Самарий-кобальтовый магнит
Самарий -кобальтовый (SmCo) магнит, разновидность 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 работ, проделанных Карлом Стрнатом на базе ВВС Райт-Паттерсон и Олденом Рэем в Дейтонском университете . В частности, Стрнат и Рэй разработали первую рецептуру SmCo 5 . [1] [2]
Самарий-кобальтовые магниты по силе обычно приравниваются к неодимовым магнитам . [3] но имеют более высокие температурные характеристики и более высокую коэрцитивную силу .
Атрибуты
[ редактировать ]Некоторые характеристики самария-кобальта:
- Самарий-кобальтовые магниты чрезвычайно устойчивы к размагничиванию.
- Эти магниты обладают хорошей температурной стабильностью [(максимальная температура использования от 250 °C (523 К) до 550 °C (823 К)]; температура Кюри от 700 °C (973 К) до 800 °C (1070 К).
- Они дороги и подвержены колебаниям цен (кобальт чувствителен к рыночной цене).
- Самариево-кобальтовые магниты обладают высокой устойчивостью к коррозии и окислению, обычно не требуют покрытия и могут широко использоваться при высоких температурах и плохих условиях работы. [4]
- Они хрупкие, склонны к растрескиванию и сколам. Самарий-кобальтовые магниты имеют максимальное энергетическое произведение (BH max ) в диапазоне от 14 мегагаусс-эрстедов (МГ·Э) до 33 МГ·Э, что составляет прибл. 112 кДж/м 3 до 264 кДж/м 3 ; их теоретический предел составляет 34 МГ·Э, около 272 кДж/м. 3 .
Спеченные самарий-кобальтовые магниты обладают магнитной анизотропией , то есть намагничивать их можно только по оси их магнитной ориентации. Это достигается путем выравнивания кристаллической структуры материала в процессе изготовления.
| Недвижимость (единица) | Неодим | См-Что |
|---|---|---|
| Остаточная намагниченность (Т) | 1–1.5 | 0.8–1.16 |
| Коэрцитивность (МА/м) | 0.875–2.79 | 0.493–2.79 |
| Относительная проницаемость (–) | 1.05 | 1.05–1.1 |
| Температурный коэффициент остаточной намагниченности (%/К) | –0.09..–0.12 | −0.03..–0.05 |
| Температурный коэффициент коэрцитивной силы (%/К) | −0.40..–0.65 | −0.15..–0.30 |
| Температура Кюри (°C) | 310–370 | 700–850 |
| Плотность (г/см 3 ) | 7.3–7.7 | 8.2–8.5 |
| КТР , направление намагничивания (1/K) | (3–4)×10 −6 | (5–9)×10 −6 |
| КТР , перпендикулярно направлению намагничивания (1/K) | (1–3)×10 −6 | (10–13)×10 −6 |
| Прочность на изгиб (Н/мм 2 ) | 200–400 | 150–180 |
| Прочность на сжатие (Н/мм 2 ) | 1000–1100 | 800–1000 |
| Предел прочности (Н/мм 2 ) | 80–90 | 35–40 |
| Твердость по Виккерсу (HV) | 500–650 | 400–650 |
| Удельное электрическое сопротивление (Ом·см) | (110–170)×10 −6 | (50–90)×10 −6 |
Ряд
[ редактировать ]Самарий-кобальтовые магниты доступны в двух «сериях», а именно магниты SmCo 5 и магниты Sm 2 Co 17 . [7] [8]
Серия 1:5
[ редактировать ]Эти магнитные сплавы самария и кобальта (обычно обозначаемые как SmCo 5 или SmCo Series 1:5) содержат один атом редкоземельного самария на пять атомов кобальта. По весу этот магнитный сплав обычно содержит 36% самария и остальное - кобальта. Энергетические продукты этих самарий-кобальтовых сплавов составляют от 16 МГ·Э до 25 МГ·Э, т.е. ок. 128–200 кДж/м 3 . Эти самарий-кобальтовые магниты обычно имеют обратимый температурный коэффициент -0,05%/°C. Намагниченность насыщения может быть достигнута с помощью умеренного намагничивающего поля. Магниты этой серии легче калибровать по определенному магнитному полю, чем магниты серии SmCo 2:17.
При наличии умеренно сильного магнитного поля ненамагниченные магниты этой серии будут пытаться совместить свою ось ориентации с магнитным полем, при этом слегка намагничиваясь. Это может стать проблемой, если постобработка требует нанесения покрытия на магнит. Небольшое поле, которое улавливает магнит, может притягивать мусор во время процесса гальванопокрытия или покрытия, вызывая разрушение покрытия или механическое нарушение допуска.
B r дрейфует с температурой, и это одна из важных характеристик работы магнита. В некоторых приложениях, таких как инерциальные гироскопы и лампы бегущей волны (ЛБВ), необходимо иметь постоянное поле в широком диапазоне температур. Обратимый температурный коэффициент (RTC) B r определяется как
- (∆B r /B r ) x (1/∆T) × 100%.
Чтобы удовлетворить эти требования, в конце 1970-х годов были разработаны магниты с температурной компенсацией. Для обычных магнитов SmCo B r уменьшается с повышением температуры. И наоборот, для магнитов GdCo B r увеличивается с увеличением температуры в определенных температурных диапазонах. Объединив в сплаве самарий и гадолиний, температурный коэффициент можно снизить практически до нуля.
Магниты SmCo 5 обладают очень высокой коэрцитивной силой (коэрцитивной силой); то есть их нелегко размагнитить. Их изготавливают путем упаковки широкозернистых однодоменных магнитных порошков. Все магнитные домены ориентированы в направлении легкой оси. В этом случае все доменные стенки расположены под углом 180 градусов. Когда примесей нет, процесс реверсирования объемного магнита эквивалентен мотам с одиночными доменами, где когерентное вращение является доминирующим механизмом. Однако из-за несовершенства изготовления в магниты могут вноситься примеси, образующие зародыши. В этом случае, поскольку примеси могут иметь меньшую анизотропию или смещенные легкие оси, их направления намагничивания легче вращать, что нарушает конфигурацию доменной стенки 180 °. В таких материалах коэрцитивность контролируется зародышеобразованием. Для достижения большей принудительности контроль примесей имеет решающее значение в процессе производства.
Серия 2:17
[ редактировать ]Эти сплавы (обозначаются как Sm 2 Co 17 или SmCo Series 2:17) стареют и имеют состав: два атома редкоземельного самария на 13–17 атомов переходных металлов (ПМ). Содержание ТМ богато кобальтом, но содержит и другие элементы, такие как железо и медь. Другие элементы, такие как цирконий , гафний и т.п., могут быть добавлены в небольших количествах для достижения лучшего отклика на термообработку. По весу сплав обычно содержит 25% самария. Максимальные энергетические продукты этих сплавов составляют от 20 до 32 МГОэ, что составляет около 160-260 кДж/м. 3 . Эти сплавы имеют лучший обратимый температурный коэффициент из всех редкоземельных сплавов, обычно составляющий -0,03%/°C. Материалы «второго поколения» также можно использовать при более высоких температурах. [9]
В магнитах Sm 2 Co 17 механизм коэрцитивности основан на закреплении доменных стенок . Примеси внутри магнитов препятствуют движению доменной стенки и тем самым препятствуют процессу перемагничивания . Чтобы увеличить коэрцитивную силу, в процессе изготовления намеренно добавляются примеси.
Производство
[ редактировать ]Сплавы самария и кобальта обычно обрабатываются в ненамагниченном состоянии. Самарий-кобальт следует измельчать методом мокрого шлифования (смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе) с использованием алмазного шлифовального круга. Тот же тип процесса требуется при сверлении отверстий или других ограниченных элементов. Нельзя допускать полного высыхания образующихся отходов шлифования, поскольку самарий-кобальт имеет низкую температуру воспламенения. Небольшая искра, например, возникающая при статическом электричестве, может легко вызвать возгорание. [10] Возникающий в результате пожар может быть очень горячим, и его трудно контролировать. [ оригинальное исследование? ]
Для изготовления самарий-кобальтовых магнитов используются метод восстановления-расплава и метод восстановления-диффузии. Будет описан метод восстановления/плавления, поскольку он используется как для производства SmCo 5 , так и для производства Sm 2 Co 17 . Сырье плавится в индукционной печи, наполненной аргоном. Смесь заливают в форму и охлаждают водой до образования слитка. Слиток измельчают, а частицы измельчают для дальнейшего уменьшения размера частиц. Полученный порошок прессуют в штампе желаемой формы в магнитном поле для ориентации магнитного поля частиц. Спекание применяется при температуре 1100–1250 °С, затем обработка на раствор при 1100–1200 °С и окончательный отпуск на магните при температуре около 700–900 °С. [ нужна ссылка ] Затем его измельчают и дополнительно намагничивают для улучшения его магнитных свойств. Готовая продукция тестируется, проверяется и упаковывается. [ нужна ссылка ]
Самарий может быть заменен частью других редкоземельных элементов, включая празеодим , церий и гадолиний ; кобальт может быть заменен частью других переходных металлов, включая железо , медь и цирконий . [11]
Использование
[ редактировать ]
Fender использовал один из дизайнера Билла Лоуренса в Samarium Cobalt Noiseless для электрогитары звукоснимателей модели Fender Vintage Hot Rod '57 Stratocaster . [12] Эти звукосниматели использовались в серии American Deluxe гитарах и бас-гитарах с 2004 по начало 2010 года. [13]
В середине 1980-х годов в некоторых дорогих наушниках, таких как Ross RE-278, использовались самарий-кобальтовые преобразователи «Супермагнит».
Другие варианты использования включают:
- Высококачественные электродвигатели, используемые в более конкурентных классах гонок на игровых автоматах.
- Турбомашиностроение
- бегущей волны в виде трубки бегущей волны Магниты поля
- Приложения, требующие работы системы при криогенных или очень высоких температурах (более 180 °C).
- Приложения, в которых требуется, чтобы производительность соответствовала изменению температуры.
- Настольные ЯМР-спектрометры
- Поворотные энкодеры, выполняющие функцию магнитного привода.
См. также
[ редактировать ]- Лантаниды – трехвалентные металлические редкоземельные элементы.
- Магнитная рыбалка – поиск ферромагнитных объектов в открытых водоемах.
- Неодимовый магнит - самый сильный тип постоянного магнита из сплава неодима, железа и бора.
- Редкоземельный магнит - сильный постоянный магнит, изготовленный из сплавов редкоземельных элементов.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Дейтон вносит вклад в историю магнитных материалов» . 1998. Архивировано из оригинала 27 мая 2013 г. Проверено 10 января 2017 г.
- ^ Исследования и разработки сплавов редкоземельных переходных металлов в качестве материалов для постоянных магнитов, AD-750 746 Олден Э. Рэй и др., август 1972 г.
- ^ «Toshiba: Пресс-релиз (16 августа 2012 г.): Toshiba разрабатывает самарий-кобальтовый магнит, не содержащий диспрозия, для замены термостойкого неодимового магнита в основных приложениях» . www.toshiba.co.jp .
- ^ Устойчивость к коррозии и окислению магнита SmCo , стойкость к коррозии и окислению.
- ^ Юха Пирхёнен; Тапани Йокинен; Валерия Грабовцова (2009). Проектирование вращающихся электрических машин . Джон Уайли и сыновья. стр. 232. ISBN 978-0-470-69516-6 .
- ^ Типичные физические и химические свойства некоторых магнитных материалов , сравнение и выбор постоянных магнитов.
- ^ К. Стрнат; Г. Хоффер; Дж. Олсон; В. Остертаг; Джей Джей Беккер (1967). «Семейство новых материалов для постоянных магнитов на основе кобальта». Журнал прикладной физики . 38 (3): 1001–1002. Бибкод : 1967JAP....38.1001S . дои : 10.1063/1.1709459 .
- ^ Т. Одзима; С. Томизава; Т. Ёнеяма; Т. Хори (1977). «Магнитные свойства нового типа редкоземельных кобальтовых магнитов Sm2(Co, Cu, Fe, M)17». Транзакции IEEE по магнетизму . 13 (5): 1317. Бибкод : 1977ITM....13.1317O . дои : 10.1109/TMAG.1977.1059703 .
- ^ Нанокомпозитные ленты Sm-Co, формованные из расплава.
- ^ Cobalt HSFS , Информационный бюллетень об опасных веществах Министерства здравоохранения и обслуживания пожилых людей штата Нью-Джерси.
- ^ Спеченные магниты SmCo , Знакомство с магнитами из самария и кобальта.
- ^ "Fender Vintage Hot Rod '57 Stratocaster" . Fender Hot Rod '57 Stratocaster . Фендер. Архивировано из оригинала 9 декабря 2012 г.
- ^ Смит, Дэн. «Сердце и душа новой роскошной серии Fender American» . История бесшумных самариево-кобальтовых звукоснимателей . Фендер. Архивировано из оригинала 2 октября 2012 г. Проверено 16 августа 2012 г.