Введение

С увеличением содержания кобальта в сплаве системы Pr–Dy–Fe–Co–B величина коэрцитивной силы по намагниченности (H_cI) уменьшается до нуля при любых сочетаниях тяжелых редкоземельных металлов, таких как тербий, диспрозий и т. д. [1–4]. Одним из путей предотвращения этого явления и повышения величины H_cI является подбор режима термической обработки. Магниты с высоким содержанием кобальта важны для приборов инерциальной навигации – динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ). Гироскопы данного типа обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами гироскопов [5–8]. Совокупность элементов ДНГ представляет собой сложную систему с набором резонансных частот, отвечающих различным элементам. К таким элементам относятся: упругий подвес и ротор, вращение которого обеспечивается карданным кольцом, соединяющим его с валом двигателя. Эти элементы образуют систему с тремя взаимно перпендикулярными вращательными степенями свободы. Ротор вращается со скоростью 20–30 тыс. оборотов в минуту. Принципиальной возможностью работы такого устройства является условие совпадения резонансных частот перечисленных элементов. При таком совпадении удается добиться компенсации демпфирующих факторов, например, таких как вязкое трение. В результате при малых углах отклонения, когда дифференциальные уравнения, описывающие поведение такой системы, линеаризуются, можно показать, что гироскоп обладает астатическими свойствами. Это придает гироскопу необходимую высокую точность [6–8]. В настоящее время требования к точности ДНГ весьма высоки. Это связано с тем, что в случае позиционирования космических аппаратов с телескопами и камерами на борту необходимо иметь очень прецизионное определение координат таких устройств в пространстве. Конечно, помимо гироскопов для этих целей используются и иные системы. Например, важное значение приобрели так называемые электронные гироскопы, в которых чувствительным элементом позиционирования является сенсор гигантского магнитосопротивления, который очень точно определяет ориентацию по отношению к магнитному полю Земли. Однако использование таких систем требует картирования магнитного поля Земли, что является основной трудностью. Аналогичными недостатками обладают оптоволоконные и лазерные системы. Поэтому, несмотря на обилие новых инженерных решений, ДНГ продолжают быть одними из главных приборов навигации [9, 10]. Важным свойством гироскопа является уход измеряемого угла от контрольной точки. В современных ДНГ эта величина не превышает 10^–4–10^–2 градусов в час [9].

Какую же роль в работе гироскопов играют магниты? Магнит является принципиально важной деталью ДНГ потому, что именно вращение катушки в магнитном поле генерирует электродвижущую силу (ЭДС) индукции и напряжение, по которому измеряется скорость вращения ротора. Следовательно, от качества магнита зависит результат измерения углов. При аксиальной симметрии вращающейся системы требуются магниты в форме кольца, причем намагниченность должна быть направлена радиально. Это требует радиального текстурирования магнитов, что возможно не для любого материала [10]. Как правило, сплавы для магнита легируют кобальтом [11] и тяжелыми редкоземельными металлами, такими как диспрозий, тербий и т. д. [12, 13]. Однако эти виды легирования могут вызывать уменьшение остаточной индукции (B_r), хотя именно она является ключевым параметром, определяющим величину ЭДС индукции в катушках, а следовательно, и отношение сигнал/шум в гироскопе.

Цель данной работы – исследование сплавов с церием, который обладает уникальными магнитными свойствами, проявляет эффект Кондо и рассматривается как перспективная добавка. Его преимуществом является низкая цена и большая распространенность в природе. Магниты на основе церия могли бы стать основой для компонентов ДНГ.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 11.1. «Термостабильные магнитотвердые материалы и математические модели расчета их температурных характеристик для навигационных приборов нового поколения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [14].

Материалы и методы

Сплавы выплавляли методом индукционной плавки в набивном керамическом тигле. В качестве исходных шихтовых материалов использовали чистые редкоземельные металлы: празеодим марки ПрМ-1, церий марки ЦеМ-1, диспрозий марки ДиМ-1, кобальт марки К0, железо АРМКО. Бор вводили в плавку в виде лигатуры FeB марки ФБ-20. Спеченные материалы изготовлены методом порошковой технологии, которая включала дробление слитка, мокрый помол в защитной среде, прессование в магнитном поле для создания текстуры, спекание в вакуумной печи электросопротивления (вакуум – не менее 10^–5 мм рт. ст.) и отжигом в той же печи при температуре 1000 °С. Плотность образцов определяли методом взвешивания в дистиллированной воде и на воздухе. Анализ локального химического состава фаз проводили на спеченных образцах методом качественного и количественного электронно-зондового микроанализа на аппарате Superprob-733 (JCMA-733, фирма Jeol, Япония). Локальность анализа 1 мкм², глубина анализа 1 мкм. Рентгеновский дифракционный анализ проводили на установке ДРОН-3М с излучением трубки Fe K_α. Петлю магнитного гистерезиса измеряли на спеченных образцах постоянных магнитов сферической формы диаметром 2–3 мм с помощью вибромагнетометра. Измерения проводили при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 представлены режимы изготовления образцов, плотность и коэрцитивная сила по намагниченности (H_cI).

Таблица 1

Режимы изготовления и характеристики образцов

В результате отжига спеченных образцов постоянных магнитов увеличивается их плотность, а также величина коэрцитивной силы (табл. 1) из-за того, что происходят перераспределение межзеренной фазы/фаз по объему магнита и уменьшение количества пор. Наблюдаются также смачивание расплавом межзеренной фазы и сглаживание границ зерен основной магнитной фазы, тем самым снижается количество центров зарождения доменов обратной намагниченности. Результаты электронно-зондового микроанализа образцов после спекания представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты электронно-зондового микроанализа основных фаз

в спеченных материалах (Pr_1–xDy_x)–(Fe_1–yCo_y)–B в зависимости от содержания кобальта

Окончание табл. 2

Как видно из данных табл. 2, состав основной тетрагональной магнитной фазы А достаточно сильно отличается в центре зерна и на его границе, особенно по содержанию диспрозия. В центре зерна его содержание значительно больше. Поскольку методом электронно-зондового микроанализа содержание бора в образцах определить невозможно, на образце состава (Pr_0,82Dy_0,18)_12,14(Fe_0,85Co_0,15)_79,72B_8,14 (после термообработки при 1000 °С в течение 8 ч) проведен рентгеновский анализ с излучением Fe K_α (длина волны λ = 0,19360 нм) (рис. 1).

Рис. 1. Рентгеновский дифракционный спектр материала (Pr_0,82Dy_0,18)_12,14(Fe_0,85Co_0,15)_79,72B_8,14 после термообработки при 1000 °С в течение 8 ч

Параметры ячейки основной магнитной фазы находили по обычной методике, изложенной в работах [15, 16]. Полученные параметры элементарной ячейки находятся в хорошем соответствии с научно-техническими литературными данными [17–22]. Кривые размагничивания представлены на рис. 2.

Рис. 2. Кривые размагничивания по намагниченности 4πI (°) и по индукции B (●)
спеченных материалов составов: (Nd_0,38Dy_0,38Се_0,23)_14,5(Fe_0,72Co_0,28)_78,96B_6,54 (а), (Nd_0,45Dy_0,39Ce_0,16)_14,44(Fe_0,72Co_0,28)_79,12B_6,44 (б), (Pr_0,52Dy_0,40Ce_0,08)_14,37(Fe_0,72Co_0,28)_79,30B_6,33 (в) и (Pr_0,57Dy_0,40Ce_0,03)_14,33(Fe_0,72Co_0,28)_79,40B_6,27 (г)

Магнитные характеристики этих материалов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Магнитные характеристики измеренных спеченных материалов

Как видно из данных табл. 3, с уменьшением содержания церия величина H_cI материалов увеличивается, величина коэрцитивной силы по индукции (H_cB) практически не меняется, а величина намагниченности насыщения (4πI_S) монотонно возрастает. Уменьшается также величина индекса прямоугольности (SF) кривых размагничивания. Величина SF определяется отношением величины «поля колена», которое определяется как поле, при котором намагниченность составляет 90 % от остаточной намагниченности к величине H_cI [23, 24]. Величина SF характеризует соответствие качества материала для применения его в различных приборах. Чем больше значение SF, тем проще использовать материал в различных устройствах для создания в них максимального магнитного поля. Если величина SF мала, то необходимо это компенсировать конструкцией магнитной системы, что приводит к увеличению ее габаритов. Как правило, магнит используется в приборах, имеющих магнитную систему из материалов с минимальной коэрцитивной силой и максимальной намагниченностью (например, железо), ‒ это приборы инерциальной навигации [25, 26]. Поэтому магнитное поле, которое кольцевой магнит создает в требуемом участке этой системы, будет зависеть от ее конструкции и фактора прямоугольности магнита, поэтому такой фактор является важной характеристикой.

Заключения

Интерметаллиды на основе церия в настоящее время вызывают большой интерес как возможная альтернатива существующим высокоэффективным магнитам, содержащим дефицитные тяжелые редкоземельные элементы. Однако магнитные свойства ионов Се в этих системах трудно определяемы. Это происходит из-за сложности количественного описания эффекта Кондо, при котором электроны проводимости экранируют момент Ce-4f [27]. Например, установлено, что оболочка Ce-4f в интерметаллиде Ce–Fe частично экранирована по Кондо. Масштаб эффекта Кондо резко усиливается за счет междоузлий, подавляющих вклад Ce-4f в магнитную анизотропию [27]. Даже неэкранированные моменты Ce-4f мало что добавляют в магнитную жесткость при комнатной температуре. Для того чтобы обладать значительной одноионной магнитной анизотропией, очевидным и непременным условием является то, что 4f-электрон Ce должен быть локализован и его Кондо-экранированный магнитный момент должен быть незначителен. Надежная количественная оценка локализованного момента по сравнению с поведением тяжелых фермионов Ce-4f-электронов могла бы стать предпосылкой к успешному теоретическому поиску перспективных магнитотвердых интерметаллидов церия. Такая оценка представляет собой сложную и нерешаемую в настоящее время задачу. Некоторые качественные сведения могут быть получены из расчетов теории функционала плотности при рассмотрении Ce-4f-электронов в рамках теории блуждающих электронов. Однако формирование тяжелых фермионов в соединениях на основе церия является настоящим непертурбативным явлением многих тел, количественное описание которого требует методов, выходящих за рамки известных методик расчета. Таким образом, легирование спеченных материалов церием имеет значительное преимущество, связанное с его низкой стоимостью. Основная характеристика магнитотвердого материала – его кривая размагничивания с увеличением содержания церия только теряет свою прямоугольную форму, которая характеризуется индексом прямоугольности. Методом электронно-зондового микроанализа определены фазовый состав спеченных магнитов и его изменение с увеличением содержания церия (без изменения концентрации диспрозия и кобальта), а также фазовый состав магнитов без церия, но с предельным содержанием кобальта. Показано, что с увеличением концентрации кобальта появляются слабо анизотропные (либо с анизотропией «легкая плоскость») фазы типа (Pr, Dy)(Fe, Co)₄B; (Pr, Dy)(Fe, Co)₂B₂; (Pr, Dy)(Fe, Co)₃B₂ и (Pr, Dy)(Fe, Co)₃, которые резко уменьшают коэрцитивную силу материала по намагниченности.