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-2024-4-35-44powder-907Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsОсобенности фазовых превращений, формирования микроструктуры и магнитных свойств гистерезисного сплава на основе системы Fe–Cr–Co–Mo, легированного Sm, Zr и CuPhase transformations, microstructure formation, and magnetic properties of a hysteresis alloy based on the Fe–Cr–Co–Mo system doped with Sm, Zr, and Cuhttps://orcid.org/0000-0002-6599-5091БельтюковаМ. А.BeltyukovaM. A.

Мария Александровна Бельтюкова – аспирант кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов»

Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29

Maria A. Beltyukova – Postgraduate Student of the Department of Metal Science, Thermal and Laser Processing of Metals

29 Komsomolskiy Prosp., Perm 614990, Russia

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

Александр Аронович Шацов – д.т.н., профессор кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов»

Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29

Alexander A. Shatsov – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department “Metal science, heat and laser treatment of metals”

29 Komsomolskiy Prosp., Perm 614990, Russia

shatsov@pstu.ruПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic University RussiaRussian Federation2024280820241843544Copyright © Бельтюкова М.А., Шацов А.А., 20242024Бельтюкова М.А., Шацов А.А.Beltyukova M.A., Shatsov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/907

Разработка новых магнитотвердых материалов (МТМ) важна для удовлетворения постоянно растущих требований промышленности. Сегодня развитие энергетической, электротехнической и приборостроительной отраслей требует от производителей изделий из МТМ повышения энергоэффективности, мощности приборов при уменьшении их размеров и массы, что увеличивает интерес ученых к этим сплавам. Среди МТМ наибольшей магнитной энергией при меньших размерах и массе обладают магниты, полученные из редкоземельных элементов, таких как Sm и Nd (Nd2Fe14B, SmCo5 , Sm2Co17 ). Наилучшие характеристики надежности, прочности, коррозионной стойкости и высокую технологичность изготовления имеют сплавы на основе системы Fe–Cr–Co, что также делает их особенно востребованными среди МТМ. Создание магнита, в основе которого лежат две системы легирования Sm–Co и Fe–Cr–Co, может способствовать получению материала с уникальными свойствами, сочетающего в себе достоинства каждой из указанных систем. В работе исследован порошковый гистерезисный сплав 22Х15К4МС, легированный добавкой редкоземельного магнита марки КС25ДЦ в количестве от 1,5 до 9,0 %. Изучены микроструктура, кинетика превращений, фазовый состав и магнитные свойства разработанных сплавов. Установлено, что магнитные характеристики сплавов зависят от концентрации добавки редкоземельного магнита и режима термической обработки. Показано, что введение сплава КС25ДЦ в количестве 3 % позволяет достичь максимальных магнитных свойств легированного материала: Hc = 55,6 кА/м, Br = 1,33 Тл, (BH)max = 41 кДж/м3. Сочетание разработанного состава сплава и режима термической обработки позволяет повысить коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса (Kп ) – одной из важнейших характеристик прецизионных гистерезисных электрических двигателей.

The development of new hard magnetic materials (HMM) is crucial for meeting the ever-increasing demands of industry. Today, the advancement of energy, electrical engineering, and instrumentation sectors requires manufacturers of HMM products to enhance the energy efficiency and power of devices while reducing their size and weight, which increases scientists’ interest in these alloys. Among HMM, magnets derived from rare-earth elements such as Sm and Nd (Nd2Fe14B, SmCo5 , Sm2Co17) possess the highest magnetic energy at smaller sizes and weights. Alloys based on the Fe–Cr–Co system offer the best reliability, strength, corrosion resistance, and manufacturability, making them particularly in demand among HMM. Creating a magnet based on two alloying systems, Sm–Co and Fe–Cr–Co, may yield a material with unique properties that combine the advantages of both systems. This study investigates the powder hysteresis alloy 22Kh15K4MS (22 % Cr–15 % Ni–4 % Mo–Co–Si) doped with the rare-earth magnet KS25DTs in amounts ranging from 1.5 to 9.0 %. The microstructure, transformation kinetics, phase composition, and magnetic properties of the developed alloys were examined. It was found that the magnetic characteristics of the alloys depend on the concentration of the rare-earth magnet additive and the thermal treatment regime. It was demonstrated that the introduction of 3 % KS25DTs achieves the maximum magnetic properties of the alloy: Hc = 55.6 kA/m, Br = 1.33 Tl, (BH)max = 41 kJ/m3. The combination of the developed alloy composition and the thermal treatment regime allows for an increase in the rectangularity coefficient of the magnetic hysteresis loop (Kl) – one of the most important characteristics of precision hysteresis electric motors.

магнитотвердый материал (МТМ)порошковый сплавмагнитные свойствакоэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезисаFe–Cr–Co–MoSm–Cohard magnetic material (HMM)powder alloymagnetic propertiesrectangularity coefficient of the magnetic hysteresis loopFe–Cr–Co–MoSm–CoReferencesNakamura E., Sato K. Managing the scarcity of chemical elements. Nature materials. 2011;10(3):158–161. https://doi.org/10.1038/nmat2969Nakamura E., Sato K. Managing the scarcity of chemical elements. Nature materials. 2011;10(3):158–161. https://doi.org/10.1038/nmat2969Garganeev A.G., Padalko D.A. Application of Fe–Cr–Co hard magnetic materials as the alternative to Sm–Co and Nd–Fe–B. In: Proceedings of the 15th International Conference of Young Specialists in the Field of Micro/Nano­technologies and Electronic Devices (Novosibirsk, 30 June – 4 July 2014). IEEE. 2014. P. 392–394. https://doi.org/10.1109/EDM.2014.6882555Garganeev A.G., Padalko D.A. Application of Fe–Cr–Co hard magnetic materials as the alternative to Sm–Co and Nd–Fe–B. In: Proceedings of the 15th International Conference of Young Specialists in the Field of Micro/Nano­technologies and Electronic Devices (Novosibirsk, 30 June – 4 July 2014). IEEE. 2014. P. 392–394. https://doi.org/10.1109/EDM.2014.6882555Zhou X., Huang A., Cui B., Sutherland J.W. Techno-economic assessment of a novel SmCo permanent magnet manufacturing method. In: Proceedings of the 28th CIRP Conference on Life Cycle Engineering (India, Jaipur, 10–12 March 2021). 2021. Vol. 98(2). P. 127–132. https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.01.017Zhou X., Huang A., Cui B., Sutherland J.W. Techno-economic assessment of a novel SmCo permanent magnet manufacturing method. In: Proceedings of the 28th CIRP Conference on Life Cycle Engineering (India, Jaipur, 10–12 March 2021). 2021. Vol. 98(2). P. 127–132. https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.01.017Белозеров Е.В., Мушников Н.В., Иванова Г.В., Щеголева Н.Н., Сериков В.В., Клейнерман Н.М., Вершинин А.В., Уймин М.А. Высокопрочные магнитотвердые сплавы на основе Fe–Cr–Co с пониженным содержанием хрома и кобальта. Физика металлов и металловедение. 2012;113(4):339–346.Belozerov E.V., Mushnikov N.V., Ivanova G.V., Shchego­leva N.N., Serikov V.V., Klejnerman N.M., Vershi­nin A.V., Ujmin M.A. High-strength magnetic hard alloys based on Fe–Cr–Co with a reduced content of chromium and cobalt. Fizika metallov i metallovedenie. 2012;113(4): 339–346. (In Russ.).Gao Q. Gong M., Wang Y., Qu F., Huang J. Phase transformation and properties of Fe–Cr–Co alloys with low cobalt content. Materials Transactions. 2015;56(9):1491–1495. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2015077Gao Q. Gong M., Wang Y., Qu F., Huang J. Phase transformation and properties of Fe–Cr–Co alloys with low cobalt content. Materials Transactions. 2015;56(9):1491–1495. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2015077Алымов М. И., Анкудинов А.Б., Зеленский В.А., Миляев И.М., Юсупов В.С., Устюхин А.С. Влияние легирования и режима спекания на магнитные гистерезисные свойства Fe–Cr–Co порошкового сплава. Физика и химия обработки материалов. 2011;3:34–37.Alymov M. I., Ankudinov A.B., Zelenskii V.A., Milyaev I.M., Yusupov V.S., Ustyuhin A.S.. Influence of alloying and sintering mode on magnetic hysteresis properties of Fe–Cr–Co powder alloy. Fizika i khimiya obrabotki materialov. 2011;3:34–37. (In Russ.).Миляев И.М., Алымов М.И., Юсупов В.С., Анкудинов А.Б., Зеленский В.А., Миляев А.И. Влияние кремния и молибдена на магнитные гистерезисные свойст­ва магнитотвердого порошкового сплава 22Х15КА. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011;(4):54–57. https://powder.misis.ru/jour/issue/view/34Milyaev I.M., Alymov M.I., Yusupov V.S., Ankudinov A.B., Zelenskii V.A., Milyaev A.I. The influence of silicon and molybdenum on the magnetic hysteresis pro­perties of the magnetic hard powder alloy 22X15KA. Powder Metallurgy and Functional Coatings. 2011;(4):54–57. (In Russ.). https://powder.misis.ru/jour/issue/view/34Ustyukhin A.S., Zelenskii V.A., Milyaev I.M., Alymov M.I., Kovalev D.Y., Shustov V.S. Magnetic hysteresis properties of isotropic hard magnetic Fe–Cr–Co compositions alloyed with tungsten. Russian Metallurgy (Metally). 2023;7: 933–939. https://doi.org/10.1134/S003602952307011XUstyukhin A.S., Zelenskii V.A., Milyaev I.M., Alymov M.I., Kovalev D.Y., Shustov V.S. Magnetic hysteresis properties of isotropic hard magnetic Fe–Cr–Co compositions alloyed with tungsten. Russian Metallurgy (Metally). 2023;7: 933–939. https://doi.org/10.1134/S003602952307011XTao S., Ahmad Z., Zhang P., Zheng X., Wang F., Xu X. Enhancement of magnetic and microstructural properties in Fe–Cr–Co–Mo–V–Zr–Y permanent magnetic alloy. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019;484: 88–94. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.04.004Tao S., Ahmad Z., Zhang P., Zheng X., Wang F., Xu X. Enhancement of magnetic and microstructural properties in Fe–Cr–Co–Mo–V–Zr–Y permanent magnetic alloy. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019;484: 88–94. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.04.004Tao S., Ahmad Z., Zhang P., Zheng X., Zhang S. Effects of Sm on structural, textural and magnetic properties of Fe–28Cr–20Co–3Mo–V–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–V–2Ti hard magnetic alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2020;816:152619. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152619Ustyukhin A.S., Zelenskii V.A., Milyaev I.M., Yusupov B.S., Alymov M.I., Kovalev D.Y. The Influence of molybdenum and titanium on magnetic and mechanical properties of Fe–30Cr–16Co (Kh30K16) powder hard magnetic alloy. Steel in Translation. 2021;51(12):939–944. https://doi.org/10.3103/S0967091221120135Ustyukhin A.S., Zelenskii V.A., Milyaev I.M., Yusupov B.S., Alymov M.I., Kovalev D.Y. The Influence of molybdenum and titanium on magnetic and mechanical properties of Fe–30Cr–16Co (Kh30K16) powder hard magnetic alloy. Steel in Translation. 2021;51(12):939–944. https://doi.org/10.3103/S0967091221120135Han X.H., Sun J.B., Yu X., Wang S., Chen S.Y., Zhang Y., Cui C.X. Effects of annealing and magnetic field on the structure and magnetic properties of Fe–Cr–Co alloy-doped Sm (Co0.9Cu0.1)5 ribbons. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020;515:167308. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167308Han X.H., Sun J.B., Yu X., Wang S., Chen S.Y., Zhang Y., Cui C.X. Effects of annealing and magnetic field on the structure and magnetic properties of Fe–Cr–Co alloy-doped Sm (Co0.9Cu0.1)5 ribbons. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020;515:167308. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167308Король В.И., Ланкин И.М., Ланкин М.В. Применение постоянных магнитов в разных отраслях. Вестник молодежной науки России. 2020;5:3–13.Korol’ V. I., Lankin I. M., Lankin M. V. Application of permanent magnets in various industries. Vestnik molodyozhnoy nauki Rossii. 2020;5:3–13. (In Russ.).Larson P., Mazin I. I. Magnetic properties of SmCo5 and YCo5. Journal of Applied Physics. 2003;93(10): 6888–6890. https://doi.org/10.1063/1.1556154Larson P., Mazin I. I. Magnetic properties of SmCo5 and YCo5. Journal of Applied Physics. 2003;93(10): 6888–6890. https://doi.org/10.1063/1.1556154Tsutsui H., Kinouchi Y., Sasaki H., Shiota M., Ushita T. Studies on the Sm–Co magnet as a dental material. Journal of Dental Research. 1979;58(6):1597–1606. https://doi.org/10.1177/00220345790580060901Tsutsui H., Kinouchi Y., Sasaki H., Shiota M., Ushita T. Studies on the Sm–Co magnet as a dental material. Journal of Dental Research. 1979;58(6):1597–1606. https://doi.org/10.1177/00220345790580060901Liu J. F., Walmer M. H. Thermal stability and performance data for SmCo 2:17 high-temperature magnets on PPM focusing structures. IEEE Transactions on Electron Devices. 2005;52(5):899–902. https://doi.org/10.1109/TED.2005.845868Liu J. F., Walmer M. H. Thermal stability and performance data for SmCo 2:17 high-temperature magnets on PPM focusing structures. IEEE Transactions on Electron Devices. 2005;52(5):899–902. https://doi.org/10.1109/TED.2005.845868Haavisto M., Paju M. Temperature stability and flux losses over time in sintered Nd–Fe–B permanent magnets. IEEE Transactions on Magnetics. 2009;45(12):5277–5280. https://doi.org/10.1109/TMAG.2009.2023907Haavisto M., Paju M. Temperature stability and flux losses over time in sintered Nd–Fe–B permanent magnets. IEEE Transactions on Magnetics. 2009;45(12):5277–5280. https://doi.org/10.1109/TMAG.2009.2023907Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. Управляемый гистерезисный привод. М.: Энергоатомиздат, 1983. 128 с.Delektorskii B.A., Tarasov V.N. Controlled hysteresis electric drive. Moscow: Energoatomizdat, 1983. 128 p. (In Russ.).Никаноров В.Б., Останин С.Ю. Шмелева Г.А. Моделирование процессов перемагничивания нестабилизированных магнитно-твердых материалов. Электричество. 2002;11:28–36.Nikanorov V.B., Ostanin S.Yu., Shmeleva G.A. Modeling of magnetization reversal processes of unstabilized magnetically hard materials Elektrichestvo. 2002;11:28–36. (In Russ.).Ajia S., Asa H., Toyoda Y., Sato M., Matsuura M., Tezuka N., Sugimoto S. Development of an alternative approach for electromagnetic wave absorbers using Fe–Cr–Co alloy powders. Journal of Alloys and Compounds. 2022;903:163920. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163920Ajia S., Asa H., Toyoda Y., Sato M., Matsuura M., Tezuka N., Sugimoto S. Development of an alternative approach for electromagnetic wave absorbers using Fe–Cr–Co alloy powders. Journal of Alloys and Compounds. 2022;903:163920. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163920Бурханов Г.С., Миляев И.М., Юсупов В.С. Современное состояние и тенденции развития магнито­твёрдых материалов. Перспективные материалы. 2011;11: 208–215. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17561313Burhanov G.S., Milyaev I.M., Yusupov V.S. Current state and development trends of magnetic hard materials. Perspektivnye materialy. 2011;11:208–215. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17561313Нагайцев В.И., Сергеев С.В., Сизякин А.В. Эволюция требований к свойствам материалов постоянных магнитов для электрических машин. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2021;21(1):99–108. https://doi.org/10.14529/power210111Nagajcev V.I., Sergeev S.V., Sizyakin A.V. Evolution of requirements to the material properties of permanent magnets for electrical machines. Vestnik Yuzhno-Ural’skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Energetika. 2021; 21(1):99–108. https://doi.org/10.14529/power210111Eldosouky A., Škulj I. Recycling of SmCo5 magnets by HD process. Journal of Magnetism and Magnetic Mate­rials. 2018;454:249–253. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.01.064Eldosouky A., Škulj I. Recycling of SmCo5 magnets by HD process. Journal of Magnetism and Magnetic Mate­rials. 2018;454:249–253. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.01.064Корзников А.В., Корзникова Г.Ф., Гладковский С.В., Потекаев А.И., Дмитриев С.В. Влияние режима термообработки на структуру и физико-механические свойства магнитотвердого сплава 23Х15КТ. Известия высших учебных заведений. Физика. 2014;57(10):10–14. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22754364Korznikov A.V., Korznikova G.F., Gladkovskij S.V., Potekaev A.I., Dmitriev S.V. The effect of the heat treatment regime on the structure and physical and mechanical pro­perties of the magnetohard alloy 23X15KT. Izvestija vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika. 2014;57(10):10–14. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22754364Менушенков В.П. Структурные превращения и коэрцитивная сила в сплавах для постоянных магнитов. Часть 2. Спеченные сплавы на основе Sm–Co и Nd–Fe–B. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2007;(S1):163–178. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15196761Menushenkov V.P. Structural transformations and coercive force in permanent magnet alloys. Part 2. Sintered alloys based on Sm–Co and Nd–Fe–B. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’ (nauchno-tekhnicheskii zhurnal). 2007; (S1):163–178. (In Russ.). https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15196761

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