Самариево-кобальтовый магнит - Samarium–cobalt magnet

А самарий-кобальт (SmCo) магнит, вид редкоземельный магнит, это сильный постоянный магнит состоит из двух основных элементов самарий и кобальт.

Они были разработаны в начале 1960-х на основе работы, проделанной Карлом Стрнатом и Олденом Рэем в База ВВС Райт-Паттерсон и Дейтонский университет, соответственно. В частности, Стрнат и Рэй разработали первую формулировку SmCo₅.^[1]^[2]

Обычно они имеют такую же силу, что и неодимовые магниты,^[3] но имеют более высокие значения температуры и выше принуждение.

Атрибуты

Чрезвычайно устойчив к размагничиванию

Хорошая температурная стабильность (максимальная рабочая температура от 250 ° C (523 K) до 550 ° C (823 K); Температуры Кюри от 700 ° C (973 K) до 800 ° C (1070 K)

Дороговизна и подвержена колебаниям цен (кобальт чувствителен к рыночной цене)

Самарий-кобальтовые магниты обладают сильной стойкостью к коррозии и окислению, обычно не требуют покрытия, могут широко использоваться при высоких температурах и плохих рабочих условиях.^[4]

Они хрупкие, склонны к растрескиванию и сколам. Самарий-кобальтовые магниты имеют максимальные энергетические продукты (BH_{Максимум}) в диапазоне от 14 мегагаусс-эрстеды (MG · Oe) до 33 MG · э, то есть прибл. 112 кДж / м³ до 264 кДж / м³; их теоретический предел составляет 34 МГ · э, около 272 кДж / м³.

Спеченные самариево-кобальтовые магниты обладают магнитным анизотропия, что означает, что они могут быть намагничены только по оси их магнитной ориентации. Это достигается выравниванием кристаллической структуры материала в процессе производства.

Сравнение физических свойств спеченных неодимовых и Sm-Co магнитов^[5]^[6]
Свойство	Неодим	Sm-Co
Остроту (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 (% / K)	–0.09..–0.12	−0.03..–0.05
Температурный коэффициент коэрцитивной силы (% / K)	−0.40..–0.65	−0.15..–0.30
Температура Кюри (° C)	310–370	700–850
Плотность (г / см³)	7.3–7.7	8.2–8.5
CTE, направление намагничивания (1 / K)	(3–4)×10⁻⁶	(5–9)×10⁻⁶
CTE, перпендикулярно направлению намагничивания (1 / K)	(1–3)×10⁻⁶	(10–13)×10⁻⁶
Предел прочности при изгибе (Н / мм²)	200–400	150–180
Прочность на сжатие (Н / мм²)	1000–1100	800–1000
Предел прочности (Н / мм²)	80–90	35–40
Твердость по Виккерсу (ВН)	500–650	400–650
Электрические удельное сопротивление (Ом · см)	(110–170)×10⁻⁶	(50–90)×10⁻⁶

Серии

Самариево-кобальтовые магниты выпускаются двух «серий», а именно SmCo.₅ магниты и Sm₂Co₁₇ магниты.^[7]^[8]

Серии 1: 5

Эти самариево-кобальтовые магнитные сплавы (обычно обозначаемые 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 с остальным кобальтом. Энергетические продукты этих сплавов самарий-кобальт колеблются от 16 МГ · Э до 25 МГ · Э, то есть прибл. 128–200 кДж / м³. Эти самариево-кобальтовые магниты обычно имеют обратимый температурный коэффициент -0,05% / ° C. Намагничивание насыщения может быть достигнуто с помощью умеренного намагничивающего поля. Магниты этой серии легче откалибровать для определенного магнитного поля, чем магниты серии SmCo 2:17.

В присутствии умеренно сильного магнитного поля немагнитные магниты этой серии будут пытаться выровнять свою ось ориентации по отношению к магнитному полю, таким образом становясь слегка намагниченными. Это может быть проблемой, если постобработка требует, чтобы магнит был покрыт или покрыт. Слабое поле, которое улавливает магнит, может притягивать осколки во время процесса нанесения покрытия или покрытия, вызывая повреждение покрытия или механическое нарушение допуска.

B_р дрейфует с температурой, и это одна из важных характеристик магнита. В некоторых приложениях, таких как инерционные гироскопы и лампы бегущей волны (ЛБВ), требуется постоянное поле в широком диапазоне температур. Обратимый температурный коэффициент (RTC) B_р определяется как

(∆B_р/ B_р) x (1 / ∆T) × 100%.

Чтобы удовлетворить эти требования, в конце 1970-х годов были разработаны магниты с температурной компенсацией. Для обычных магнитов SmCo, B_р уменьшается при повышении температуры. И наоборот, для магнитов GdCo, B_р увеличивается при повышении температуры в определенных диапазонах температур. Комбинируя в сплаве самарий и гадолиний, температурный коэффициент можно снизить почти до нуля.

SmCo₅ магниты имеют очень высокий принуждение (коэрцитивная сила); то есть их нелегко размагнитить. Их изготавливают путем упаковки широкозернистых однодоменных магнитных порошков. Все магнитные домены совмещены с направлением легкой оси. В этом случае все доменные стенки повернуты на 180 градусов. Когда нет примесей, процесс разворота объемного магнита эквивалентен одиночным частям домена, где когерентное вращение является доминирующим механизмом. Однако из-за несовершенства изготовления в магниты могут попадать примеси, образующие зародыши. В этом случае, поскольку примеси могут иметь более низкую анизотропию или смещенные легкие оси, их направления намагниченности легче вращать, что нарушает конфигурацию 180-градусной доменной стенки. В таких материалах коэрцитивная сила контролируется зародышеобразованием. Для получения большой коэрцитивной силы контроль примесей имеет решающее значение в процессе изготовления.

Серии 2:17

Эти сплавы (обозначаемые как Sm₂Co₁₇, или SmCo Series 2:17) состоят из двух атомов редкоземельного самария на 13–17 атомов переходных металлов (TM). ТМ богат кобальтом, но содержит другие элементы, такие как железо и медь. Другие элементы, такие как цирконий, гафний, и они 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 MGOe, что составляет около 160-260 кДж / м3.³. 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 см₂Co₁₇ магнитов механизм коэрцитивности основан на закрепление доменной стенки. Примеси внутри магнитов препятствуют движению доменной стенки и тем самым препятствуют перемагничивание процесс. Для увеличения коэрцитивной силы в процессе изготовления намеренно добавляются примеси.

Производство

Сплавы обычно обрабатываются в немагнитном состоянии. Самарий-кобальт следует шлифовать методом мокрого шлифования (охлаждающие жидкости на водной основе) и алмазным шлифовальным кругом. Такой же процесс требуется при сверлении отверстий или других замкнутых элементов. Образовавшиеся отходы измельчения не должны полностью высыхать, поскольку самарий-кобальт имеет низкую температуру воспламенения. Небольшая искра, например, вызванная статическим электричеством, может легко начать горение.^[10] Возникающий в результате огонь может быть очень горячим, и его трудно контролировать.^{[оригинальное исследование? ]}

Метод восстановления / плавления и метод восстановления / диффузии используются для производства самариево-кобальтовых магнитов. Будет описан метод восстановления / плавления, поскольку он используется как для SmCo₅ и Sm₂Co₁₇ производство. Сырье плавится в индукционной печи, заполненной газом аргоном. Смесь выливают в изложницу и охлаждают водой, чтобы сформировать слиток. Слиток измельчается, и частицы дополнительно измельчаются для дальнейшего уменьшения размера частиц. Полученный порошок прессуют в пресс-форме желаемой формы в магнитном поле для ориентации магнитного поля частиц. Спекание применяется при температуре 1100–1250 ° C, после чего следует обработка на твердый раствор при температуре 1100–1200 ° C и, наконец, отпуск магнита при температуре около 700–900 ° C.^{[нужна цитата ]} Затем он измельчается и дополнительно намагничивается для увеличения его магнитных свойств. Готовая продукция проходит испытания, инспекцию и упаковку.^{[нужна цитата ]}

Самарий можно заменить на часть другого редкоземельные элементы включая празеодим, церий и гадолиний, и кобальт частью других переходные металлы включая утюг, медь и цирконий.^[11]

Использует

Винтажные наушники 1980-х годов с использованием магнитов Samarium Cobalt

Крыло использовал один из дизайнеров Билл Лоуренс с Самарий Кобальт Бесшумный серия электрогитары пикапы в винтажном хот-роде Fender '57 Stratocaster.^[12] Эти пикапы использовались в American Deluxe Series Гитары и Басы с 2004 г. до начала 2010 г.^[13]

В середине 80-х в некоторых дорогих наушниках, таких как Ross RE-278, использовались датчики Samarium Cobalt «Super Magnet».

Другие варианты использования включают:

Высококачественные электродвигатели, используемые в более конкурентоспособных классах в гонки на игровых автоматах
Турбомашинное оборудование
Лампа бегущей волны полевые магниты
Приложения, которые потребуют, чтобы система работала на криогенный температуры или очень высокие температуры (более 180 ° C)
Приложения, в которых требуется, чтобы производительность соответствовала изменению температуры
Настольные ЯМР-спектрометры
Датчики вращения, где он выполняет функцию магнитного привода.