powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2023-1-12-20powder-763Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsПрогнозирование концентрационной неоднородности порошковых магнитотвердых сплавов на основе системы Fe-Cr-Co-Mo и влияние добавок Sm на их магнитные свойстваPrediction of the concentration inhomogeneity of powder magnetic hard alloys based on the Fe-Cr-Co-Mo system and the effect of Sm additions on their magnetic propertieshttps://orcid.org/0000-0002-6599-5091МариеваМ. А.MarievaM. A.

Мария АлексанДровна Мариева - аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов».

614990, Пермь, Комсомольский пр-т, 29

Marya A. Marieva - Postgraduate Student of the Department of metal science, thermal and laser processing of metals.

29 Komsomolskiy Prosp., Perm 614990

marievamar@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2723-964XШацовА. А.ShatsovA. A.

Александр Аронович Шацов - доктор технических наук., профессор кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов».

614990, Пермь, Комсомольский пр-т, 29

Alexandr A. Shatsov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of metal science, thermal and laser processing of metals.

29 Komsomolskiy Prosp., Perm 614990

shatsov@pstu.ruПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation2023140320231711220Copyright © НИТУ "МИСИС", 20232023НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/763

Гистерезисные сплавы на основе системы Fe-Cr-Co широко применяют в приборостроении в качестве материала для синхронных двигателей навигационных систем, в электронной промышленности и других областях машиностроения. К сплавам Fe-Cr-Co предъявляется ряд требований: температурная стабильность магнитных характеристик во времени, технологичность изготовления, низкая пористость и концентрационная неоднородность, - позволяющих добиваться сочетания высоких магнитных и механических свойств. Материалы на основе традиционных систем легирования, такие как Fe-Cr-Co, исчерпывают себя. Актуальным направлением при разработке новых материалов и повышении свойств существующих является легирование редкоземельными металлами. Эффект, производимый добавкой Sm на порошковые аналоги системы Fe-Cr-Co, остается неизученным. В работе исследован магнитотвердый порошковый сплав 22Х15К4МС, легированный самарием в количестве 0,5 мас. %. Заготовки получены методом холодного прессования при давлении 600 МПа и последующим спеканием в вакууме. Определена концентрационная неоднородность Cr, Co, Mo, Sm после 12 различных режимов спекания. Построена модель диффузионной гомогенизации гребневых сплавов, позволяющая численно оценивать влияние режимов спекания на концентрационную неоднородность. Распределения хрома, кобальта и молибдена соответствуют асимптотически логарифмически нормальному закону, самарий распределен в структуре неравномерно. Показано влияние добавок самария на магнитные характеристики сплава. Легирование сплава 22Х15К4МС самарием в количестве 0,5 мас. %. позволяет получать порошковые гистерезисные магниты с коэрцитивной силой 3,9-33,0 кА/м и остаточной магнитной индукцией 0,44-0,95 Тл.

Hysteresis alloys based on Fe-Cr-Co system are extensively used in the instrument-making industry as a material for synchronous motors of navigation systems, in the electronic industry, and other mechanical engineering fields. The following requirements are imposed on Fe-Cr-Co alloys: temperature stability of magnetic characteristics over time, manufacturability, low porosity and concentration inhomogeneity, which allow to obtain high-quality magnetic and mechanical properties. Materials based on conventional alloying systems, such as Fe-Cr-Co, have outlived themselves. An urgent line of the development of new materials and improvement of the properties of existing ones is alloying with rare-earth metals. The effect produced by Sm addition on powder analogs of Fe-Cr-Co system remains unstudied. In this paper, 22Kh15K4MS powder magnetic hard alloy alloyed with samarium in an amount of 0.5 wt. % was studied. The billets were obtained by cold pressing at a pressure of 600 MPa followed by vacuum sintering. The concentration inhomogeneity of Cr, Co, Mo, Sm was determined after 12 different sintering modes. A model of diffusion homogenization of ridge alloys, which allows to numerically evaluate the effect of sintering modes on the concentration inhomogeneity, was plotted. The distributions of chromium, cobalt, and molybdenum correspond to the asymptotically logarithmically normal law. Samarium is unevenly distributed in the structure. The effect of samarium additions on the magnetic properties of the alloy has been demonstrated. The alloying of 22Kh15K4MS alloy with 0.5 wt. % of samarium allows to obtain powder hysteresis magnets with a coercive force in the range from 3.9 to 33.0 kA/m and a residual magnetic induction from 0.44 to 0.95 T.

магнитотвердый сплавпорошковый сплавмагнитные свойстваконцентрационная неоднородностьдиффузиякоэффициент вариации концентрацииFe-Cr-Co-Mohard magnetic alloypowder alloymagnetic propertiesconcentration inhomogeneitydiffusionconcentration variation coefficientFe- Cr-Co-MoReferencesАнциферов В.Н., Беклемышев А.М., Гилев В.Г., Порозова С.Е., Швейкин Г.П. Проблемы порошкового материаловедения. Часть 2: Высокопористые проницаемые материалы. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 261 с.Анциферов В.Н., Беклемышев А.М., Гилев В.Г., Порозова С.Е., Швейкин Г.П. Проблемы порошкового материаловедения. Часть 2: Высокопористые проницаемые материалы. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 261 с.Yamashita M., Fujimura S. Sintered Fe-Cr-Co type magnetic alloy and method for producing article made thereof: Pat. 4601876 (USA). 1986.Yamashita M., Fujimura S. Sintered Fe-Cr-Co type magnetic alloy and method for producing article made thereof: Pat. 4601876 (USA). 1986.Ternero F., Rosa L.G., Urban P., Montes J.M., Cuevas F.G. Influence of the total porosity on the properties of sintered materials - A review. Metals. 2021;11(5):730. https://doi.org/10.3390/met11050730Ternero F., Rosa L.G., Urban P., Montes J.M., Cuevas F.G. Influence of the total porosity on the properties of sintered materials - A review. Metals. 2021;11(5):730. https://doi.org/10.3390/met11050730Bocchini G.F. The influences of porosity on the characteristics of sintered materials. International Journal of Powder Metallurgy (Princeton, New Jersey). 1986;07: 185-186, 188. https://doi.org/10.4271/860148Bocchini G.F. The influences of porosity on the characteristics of sintered materials. International Journal of Powder Metallurgy (Princeton, New Jersey). 1986;07: 185-186, 188. https://doi.org/10.4271/860148Устюхин А.С., Алымов М.И., Миляев И.М. Магнитные гистерезисные свойства Fe-26Cr-16Co порошковых магнитотвердых сплавов. Письма о материалах. 2014;4(1):59-61. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2014-1-59-61Ustyuhin A.S., Alymov M.I., Milyaev I.M. Magnetic hysteresis properties of Fe-26Cr-16Co hard magnetic alloys. Letters on Materials. 2014;4(1):59-61. (In Russ.). https://doi.org/10.22226/2410-3535-2014-1-59-61Zhang B. Calculation of self-diffusion coefficients in iron. AIP Advances. 2014;4(1):017128. https://doi.org/10.1063/1.4863462Zhang B. Calculation of self-diffusion coefficients in iron. AIP Advances. 2014;4(1):017128. https://doi.org/10.1063/1.4863462Xiao Y.Z., Ji-Hua Z., Yuan W., Xu-Sheng Y., Turab L., Hong-Hui W. Machine learning assisted design of FeCoNiCrMn high-entropy alloys with ultra-low hydrogen diffusion coefficients. Acta Materialia. 2022; 224:117535. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117535Xiao Y.Z., Ji-Hua Z., Yuan W., Xu-Sheng Y., Turab L., Hong-Hui W. Machine learning assisted design of FeCoNiCrMn high-entropy alloys with ultra-low hydrogen diffusion coefficients. Acta Materialia. 2022; 224:117535. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117535Serin B., Ellickson R.T. Determination of diffusion coefficients. Journal of Chemical Physics. 1941;(9):742-747.Serin B., Ellickson R.T. Determination of diffusion coefficients. Journal of Chemical Physics. 1941;(9):742-747.Balogh J., Kemeny T., Vincze I., Bujdoso L., Toth L., Vincze G. Amorphous alloy formation by mechanical alloying and consecutive heat treatment in Fe50B50 powder mixture. Journal of Applied Physics. 1995;77(10): 4997-5003. https://doi.org/10.1063/1.359522Balogh J., Kemeny T., Vincze I., Bujdoso L., Toth L., Vincze G. Amorphous alloy formation by mechanical alloying and consecutive heat treatment in Fe50B50 powder mixture. Journal of Applied Physics. 1995;77(10): 4997-5003. https://doi.org/10.1063/1.359522Ivasishin O.M., Eylon D., Bondarchuk V.I., Savvakin D.G. Diffusion during powder metallurgy synthesis of titanium alloys. Defect and Diffusion Forum. 2008;277:177-185. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.277.177Ivasishin O.M., Eylon D., Bondarchuk V.I., Savvakin D.G. Diffusion during powder metallurgy synthesis of titanium alloys. Defect and Diffusion Forum. 2008;277:177-185. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.277.177Dash A., Paul A. Body diagonal diffusion couple method for estimation of tracer diffusion coefficients in a multi-principal element alloy. https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.06550 (accessed: 25.11.2022).Dash A., Paul A. Body diagonal diffusion couple method for estimation of tracer diffusion coefficients in a multi-principal element alloy. https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.06550 (accessed: 25.11.2022).Purdy G.R., Kirkaldy J.S. Homogenization by diffusion. Metallurgical Transactions. 1971;2(2):371-378. https://doi.org/10.1007/BF02663324Purdy G.R., Kirkaldy J.S. Homogenization by diffusion. Metallurgical Transactions. 1971;2(2):371-378. https://doi.org/10.1007/BF02663324Анциферов В.Н., Пещеренко С.Н., Курилов П.Г. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых материалах. М.: Металлургия, 1988. 152 с.Анциферов В.Н., Пещеренко С.Н., Курилов П.Г. Взаимная диффузия и гомогенизация в порошковых материалах. М.: Металлургия, 1988. 152 с.Буланов В.Я., Крашанинин В.А., Оглезнева С.А. Моделирование гомогенизации бинарных порошковых сплавов. Конструкции из композиционных материалов. 2006;(4):181-187.Bulanov V.Ya., Krashaninin V.A., Oglezneva S.A. Modeling of homogenization of binary powder alloys. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. 2006;(4): 181-187. (In Russ.).Engquist B., Souganidis P.E. Asymptotic and numerical homogenization. Acta Numerica. 2008;(17):147-190. https://doi.org/10.1017/S0962492906360011Engquist B., Souganidis P.E. Asymptotic and numerical homogenization. Acta Numerica. 2008;(17):147-190. https://doi.org/10.1017/S0962492906360011Ряпосов И.В., Клейнер Л.М., Шацов А.А. Концентрационно-неоднородные прецизионные магнитномягкие сплавы на основе системы Fe-Si-Al. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2011;13(3):92-102.Ryaposov I.V., Kleiner L.M., Shatsov A.A. Concentrationprecision non-uniform soft-magnetic alloys based on the system Fe-Si-Al. Vestnik Permskogo natsional'nogo issle-dovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashi no-stroenie, materialovedenie. 2011;13(3):92-102. (In Russ.).Ormerod J. Powder metallurgy of rare earth permanent magnets. The International Journal of Powder Metallurgy. 1989;25(3):197-205.Ormerod J. Powder metallurgy of rare earth permanent magnets. The International Journal of Powder Metallurgy. 1989;25(3):197-205.Tao S., Ahmad Z., Zhang P., Zheng X., Zhang S. Effects of Sm on structural, textural and magnetic properties of Fe-28Cr-20Co-3Mo-2V-2Ti hard magnetic alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2020;816:152619. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152619Tao S., Ahmad Z., Zhang P., Zheng X., Zhang S. Effects of Sm on structural, textural and magnetic properties of Fe-28Cr-20Co-3Mo-2V-2Ti hard magnetic alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2020;816:152619. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152619Устюхин А.С., Алымов М.И., Ашмарин А.А., Миляев И.М., Зеленский В.А. Анкудинов А.Б. Исследование фазового состава порошковых магнитотвердых сплавов Fe-30Cr-(8-24)Co, спеченных при различных температурных режимах. Доклады Академии наук. 2018;483(2):172-176. https://doi.org/10.31857/S086956520003475-5Ustyukhin A., Alymov M., Ashmarin A., Milyaev I., Zelenskii V., Ankudinov A. The phase composition of powder hard magnetic Fe-30Cr-(8-24)Co alloys sintered under different temperature conditions. Doklady Akademii Nauk. 2018;482(2):172-176. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S086956520003475-5Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. 319 с.Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. 319 с.Блантер М.Е. Теория термической обработки. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1984. 328 с.Блантер М.Е. Теория термической обработки. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1984. 328 с.Павлинов Л.В. Диффузия в двойных и многокомпонентных сплавах на основе железа в области а- и Y-твердых растворов. Обнинск: Физико-энергетический институт, 1976. 38 c.Павлинов Л.В. Диффузия в двойных и многокомпонентных сплавах на основе железа в области а- и Y-твердых растворов. Обнинск: Физико-энергетический институт, 1976. 38 c.Устюхин А.С., Анкудинов А.Б., Зеленский В.А. Миляев И.М., Алымов М.И. Эффект повышения магнитных свойств при горячей прокатке спеченного порошкового сплава системы Fe-Cr-Co. Доклады Академии наук. 2017;476(6):656-659. https://doi.org/10.7868/S0869565217300120Ustyukhin A.S., Ankudinov A.B., Zelenskii V.A., Mi-lyaev I.M., Alymov M.I. Improvement of magnetic properties by hot rolling of sintered powder alloy in the Fe-Cr-Co system. Doklady Physical Chemistry. 2017;476(2):193-196. https://doi.org/10.1134/S0012501617100074Мариева М.А., Шацов А.А. Управление гистерезисными свойствами в порошковых сплавах на основе системы Fe-Cr-Co. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021;15(3):14-21. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-3-14-21Marieva M.A., Shatsov A.A. Control of hysteretic properties in powder alloys based on the Fe-Cr-Co system. Powder Metallurgy and Functional Coatings. 2021; 15(3):14-21. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-3-14-21Мариева М.А., Козвонин В.А., Шацов А.А. Повышение прямоугольности петли магнитного гистерезиса магнитотвердого сплава на основе системы Fe-Cr-Co за счет легирования Sm. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2021;23(3):39-46.Marieva M.A., Kozvonin V.A., Shatsov A.A. Increasing the rectangularity of the loop of magnetic hysteresis of magnetic hysteresis based on the Fe-Cr-Co system due to the alloying Sm. Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science. 2021;23(3):39-46. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.