Введение

Гироскопы имеют решающее значение для современных систем навигации, предоставляя высокоточную информацию об ориентации и угловых скоростях объектов. Эти устройства, основанные на принципах физики и механики, позволяют не только стабилизировать различные платформы, но и определить их положение относительно заданных координат. 

Одним из примеров таких устройств является динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ). Он представляет собой механический прибор с электромагнитными машинами и датчиками зазора, предназначенный для измерения угловых скоростей, а точнее, абсолютного отклонения объекта от некоторой заданной траектории [1]. Конструкционно его можно отнести к классу гироскопов с внутренним упругим вращающимся кардановым подвесом или торсионом [2]. В течение короткого периода, начиная с момента вращения в инерциальном пространстве, принцип его работы остается схожим с механизмом действия свободного гироскопа. Причем сигналы, получаемые от датчиков угла, пропорциональны малым углам поворота основания, на котором данный прибор размещен. В таком режиме ДНГ может применяться в качестве чувствительного элемента индикаторного гиростабилизатора или в бесплатформенной инерциальной навигационной системе [3]. К достоинствам ДНГ относятся малые габаритные размеры и масса, относительно невысокая стоимость, надежность и стабильность показаний, хорошая точность [2].

Компактность, достигнутая за счет оригинального упругого подвеса, позволяет создавать малогабаритные гироскопические измерители вектора угловой скорости, соизмеримые с диаметром гироскопического маховика, и использовать их в некоторых системах космических аппаратов, например в спутниковых системах навигации, в отличие от традиционных поплавковых гироскопов [4]. Например, в работе [5] рассматривается гироскоп марки ДНГ-091, обладающий массой 125 г и габаритными размерами Ø32×37 мм. Помимо ограничения размеров, к приборам данного класса, используемым для выполнения задач искусственных спутников Земли с телескопическим оборудованием на борту, неизменно предъявляют особые требования к точности позиционирования. За долгое время существования конструктивная часть ДНГ максимально усовершенствована, достигла предельной эффективности и точности работы.

Как в ДНГ, так и в акселерометрах основным элементом является магнит. Такие магнитные материалы должны иметь максимальное значение и стабильность остаточной индукции (B_r) в течение длительного времени в наиболее широком диапазоне температур, а также позволять изготавливать кольцевые магниты с радиальной текстурой (КМРТ) по технологии, освоенной в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Идеальной формой магнита для ДНГ является КМРТ, который расположен на роторе гироскопа. Как указано в работе [6], изготовление КМРТ возможно исключительно из материалов, содержащих редкоземельные металлы (РЗМ). При этом использование традиционных материалов системы Sm–Co в данном технологическом процессе недопустимо, поскольку такие изделия подвержены разрушению при спекании [7–11]. 

Следует также отметить, что материал для КМРТ должен обладать максимально возможным значением величины коэрцитивной силы по намагниченности (H_cI) [12]. Для этого материал легируют «тяжелыми» РЗМ (диспрозий, гадолиний, тербий и др.) [13]. Поскольку в магнитах на основе системы РЗМ–Fe–Co–B магнитные моменты «тяжелых» РЗМ ориентированы противоположно магнитным моментам «легких» РЗМ, а также моментам железа и кобальта [14], рационально выбирать элементы с малой величиной магнитного момента.

Должное внимание также необходимо уделять требованиям к температурной стабильности магнитов, которую принято характеризовать величиной температурного коэффициента индукции (ТКИ). Чаще всего это целесообразно только для материалов с очень высокой температурой Кюри, таких как магниты ЮНДК и системы Fe–Cr–Co [15].

В случае редкоземельных магнитов наиболее рациональными являются измерение температурной зависимости намагниченности и выбор материала с учетом полученных результатов. В представленной работе использован именно этот подход, а в качестве «тяжелых» РЗМ, помимо хорошо исследованных празеодима и диспрозия, выбран гадолиний. Магнитный момент диспрозия и гадолиния составляет 10μ_B и 7μ_B соответственно, где μ_B – магнетон Бора [14]. Интерметаллидное соединение (Pr, Dy)₂(Fe, Co)₁₄B является основной магнитной фазой (фаза А) магнитотвердых материалов системы (Pr, Dy)–(Fe_1–yCo_y)–B с высоким значением остаточной индукции B_r [16]. Когда у > 0,2, данные магнитотвердые материалы относятся к фазовой диаграмме системы R–Co–B, что принципиально отличает их от материалов системы Nd–Fe–B как по фазовому составу, так и по магнитным свойствам [14, 16–18]. 

Следует отметить, что при замене диспрозия гадолинием в основной магнитной фазе (Pr, Dy)₂(Fe, Co)₁₄B и увеличении его содержания происходит уменьшение намагниченности насыщения, поскольку орбитальный момент данного элемента равен нулю и возможно последующее изменение суммарного орбитального момента редкоземельной подрешетки.

Цель данной работы – исследование изменения магнитных свойств материала системы Pr–Dy–Fe–Co–B при легировании гадолинием.

Материалы и методы

Для изготовления слитка использованы следующие шихтовые материалы: празеодим ПрМ-1, диспрозий ДиМ-1, гадолиний ГдМ-1, железо АРМКО первого типа, кобальт К0. Бор вводили в плавку в виде лигатуры состава Fe_88,7B_11,3 (здесь и далее – % (по массе)). Сплавы выплавляли в вакуумной индукционной печи в атмосфере аргона.

Технологический процесс выплавки включает следующие основные этапы. В тигель загружается железо с кобальтом, после чего воздух из печи откачивается до давления ~10^–3 мм рт. ст. После полного расплавления железа и кобальта проводится выдержка расплава при температуре ~1500 °С, далее в камеру подается аргон. Расплав охлаждается до образования на поверхности «корочки», далее через дозатор или камеру загрузки шихты вводится диспрозий и гадолиний. После их полного расплавления расплав выдерживается до частичного затвердевания поверхности, затем через дозатор или камеру загрузки шихты вводится празеодим. После полного расплавления празеодима расплав выдерживается при более низкой температуре, после аналогичного цикла при повторном понижении температуры вводится ферробор. В конце проводятся контрольный замер температуры металла и заливка в чугунную изложницу. Слиток остывает в атмосфере аргона.

Для плавки использовали тигель, покрытый рабочим слоем из керамики на основе ZrO₂, стабилизированный Y₂O₃. Образцы изготавливали по порошковой технологии. Первую стадию дробления проводили на щековой дробилке ДЛЩ 80-150 в атмосфере аргона для получения частиц размером 5–10 мм. На второй стадии, осуществляемой в конусной инерционной дробилке КИД-100 (в аргоне), получали частицы размером менее 630 мкм. Атмосфера аргона предохраняла порошок от окисления.

Для выделения частиц размером менее 630 мкм использовали лабораторные сита из металлической проволочной сетки (ГОСТ Р 51568–99). Более тонкий помол проводили в планетарно-центробежной мельнице в среде фреона.

Призматические образцы магнитов изготавливали путем прессования в магнитном поле напряженностью 800 кА/м, ориентированном перпендикулярно направлению приложения нагрузки. Спекание проводили в печи типа «ВЕГА» при температуре ~1150 °С в вакууме.

Плотность образцов определяли методом гидростатического взвешивания [19]. Магнитные свойства образцов исследовали на вибрационном магнитометре в полях напряженностью до 1600 кА/м. Температурные зависимости намагниченности измеряли на этом же магнитометре в области температур 300–600 К. Размагничивающий фактор для сферического образца исследовали с использованием математических формул, приведенных в работах [20–22].

Важна сферическая форма образцов, поскольку величина размагничивающего поля внутри сферы одинакова по величине и направлению во всех точках, а намагниченность распределена однородно по образцу. Размагничивающий фактор сферы при этом равен 1/3 в системе СИ [20].

Коэффициент прямоугольности кривой размагничивания определяли по методике, приведенной в работах [23, 24], по формуле

где H_к – поле, соответствующее величине намагниченности, равной 90 % от остаточной индукции; H_cI – коэрцитивная сила по намагниченности. Величину H_к принято называть полем «колена».

Задача магнита – создание магнитного поля либо в системе определенной конструкции, либо при полном ее отсутствии. Если величина прямоугольности относительно низкая, то и поле будет более слабым [25, 26]. В качестве примера можно привести магнитные материалы систем Fe–Cr–Co и Al–Ni–Co (в России магниты марки ЮНДК), которые имеют крайне низкую величину коэрцитивной силы, поэтому рассматривать прямоугольность кривой размагничивания нецелесообразно [27, 28].

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Температурные зависимости намагниченности образцов, спеченных при 1120 °С, представлены на рис. 1, кривые размагничивания по намагниченности и по индукции спеченных материалов данных составов – на рис. 2.

Результаты измерений, показанные на рис. 2, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства образцов, спеченных при температуре 1120 °С

Рис. 1. Температурные зависимости намагниченности спеченных при 1120 °С образцов составов (Pr_0,31Dy_0,58Gd_0,10)_12,81(Fe_0,80Co_0,20)_80,94B_6,25 (а), (Pr_0,33Dy_0,44Gd_0,22)_12,69(Fe_0,80Co_0,20)_81,33B_5,98 (б) и (Pr_0,33Dy_0,34Gd_0,33)_12,55(Fe_0,80Co_0,20)_81,74B_5,71 (в)

Как видно из рис. 1, температурная зависимость намагниченности в области температур до 600 К монотонно уменьшается и не имеет максимумов. Кривые размагничивания в свою очередь имеют небольшой коэффициент прямоугольности кривой размагничивания, не превышающий величину 0,21.

Рис. 2. Кривые размагничивания по намагниченности 4πI (1) и по индукции В (2) спеченных материалов составов (Pr_0,31Dy_0,58Gd_0,10)_12,81(Fe_0,80Co_0,20)_80,94B_6,25 (а), (Pr_0,33Dy_0,44Gd_0,22)_12,69(Fe_0,80Co_0,20)_81,33B_5,98 (б) и (Pr_0,33Dy_0,34Gd_0,33)_12,55(Fe_0,80Co_0,20)_81,74B_5,71 (в)

Состав и количество фаз в материалах, спеченных при температуре 1120 °С, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Фазовый состав спеченных материалов системы (Pr, Dy, Gd)–(Fe, Co)–В

Объемное содержание основной магнитной фазы в магнитах (фаза А или (Pr, Dy, Gd)₂(Fe, Co)₁₄B), по данным табл. 2, повышается с увеличением содержания гадолиния с 92 до 94 %. Содержание остальных фаз незначительно и не превышает 7 % (объемн.).

По данным рис. 2 можно сделать вывод, что величина остаточной индукции значительно уменьшается с увеличением содержания гадолиния. Незначительно уменьшается и величина коэрцитивной силы по намагниченности. Такое влияние гадолиния на величину коэрцитивной силы ранее отмечено в работах [18, 29, 30]. Величина ТКИ, измеренного в диапазоне температур 20–100 °С, находится в пределах от –0,015 до –0,0007 %/К (табл. 3).

Таблица 3

Составы и величина температурного коэффициента индукции (ТКИ) образцов

При повышении температуры спекания до 1140 °С наблюдали изменение намагниченности (рис. 3).

Рис. 3. Температурные зависимости намагниченности спеченных при 1140 °С образцов составов (Pr_0,31Dy_0,58Gd_0,10)_12,81(Fe_0,80Co_0,20)_80,94B_6,25 (а), (Pr_0,33Dy_0,44Gd_0,22)_12,69(Fe_0,80Co_0,20)_81,33B_5,98 (б) и (Pr_0,33Dy_0,34Gd_0,33)_12,55(Fe_0,80Co_0,20)_81,74B_5,71 (в)

Исходя из данных, измеренных на вибрационном магнитометре и приведенных на рис. 3, можно утверждать, что коэффициент прямоугольности кривой размагничивания остается на одном уровне, хотя и наблюдается незначительный перегиб в диапазоне температур 450–550 К. Следует отметить, что величина ТКИ в области температур до 460 К существенно меняется при легировании гадолинием. По изменению наклона кривой можно сделать вывод, что меняется не только значение ТКИ, но и его знак. В дальнейших исследованиях следует расширить область температур измерения, поскольку современные ДНГ работают в температурном диапазоне от –50 до +80 °С [31, 32], а также увеличить содержание кобальта, поскольку он повышает температурную стойкость магнитов [33, 34].

Заключения

Установлено, что изменение температуры спекания в области температур 1120–1140 °С не оказывает существенного влияния на магнитные характеристики магнитотвердых материалов системы (Pr, Dy, Gd)–(Fe, Co)–B. Для применения исследованных магнитов в навигационных приборах самолетов следует увеличить содержание кобальта, что приведет к повышению стойкости к изменениям температуры окружающей среды, основных магнитных характеристик как магнитов, так и включающих их приборов, а также расширит диапазон возможных температур эксплуатации таких приборов.

Благодаря малой величине магнитного момента гадолиний является перспективным металлом для легирования спеченных магнитов для навигационных приборов.

Таким образом, исследованные материалы системы (Pr, Dy, Gd)–(Fe, Co)–B, легированные гадолинием, обладают удовлетворительными свойствами по температурной стабильности. В дальнейшем необходимо исследовать величину ТКИ в температурном диапазоне от –50 до +80 °С для применения таких материалов в навигационных приборах, а также более подробно изучить зависимость величины магнитных характеристик от изменения температуры спекания.