при повышенных температурах. В магнитах Sm2Co17 механизм коэрцитивной силы основан на закреплении границ доменов. Примеси внутри магнитов препятствуют движению границ доменов, тем самым оказывая сопротивление процессу перемагничивания. Для повышения коэрцитивной силы примеси намеренно добавляются в процессе изготовления.
Производство
Сплавы самария и кобальта обычно обрабатываются в немагнитном состоянии. Самарий-кобальт следует шлифовать с использованием процесса влажного шлифования (охлаждающие жидкости на водной основе) и алмазного шлифовального круга. Тот же тип процесса необходим при сверлении отверстий или создании других замкнутых элементов. Нельзя допускать полного высыхания отходов шлифования, так как самарий-кобальт имеет низкую температуру воспламенения. Небольшая искра, например, вызванная статическим электричеством, может легко привести к возгоранию. Возникший пожар может быть чрезвычайно горячим и трудно поддающимся контролю. Для производства самарий-кобальтовых магнитов используются метод восстановления/плавления и метод восстановления/диффузии. Метод восстановления/плавления будет описан, поскольку он применяется как для производства SmCo5, так и Sm2Co17. Сырье плавится в индукционной печи, заполненной аргоновым газом. Смесь заливается в форму и охлаждается водой для получения слитка. Слиток измельчается в порошок, а затем частицы дополнительно фрезеруются для уменьшения их размера. Полученный порошок прессуется в штампе нужной формы в магнитном поле для ориентации магнитного поля частиц. Затем проводится спекание при температуре 1100–1250°C, за которым следует термообработка раствором при 1100–1200°C и, наконец, отпуск магнита при температуре около 700–900°C. После этого его шлифуют и дополнительно намагничивают для повышения магнитных свойств. Готовый продукт подвергается испытаниям, контролю и упаковке. Самарий может быть частично заменен другими редкоземельными элементами, такими как празеодим, церий и гадолиний; кобальт может быть частично заменен другими переходными металлами, такими как железо, медь и цирконий.