CC BY
17
УДК 539.231:669.859:537.622 DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-s5-95-100
Е.Н. Каблов1, О.Г. Оспенникова1, В.П. Пискорский1, Р.А. Валеев1, И.И. Резникова1, А.В. Бузенков1
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Nd-Dy-Fe-Co-B
Материалы системы Nd-Dy-Fe-Co-B применяются для производства кольцевых магнитов с радиальной текстурой (КМРТ). Основными приборами для инерциальной навигации, в конструкцию которых включены магниты, являются динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) и акселерометры. Кольцевой магнит с радиальной текстурой является оптимальной конструкцией магнита для динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ). Исследован фазовый состав материалов на основе системы Nd-Dy-Fe-Co-B. Показано, нто фазовый состав спеченных материалов Ndi-xPy^—^ej.jCo^—B определяется содержанием Со. В спеченных магнитах такой системы обнаружена фаза (Nd, Dy)(Fe, Co)4B. Показано также, что с увеличением содержания Со резко уменьшается содержание основной магнитной фазы (Nd, Dy)2(Fe, Co)14B. Установлены аппроксимирующие полиномы, связывающие состав материала (Nd^fiy^—Fe^Co^—B с составом основной магнитной фазы (Nd1-xDyx)2(Fe1-уCoу)]4B и позволяющие определять состав фазы (Nd, Py)2(Fe, Co)14B исходя из состава магнита.
Ключевые слова: кольцевой магнит с радиальной текстурой, динамически настраиваемый гироскоп, радиальная текстура.
Nd-Py-Fe-Co-B materials are used for production of ring magnet with radial texture (RMRT). Magnets are used as components of dynamically tuned gyroscopes (DTG) and accelerometers, which are the basic devices in the inertial navigation. An optimum design of the magnet for dynamically tuned gyroscopes (DTG) is a ring magnet with radial texture (RMRT). The article is focused on the study ofphase composition of Nd-Dy-Fe-Co-B sintered materials. It is demonstrated that the phase composition of (Nd^Dy^-Fe^Co^-B sintered materials is influenced by Co content. The phase (Nd, Dy) (Fe, Co)4B is found out at (Nd^Dy^-Fe^Co^-B sintered materials. It is shown that the content of the main magnetic phase (Nd, Dy)2(Fe, Co)14B is reduced sharply with increasing Co content.
Approximating polynomials correlating composition of (NdpDy^-Fe^Co^-B material with that of the main magnetic phase (Nd1-xDyx)2(Fe1-уCoу)14B and allowing determination of (Nd, Dy)2(Fe, Co)14B phase composition were found.
Keywords: ring magnet with radial texture, dynamically tuned gyroscope, radial texture.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации
[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Кольцевые магниты с радиальной текстурой (КМРТ) являются основной частью динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) [1-4]. Перспективными материалами для производства таких магнитов являются материалы системы №-Ре-Б, легированные тяжелыми редкоземельными металлами и кобальтом, повышающими температурную стабильность изделий. В данной статье изучен фазовый состав системы №-Оу-Ре-Со-Б.
Материалы и методы
Исследование локального состава фаз проводили* методом качественного и количественного МРСА на аппарате <^ирегргоЬ-733» ^МА-733, фирма Jeol, Япония) с применением энергодисперсионного анализатора 1псаепе^ (Англия). Локальность анализа составляет 1 мкм2, глубина анализа 1 мкм. Фотографии исследуемых структур получали в специальном режиме СОМРО. Изображение в режиме СОМРО формируется
обратноотраженными электронами, его контраст определяется средним атомным номером фазы. Чем выше средний атомный номер исследуемой области (фазы), тем светлее данный участок выглядит на фотографии. Изображение в режиме СОМРО получают на нетравленых шлифах. Это позволяет проводить на них количественный анализ, точность которого в случае нетравленого шлифа выше [5-8].
Количественный фазовый анализ проводили** на порошковых не текстурированных образцах на дифрактометре ДРОН-3М с использованием излучений Со Ка и Fe Ка (табл. 1).
Сплавы выплавлены в вакуумной индукционной печи по обычной методике [9-18]. Слитки дробили до размера частиц <630 мкм в инертной атмосфере. Тонкий помол проводили в центро-
* Анализ проведен к.т.н. Е.А. Давыдовой.
** Анализ проведен Н.С. Моисеевой.
Таблица 1
Результаты качественного фазового анализа
Условный номер образца Состав материала, % (атомн.)
1 (Мо,9^Уо,о9)15,о^ео,81СОо,19)остА11,зВ7,1
2 (Мо,^Уодб)15,0^ео,81СОод9)остА11,4В7,8
3 (Шо^Уо,22)н9^ео,79СОо,21)остА11,зВ7,8
4 (Ndо,52Dyо,48)l4,7(Feо,78CОо,22)остB6,3
5 (Ndо,65Dyо,35)l4,9(Feо,76CОо,24)остA1l,оB7,9
6 (М0,47^ОУ0,53)15,6^е0,76СО0,24)остА10,7В7,7
7 (Ndо,62Dyо,38)l4,8(Feо,75CОо,25)остA1l,оB7,9
8 С^о,56^0уо,44)14,8(^Рео,74С°о,26)остА1о,9В7,9
9 (Шо^Уо,51 )13,3^ео,72СОо,28)остА1о,зВ8,8
10 (Мо,5^Уо,49)19,4^ео,7оСОо,зо)остА1о,зВ5,8
11 С^0,29^ОУ0,71)Н6^е0,66СО0,34)остА10,5В8,0
Таблица 2
Результаты МРСА основных фаз в материалах системы (МьяРуд^Ре^Со^-Б
Состав материала магнита, % (атомн.) Фаза Размер зерна фазы, мкм (содержание фазы, % (объемн.)) Состав фазы, % (атомн.)
С^^0,91-ОУ0,09)15,0^е0,81СО0,19)остА11,3В7Д Ац Аг RзF RзFlB7 30 5 До 17 2 С^^,87РУ0,1з)2,2СРе0,83Со0,17)13,9Б0,7 (Ш0,94РУ0,0б)2,5СРе0,81СО0,19)12,8Б1 (Ndо,99Dyо,0l)о,98(Feо,37CОо,42Bо,22)2,3 М3,0^е0,07СО0,79В0,14)м (Ndо,97Dyо,0з)2,8(Feо,5оCОо,5о)о,5B9
(Шо^Уо,22)14,9^ео,79СОо,21)остА1иВ7,8 Ац RF2B2 R5F2B6 R5F2B6 30 (90) 10 (9) 4 1 (^0,78Ру0,22)2,0(Ре0,80С00,20)16дВ0,8 (Ndо,92Dyо,08)l,2(Feо,48CОо,52)2,47Bl,5 С^0,98^ОУ0,02)5,0^е0,16СО0,84)1,8В4,5 ■^^4,8(^е0,11СО0,89)2,0В6,7
(Ndо,52Dyо,48)l4,7(Feо,78CОо,22)остB6,3 Ац Аг RF4B RF4B RF3 RF2B2 30 15 (3,7) 15 5 5 (Ndo,4зDyo,57)2,o(Feo,79COo,2l)l2,6Бo,9 (Ndo,42Dyo,58)2,l(Feo,79COo,2l)l3,8Бo,7 С^^0,32-ОУ0,68)1,0^е0,64СО0,36)3,9В0,6 (Шо^Уо,63)1,о^ео,63СОо,37)3,6Во,8 (N^^0,57)1,0^,62^0,38)2,8 (№0^0,32)1,1^0,53^0,47)2,^1,5
С^0,65^ОУ0,35)14,9^е0,76СО0,24)остА11,0В7,9 Ац Аг RF4B RF2 R5F2B6 30 13 4 10 (^0^0,46)2,1^0,77^0,23)13^0,8 (^0^0,46)2,1^0,76^0,24)13^0,7 (Шо^Уо,53)1,0^ео,59СОо,41)3,9Во,6 (Шо^Уо,16)1,0^ео,52СОо,48)1,9 Ш5,з^ео,о8СОо,92)2,оВ5
С^0,56^ОУ0,44)14,8^е0,74СО0,26)остА10,9В7,9 Ац RF4B RF2B2 RзFB7 20 (67) 30 (18) 20 (10) 5 (5) (Ш0,51 Ру0,49)1,9(Ре0,75С00,25)15,5Б0,6 С^0,44^ОУ0,56)0,9^е0,57СО0,43)4,2В0,9 (Ndо,78Dyо,22)l,l(Feо,5lCОо,49)2,2Bl,5 Nd2,6(Feо,12CОо,88)о,8B7,8
(Мо,5^Уо,49)19,4^ео,7оСОо,3о)остА1о,зВ5,8 Ац RF4B RF3 RF2 30 (34) 20 (20) 20 (25) 17 (10) (Ndo,35Dyo,65)2,2(Feo,75COo,25)l3,7Бo,9 (Ndо,32Dyо,68)l,2(Feо,62CОо,38)4,lBо,7 (Ndо,з2Dyо,68)l,l(Feо,6lCoо,з9)2,9 (N^,6^0,39)1,1^,54^0,46)1,8
(Ndо,29Dyо,7l)l4,6(Feо,66CОо,34)остA1о,5B8,0 Ац RF4B RF4B 10 (48) 10 (36) 10 (13) (Ndo,28Dyo,72)l,6(Feo,68COo,32)l4,2БlJ4 С^о,2^Уо,79)о,9(Рео,57СОо,4з)4,4Во,6 С^0,29^ОУ0,71)1,0^е0,57СО0,43)4,0В0,8
Примечание. Ац Аг - состав основной магнитной фазы R2(Fe, Со)14В в центре зерна и у границы соответственно; R=Nd+Dy; F=Fe+Co. Для некоторых материалов указан приблизительный размер зерна фазы, а в скобках - ее содержание в материале.
Таблица 3
Результаты рентгеновского фазового анализа ^е ^„-излучение) порошковой дифрактограммы спеченного материала на основе (^о,2^уо,71)14,б(Рео,ббСоо,з4)остВ8
Экспериментальные параметры Результаты индицирования линий спектра магнитной фазы А
спектра материала с параметрами решетки: а=0,8697 нм; с=1,1955 нм
С^0,29^0у0,71)14,бСРе0,66С°0,34)остВ8 (величина интенсивности I дана для соединения TЪ2Fe14B)
20, град d, нм I, отн. ед. h k 1 20, град d, нм I, отн. ед.
25,8 0,43388 11 0 2 0 25,7 0,43487 7
32,3 0,34824 11 0 2 2 32,0 0,35166 24
34,8 0,32392 20 1 2 2 34,6 0,32602 37
41,9 0,27091 100 1 1 4 42,2 0,26882 70
42,7 0,26606 39 1 3 1 42,4 0,26804 70
46,5 0,24538 19 0 2 4 46,3 0,24631 28
48,5 0,23584 73 1 2 4 48,3 0,23699 65
49,9 0,22963 33 0 1 5 49,7 0,23055 35
50,9 0,22541 30 1 3 3 50,7 0,22636 55
51,7 0,22216 23 1 1 5 51,5 0,22285 26
54,9 0,21013 12 1 4 0 54,7 0,21094 76
56,7 0,20399 79 0 4 2 56,6 0,20434 31
57,4 0,20171 45 3 3 1 57,3 0,20205 10
61,9 0,18835 12 2 2 5 61,8 0,18876 23
62,4 0,18699 19 1 4 3 62,6 0,18644 20
67,6 0,17412 19 2 4 3 67,3 0,17478 5
68,3 0,17255 20 3 4 1 68,5 0,17214 5
75,0 0,15912 17 0 5 3 74,8 0,15942 12
76,5 0,15646 18 1 5 3 76,3 0,15681 17
80,7 0,14961 31 0 0 8 80,8 0,14944 19
81,2 0,14884 21 4 4 2 81,2 0,14890 19
83,9 0,14490 16 1 3 7 83,8 0,14509 16
85,4 0,14283 17 2 5 4 86,0 0,14209 8
88,5 0,13882 21 1 5 5 88,5 0,13886 37
Продолжение
Экспериментальные параметры Результаты индицирования линий спектра гексагональной фазы (N4, Dy)
спектра материала (Рео,6Со0,4)4В с параметрами решетки: а=0,5036 нм; с=0,6863 нм
(Ш^^Эуол )14,б^е0,66Со0,34)остВ8 (величина интенсивности I дана для соединения DyFe2Co2B)
20, град d, нм I, отн. ед. h k 1 20, град d, нм I, отн. ед.
25,8 0,43388 11 1 0 0 25,9 0,43223 12
41,9 0,27091 100 1 0 2 42,1 0,26968 88
45,0 0,25312 22 1 1 0 45,3 0,25178 32
48,5 0,23584 73 1 1 1 48,4 0,23638 10
49,9 0,22963 33 0 0 3 50,1 0,22878 10
52,4 0,21939 35 2 0 0 52,8 0,21805 75
55,8 0,20701 35 2 0 1 55,6 0,20781 7
56,7 0,20399 79 1 1 2 57,0 0,20300 10
57,4 0,20171 45 1 0 3 57,1 0,20259 6
68,3 0,17255 20 0 0 4 68,7 0,17158 13
75,0 0,15912 17 2 0 3 75,7 0,15784 4,5
81,2 0,14884 21 2 1 2 81,4 0,14858 26
83,9 0,14490 16 3 0 0 83,6 0,14537 5
85,4 0,14283 17 3 0 1 85,9 0,14221 1,5
91,7 0,13500 12 2 0 4 91,8 0,13484 16
109 0,11891 29 2 1 4 109 0,11887 3
Рис. 1. Микроструктуры спеченных (а - х1000) и (Ndo,56Dyo,44)i5(Feo,74Coo,26)ccxAliB (б-
материалов х1200)
систем (Ndo,78Dyo,22)l5(Feo,79COo,2l)ccxAllB8
Рис. 2. ■х2000)
Микроструктура спеченного материала системы (Ndo29Dyo,71)15(Feo,66Coo,34),
Содержание Dy в фазах в зависимости от количества Со в материале системы (Nd1.xDyx)-(Fe1.JCoJ)-B (R=Nd+Dy; F=Fe+Co)
Таблица 4
Условный номер образца (см. табл. 1 ) Состав материала Содержание Dy, атомн. доли, в фазах
x y RF4B rf2 RF2B2 RF3 R5F2B6
1 0,09 0,19 - 0,01 - - -
2 0,16 0,19 - o,o2 - - o,o2
3 0,22 0,21 - - o,o8 - o,o2
4 0,48 0,22 o,66 - o,32 o,57 -
5 0,35 0,24 o,53 o,16 - - -
6 0,53 0,24 o,67 o,3o - - -
7 0,38 0,25 o,38 - - - o,17
8 0,44 0,26 o,56 - o,22 - -
9 0,51 0,28 o,56 - o,26 - -
10 0,49 0,3Ü o,68 o,39 - o,68 -
11 0,71 0,34 o,75 - - - -
б
0.15
-1-1-1- -1-
0,2 0,4 0,6 0,8 0,18 0,28 0,38
Содержание Ву в материале, % (атоын.) Содержание Со в материале, % (атоын.)
Рис. 3. Зависимости содержания Dy и Со в фазе А от их содержания в спеченном материале системы (Ш^уО-^е^Со^В
бежно-планетарной мельнице в среде трифтор-трихлорэтана. Заготовки магнитов в виде призм прессовали в магнитном поле 800 кА/м методом «влажного» прессования. Спекание проводили в вакуумной печи СНВЭ 1.3.1/16-И3 при температуре 1150°С в течение 1 ч.
Результаты Типичные фотографии микроструктур представлены на рис. 1 и 2. Фазовый состав представлен в табл. 2. Данные рентгенофазового анализа порошка состава (№0^У0,71)15^е0,66С00,34)остА10,5В8 приведены в табл. 3.
Обсуждение и заключения
Из данных табл. 1 видно, что фазовый состав материалов определяется в первую очередь содержанием Со. С увеличением количества Со в спеченном материале изменяется его фазовый состав. Когда >>=0,22, появляется фаза RF4B. Фаза Лавеса обнаружена практически во всех образцах. В табл. 4 представлены составы фаз по диспрозию в зависимости от содержания Dy и Со в материале. Видно, что содержание Dy в фазах RF4B и RFз составляет 0,5-0,75 и 0,6-0,7% (атомн.) соответственно. В фазах RF2, RF2B2 и К^2В6 количество Dy может быть близко к нулю. На рис. 3 представлены зависимости содержания Dy и Со в фазе А (хА и уА соответственно) от их содержания в материале системы (Шь^у^-^^Со^-В, (хм и ум соответственно). Приведем соответствующие аппроксимирующие функции (в скобках дана величина R2, соответствующая среднему квадрати-ческому отклонению):
хА=1,131хм+0,001^2=0,943), (1)
уА=0,2231п(ум)+0,547^2=0,931). (2)
Из данных табл. 2 видно, что параметры решетки тетрагональной фазы (№0,2^у0,72)2 (Ре0,69Со0,31)14В составляют: а=0,8697 нм; с=1,1955 нм. Из данных табл. 1 видно, что гексагональная фаза RF4B состоит из зерен, незначительно отличающихся по содержанию Dy и имеющих составы (№0,2^0,79)0,9^0,57^0,43)4^0,6 и (№0^0,71)1,0 ^е^Со^Х^^. Параметры решетки этой фазы: а=0,5036 нм; с=0,6863 нм, что соответствует научным литературным данным. Таким образом, существование фазы №4В подтверждено данными рентгенофазового анализа. На рис. 4 представлена зависимость содержания фазы А в материалах состава (Nd1-xDyx)15(Fe1-yCoy)остB8 (х=0,22-0,71). Видно, что с увеличением содержания Со уменьшается количество фазы А в магнитах.
100
Содержание Со, % (атомн.)
Рис. 4. Зависимость содержания фазы А от концентрации Со в материалах состава (Шь^Ь^еьуСоу^ (х=0,22-0,71)
Выводы
- Показано, что фазовый состав спеченных материалов системы (Ш^РУ^-^е^Со^-В определяется содержанием Со. В спеченных магнитах на основе этой системы обнаружена фаза (№, Ру) ^е, Со)4В, которая появляется, когда >">0,2, ее существование подтверждено рентгенофазовым анализом.
- Показано, что с увеличением величины у резко уменьшается содержание основной магнитной фазы (№, РУ)2^е, Со)14В таким образом, что
при у^0,3 ее содержание составляет ~50% (объемн.). Возрастает содержание фазы состава (№, РУ)^е, Со)4В и при у^0,3 ее содержание составляет также ~50% (объемн.). Установлены аппроксимирующие полиномы, связывающие состав материала системы (Ш^РУ^-^е^Со^-В с составом основной магнитной фазы (М^Ру^ (Ре1.уСОу)14В и позволяющие определять состав фазы (№, Dy)2(Fe, Со)14В исходя из состава магнита.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бурханов Г.С., Пискорский В.П., Терешина И.С., Моисеева Н.С., Давыдова Е.А., Валеев Р.А. Существование области гомогенности по бору магни-тотвердой фазы 2-14-1 //ДАН. 2012. Т. 447. №3. С. 277-279.
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
3. Пискорский В.П., Бурханов Г.С., Оспенникова О.Г.,
Валеев Р.А., Терешина И.С., Давыдова Е.А. Влияние термической обработки на свойства нанострук-турированных магнитотвердых материалов Pr-Dy-Fe-Co-B //Металлы. 2010. №3. С. 84-91.
4. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Ред-
кие металлы и редкоземельные элементы - материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
5. Чабина Е.Б., Алексеев А.А., Филонова Е.В., Лукина Е.А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 06 (viam-works.ru).
6. Шмотин Ю.Н., Старков Р.Ю., Данилов Д.В., Оспен-
никова О.Г., Ломберг Б.С. Новые материалы для перспективного двигателя ОАО «НПО „Сатурн"» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 6-8.
7. Каблов Е.Н., Сиваков Д.В., Гуляев И.Н., Сорокин К.В., Федотов М.Ю., Гончаров В.А. Методы исследования конструкционных композиционных материалов с интегрированной электромеханической системой //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 17-20.
8. Каблов Е.Н., Морозов Г.А., Крутиков В.Н., Мурав-
ская Н.П. Аттестация стандартных образцов состава сложнолегированных сплавов с применением эталона //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 9-11.
9. Пискорский В.П., Бурханов Г.С., Оспенникова О.Г.,
Валеев Р.А., Терешина И.С. Эффект Вестендорпа на магнитах Pr(Nd)-Dy-Ce-Fe-Co-B //Перспективные материалы. 2010. №3. С. 22-25.
10. Пискорский В.П., Бурханов Г.С., Оспенникова О.Г., Валеев Р.А., Терешина И.С., Давыдова Е.А. Расчет
температурного коэффициента индукции нано-структурированных магнитотвердых материалов Pr-Dy-Gd-Fe-Co-B методом молекулярного поля //Металлы. 2010. №1. С. 64-67.
11. Пискорский В.П., Бурханов Г.С., Мельников С.А., Паршин А.П., Валеев Р.А., Терешина И.С., Иванов С.И. Влияние содержания неодима на свойства наноструктурированных материалов Nd(Pr)-Fe-B, полученных по бинарной технологии //Перспективные материалы. 2010. №9. С. 195-197.
12. Каблов Е.Н., Пискорский В.П., Бурханов Г.С., Валеев Р.А., Моисеева Н.С., Степанова С.В., Петраков А.Ф., Терешина И.С., Репина М.В. Термостабильные кольцевые магниты с радиальной текстурой на основе Nd(Pr)-Dy-Fe-Co-B //Физика и химия обработки материалов. 2011. №3. С. 43-47.
13. Мельников С.А., Пискорский В.П., Беляев И.В., Валеев Р.А., Верклов М.М., Иванов С.И., Оспенникова О.Г., Паршин А.П. Температурные зависимости магнитных свойств спеченных сплавов Nd-Fe-B, легированных сплавами РЗМ с переходными металлами //Перспективные материалы. 2011. №11. С. 201-207.
14. Пискорский В.П., Бурханов Г.С., Оспенникова О.Г., Терешина И.С., Валеев Р.А., Моисеева Н.С. Влияние бора на магнитные свойства магнитов на основе интерметаллидов с тетрагональной структурой //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 143-148.
15. Магнитный материал и изделие, выполненное из него: пат. 2368969 Рос. Федерация; опубл. 27.09.2007.
16. Каблов Е.Н., Петраков А.Ф., Пискорский В.П., Ва-леев Р.А., Чабина Е.Б. Влияние церия и иттрия на магнитные свойства и фазовый состав материала системы Nd-Dy-Fe-Co-В //МиТОМ. 2005. №10. С. 25-29.
17. Каблов Е.Н., Петраков А.Ф., Пискорский В.П., Ва-леев Р.А., Чабина Е.Б. Влияние празеодима на магнитные свойства и фазовый состав материала системы Nd-Dy-Fe-Co-В //МиТОМ. 2005. №6. С. 12-16.
18. Каблов Е.Н., Петраков А.Ф., Пискорский В.П., Ва-леев Р.А., Назарова Н.В. Влияние диспрозия и кобальта на температурную зависимость намагниченности и фазовый состав материала системы Nd-Dy-Fe-Co-В //МиТОМ. 2007. №4. С. 3-10.
