Введение

В настоящее время наиболее перспективным типом гироскопа является роторный вибрационный динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) – отличительная особенность его конструкции заключается в наличии упругого соединения вращающегося ротора и вала, работоспособность которого обеспечивает электродвигатель, его торсионы создают дополнительную степень свободы для вращения относительно оси. Основные преимущества ДНГ – небольшие размеры, низкая погрешность измерений, а также сравнительно невысокая стоимость производства. Инерциальным называется пространство с тремя взаимно ортогональными осями координат, жестко связанное с неподвижными звездами. Планета Земля не является инерциальным пространством, так как она вращается относительно неподвижных звезд с угловой скоростью 15 градусов в час [1]. Главное свойство инерциальной системы отсчета – в этой системе выполняются законы Ньютона, т. е. любое свободное тело двигается прямолинейно и равномерно либо покоится. Гироскоп применяется для измерения абсолютного углового отклонения двигающегося тела [2, 3]. Размерность угловой скорости: 1 градус в час = 1 угловая минута в минуту = 1 угловая секунда в секунду. Динамически настраиваемый гироскоп применяется в качестве чувствительного элемента в индикаторных гиростабилизаторах и бесплатформенных инерциальных навигационных системах [3] и обладает следующими достоинствами: небольшими габаритными размерами и массовыми характеристиками, относительно невысокой стоимостью, высокими надежностью и точностью. В последнее время для создания таких малогабаритных систем используются ДНГ массой до 0,1 кг [4]. В соответствии с требованиями эти приборы должны иметь диапазон измерений до 200 градусов/с и случайное отклонение оси порядка 0,01–0,1 градусов/ч [4]. С увеличением массива целей, преследуемых искусственными спутниками Земли, значительно повышаются значения величин, характеризующих их точность позиционирования, соответственно, возрастают требования и к самим навигационным системам. В качестве примера можно отметить, что таким требованиям к точному позиционированию должны соответствовать аппараты преимущественно космической отрасли приборостроения, неизменной особенностью которых является наличие оптических приборов, а также навигационных систем, функционирующих в аналогичной безвоздушной атмосфере. Важным показателем для приборов навигации искусственных спутников Земли является степень воспроизводимости результатов в гироскопах, являющихся чувствительными элементами всего агрегата [5]. По отношению точности к стоимости, а также массогабаритным параметрам, ДНГ можно отнести к одним из наиболее производительных типов приборов, исходя из результатов различных исследований. С течением времени в конструкцию ДНГ было внесено множество изменений (модификаций), в связи с этим были достигнуты новые показатели эффективности их работы. Количество оборотов ротора современного ДНГ достигает 30000 об/мин и может доходить до 60000 об/мин [6]. Неконтактные гироскопы имеют сверхвысокую точность, так как с их помощью удалось достичь значений 10^–6–5∙10^–4 градусов/ч [1]. Частота вращения ротора двигателя гироскопа составила 500 Гц, а точнее 500 градусов/с. В работе [4] авторами установлено, что скорость, с которой вращается ротор ДНГ-091 составляет 30000 об/мин или 500 об/с. Масса такого гироскопа 125 г, габаритные размеры Ø32×37 мм, диапазон измеряемых угловых скоростей 10 градусов/с, ресурс 140 тыс. ч, время готовности 8 с [4].

Основным функциональным элементом – как в ДНГ, так и в акселерометрах – является магнитный элемент, к которому ввиду его высокой ответственности выдвигаются определенные требования – в первую очередь температурная и временна́я стабильность его остаточной индукции (B_R) при максимально возможной ее величине. Второе требование – это возможность серийного изготовления и доступность технологического обеспечения кольцевых магнитов с радиальной текстурой (КМРТ). Это, пожалуй, самый сложный для изготовления тип магнитов. В КМРТ неизбежно будут присутствовать растягивающие (в случае материалов на основе системы Sm–Co) либо сжимающие (в случае материалов на основе неодима или празеодима) напряжения. Причем растягивающие напряжения превышают предел прочности материала при разрыве. Именно по этой причине в настоящее время считается невозможным изготовление «цельных» КМРТ из материалов системы Sm–Co [4, 5].

Их изготавливают только из отдельных сегментов, которые вырезают из магнитов в форме призм. Очевидно, что в результате это приводит к неоднородному распределению магнитного поля на поверхности КМРТ, что резко снижает точность гироскопа данного типа [7, 8].

Формирование опережающего научно-технического задела и реализация итоговой технической системы, основным функциональным элементом которой в данном случае является спеченный магнит, допустимы не в последнюю очередь благодаря неразрывно связанным между собой фундаментальным и поисковым исследованиям [9]. Именно поэтому в данной статье рассмотрена возможность применения самых популярных на рынке и наиболее подходящих для изготовления постоянных магнитов ДНГ материалов, а также приведены их свойства.

Материалы и методы

Выплавку слитков на основе различных металлов, включая празеодим (ПрМ-1), неодим (НМ-1), диспрозий (ДиМ-1), тербий, самарий, церий и кобальт (К0), а также железо (АРМКО тип 1), производили в вакуумной индукционной печи ВИАМ-2002. На поверхность набивного тигля наносили жаростойкое покрытие из инертной керамики на основе оксида циркония, предварительно стабилизированного оксидом иттрия. Бор вводится в плавку посредством сплава железа и бора. Сплавы получали с использованием аргона в качестве защитной атмосферы (ГОСТ 10157–79) в камере вакуумной индукционной печи. Дробление слитка до порошка фракцией не более 630 мкм проводили в инертной среде ‒ в атмосфере аргона. Для тонкого помола применяли мельницу центробежно-планетарного типа модели САНД-1 длительностью 25 мин. Для предотвращения окисления использовали жидкость для помола с формулой C₂F₃Cl₃ и температурой кипения 47,5 °С. Преимущества этой жидкости заключаются в том, что она совершенно не смешивается с водой, т. е. предохраняет порошок от окисления. Заготовки магнитов призматической формы получены путем их прессования в перпендикулярном направлении в поле с интенсивностью 800 кА/м. Жидкофазное спекание заготовок магнитов проводили в вакуумной электропечи ВЕГА-1 при температурах 1100–1130 °С в течение 60 мин в вакууме (10^–5 мм рт. ст.). На некоторых образцах после спекания проводили термическую обработку в вакууме 10^–5 мм рт. ст. при температуре 1000 °С и длительности 1 ч с последующей выдержкой при температуре 530 °С в течение 2 ч соответственно. На некоторых образцах эти режимы термообработки проводили последовательно. Из спеченных заготовок изготавливали образцы сферической формы размером 2–3 мм. Плотность измеряемых образцов определяли с помощью взвешивания в дистиллированной воде и на воздухе [7]. Исследование локального состава фаз проводили методом качественного и количественного микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) с применением энергодисперсионного анализатора. Локальность анализа составляет 1 мкм², глубина анализа 1 мкм [8]. Измерения магнитных параметров образцов магнитов производили при испытании на вибрационном магнитометре типа «Меридиан» в полях с интенсивностью до 1600 кА/м при температуре 20±5 °С. При намагничивании образцов ориентировка их текстуры должна сохранять параллельность относительно магнитного поля вибрационного магнитометра, пронизанного внешним магнитным полем. В научно-технических литературных источниках [10–14] более подробно описаны математические формулы, при применении которых становится возможным определение размагничивающего фактора для моделей магнитов, выполненных не только в форме сферы, но и в любой необходимой форме. Работы выполнены с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 и 2 представлены результаты МРСА спеченных материалов (Nd_0,61‒xDy_0,39Sm_x)_17,5(Fe_0,72Co_0,28)_76,3B_6,2 (x = 0,01–0,12) и (Nd_0,73‒xDy_0,27Sm_x)_15,5(Fe_0,83Co_0,17)_76,3B_6,5 (x = 0,01–0,06).

Таблица 1

Состав фаз спеченного материала (Nd_0,61‒xDy_0,39Sm_x)_17,5(Fe_0,72Co_0,28)_76,3B_6,2

Таблица 2

Состав фаз спеченного материала (Nd_0,73‒xDy_0,27Sm_x)_15,5(Fe_0,83Co_0,17)_76,3B_6,5

Кривые размагничивания по намагниченности и по индукции некоторых материалов, исследованные при температуре 20±5 °С, представлены на рисунке.

Данные по изготовлению и измерению представленных материалов, в том числе и после различных режимов термической обработки, приведены в табл. 3.

Кривые размагничивания по намагниченности 4πI (1) и по индукции В (2) спеченных материалов: (Pr_0,53Dy_0,47)_13,28(Fe_0,77Co_0,23)_78,86B_7,86 (а), (Nd_0,28Pr_0,27Dy_0,25Tb_0,04Sm_0,02Се_0,14)_14,72(Fe_0,79Co_0,21)_79,10B_6,18 (б) и (Nd_0,54Dy_0,37Tb_0,02Sm_0,07)_17,33(Fe_0,72Co_0,28)_76,48B_6,19 (в)

Эти материалы отличаются друг от друга в основном процентным содержанием кобальта. По данным, приведенным в табл. 1, можно сделать вывод о том, что в материале после спекания помимо основной магнитной фазы R₂F₁₄B (F: Fe + Co, R – металлы и редкоземельные металлы (РЗМ)) присутствуют и другие фазовые составы. Фаза RF₂B₂ имеет тетрагональную решетку и существует при полном замещении железа на кобальт [14, 15]. При переходе от «легких» к «тяжелым» РЗМ параметры решетки этой фазы уменьшаются [16]. Температура магнитного упорядочения (в данном случае температура Нееля) низкая. Так, для соединения TbCo₂B₂ она равна 19 К [15]. По данным научно-технических литературных источников [17, 18], присутствие фазы RF₄B, которая, имея структуру типа CeCo₄B, существует для всех R за исключением европия и иттербия, когда железо замещено кобальтом (табл. 1). Температура Кюри при этом имеет значение ~700 К [18]. Кристаллическая решетка гексагональная и в подавляющем большинстве исследований находится в кристаллографической анизотропии типа «легкая» плоскость [19]. Рассмотрим фазу RF₃B₂, представленную в табл. 1. Это соединение имеет достаточно низкую температуру Кюри, которая составляет ~140 К [20]. Данный факт не влияет на характеристики магнитов, применяемых в наземных и воздушных приборах из-за их парамагнетизма. Анализируя данные табл. 1, авторами данной работы сделан вывод, что в материале присутствует фаза RF₃ – соединение, по данным источника [21], представляющее собой в кристаллографическом объеме структуру ромбоэдра. Температура Кюри соединения ThFe₃ равна 428 К [22], следовательно, такого же порядка эта величина и у соединения RFe₃. В табл. 2, кроме рассмотренных фаз, присутствует фаза Лавеса RF₂, имеющая состав (Nd_0,74Dy_0,20Sm_0,06)(Fe_0,61Co_0,59)₂, несколько меняющийся в зависимости от содержания кобальта. В работе [23] исследовано соединение Nd_xGd_1‒xCo₂. Проверено, что при замене неодима на гадолиний температура Кюри увеличивается со 113 до 416 К. По-видимому, это относится к любому «тяжелому» РЗМ – например, диспрозию. В работе [24] показано, что фаза Лавеса растворяет в себе бор. При этом с увеличением содержания бора температура Кюри увеличивается. Так, в соединении Tb_0,70Pr_0,30(Fe_1‒xB_x)₂ она увеличивается с 665 (х = 0) до 680 К, когда х = 0,3 [24]. Элементарная ячейка фазы Лавеса представлена в виде кубической симметрии С15 (пространственная группа Fd3m-O7h) и содержит восемь формульных единиц [25]. В процессе анализа данных табл. 3 (строки 6–8) становится очевидным, что с повышением процентного содержания самария (диспрозий при этом не претерпевает изменения процентного содержания) значения коэрцитивной силы по намагниченности (H_ci) и по индукции (H_сB) уменьшаются (хотя и не монотонно). Осуществить это за счет уменьшения температуры спекания вряд ли возможно, поскольку плотность металла практически не меняется. Уменьшаются также значения намагниченности насыщения (4πI_S) и остаточной индукции (B_R). Величина прямоугольности кривой размагничивания (SF) практически не изменяется. Легирование церием (строки 3–5 в табл. 3), наоборот, приводит к увеличению величины H_ci, а значение 4πI_S уменьшается; возрастает также величина B_R. При исследовании данных табл. 3 (строки 1–2) становится очевидным, что спеченные образцы, не содержащие неодима, имеют более высокие значения величин H_ci, H_сB, H_к, но более низкие значения SF. Так называемое поле «колена» (H_к) – это такое поле, при котором намагниченность составляет 90 % от остаточной намагниченности [26].

Следует обратить внимание, что при увеличении продолжительности помола до 35 мин возрастают величина прямоугольности кривой размагничивания (табл. 3, строки 6–8) и плотность материала, но значительно уменьшается коэрцитивная сила. Как видно из данных табл. 3, увеличение продолжительности помола до 35 мин привело к уменьшению магнитных характеристик. В работе [27] показано, что для магнитов NdFeB (и вообще РЗМ-магнитов) существует оптимальная продолжительность помола, увеличение которой приводит к ухудшению их характеристик (в основном из-за окисления порошка в процессе помола). Как видно из данных табл. 3, термическая обработка также не оказывает положительного влияния на свойства образцов. Следует обратить внимание на то, что свойства материалов на основе празеодима выше, чем на основе неодима (табл. 3). Отличие этих магнитов в том, что, по данным работы [27], скорость взаимной диффузии в материалах на основе неодима выше, чем в материалах, большую часть которых составляет другой РЗМ-металл – празеодим. В рамках исследований следует также обратить внимание на легирование сплавов самарием (табл. 3, строки 6–8), который не оказывает положительного влияния на магнитные свойства из-за особенностей строения его иона (в основном поле анизотропии и его ориентация) [28–31].

Заключения

Установлено, что примесь самария отрицательно влияет на магнитные свойства материалов, а наиболее эффективными являются материалы на основе празеодима (без примеси неодима).

Показано, что применение термической обработки не оказывает значительного положительного влияния на магнитные свойства.