Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значения остаточной индукции Вr до 1,1 Тл. Намагничиваются в сильных полях при напряженности намагничивающего поля до Нs > 1000 кА/м. МТМ применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях получить выгоднее, чем электромагнитные поля (дешевле, в меньших габаритах, конструктивно проще).
Свойства постоянного магнита определяются характером размагничивающей ветви петли гистерезиса, лежащей во II квадрате (рисунок 51). Чем больше Нс и Br, тем больше материал подходит для постоянного магнита. Но индукция в постоянном магните равна остаточной Br только в том случае, если нет размагничивающего поля.
Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор, на разомкнутых концах магнита возникают полюсы, которые и создают размагничивающее поле Нd, снижающее индукцию внутри магнита до Вd < Br (рисунок 53).
Важной характеристикой МТМ является удельная магнитная энергия
Wmax = Bd∙Hd/2, где Bd и Hd – значения индукции Bd и напряженности Hd соответственно, определенных на кривой размагничивания.
 |
Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещение границ доменов и вращением векторов намагничивания. Сохранение намагниченности МТМ после процесса намагничивания связано с химическим составом и структурным состоянием МТМ. Для большинства МТМ основным процессом при размагничивании является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет значения Нс, Вr, Wmax.
Наибольшие значения этих параметров получают в МТМ, имеющих однодоменную неравновесную форму кристаллов с неферромагнитными включениями больших размеров, а также в большом количестве различного рода искажения в кристаллической решетки (структура перенасыщенного твердого раствора внедрения) и большие остаточные напряжения. Перечисленные условия затрудняют поворот векторов намагничивания, затрудняют размагничивание.
МТМ для постоянных магнитов по способу получения подразделяют на литые, порошковые и деформируемые. Магнитные характеристики МТМ некоторых систем промышленных сплавов приведены в таблице 10.
Исторически первыми МТМ были стали, закаленные на мартенсит, что и дало название материалу– магнитотвердые. Сейчас до 80% от всех используемых МТМ составляют сплавы на основе Fe – Ni – Al (альни), Fe – Ni – Al – Co (альнико), легированные различными добавками. Высококоэрцитивное состояние этих сплавов обуславливается механизмом дисперсионного твердения: при высоких температурах, до 1300°С, при закалке образуется, при неограниченном растворении компонентов, однофазная структура α–фаза. При медленном охлаждении до определенной температуры происходит распад равновесной α-фазы на две фазы, α1 и α2, причем α1-фаза по составу близка к чистому Fe и является сильномагнитной, а α2-фаза состоит из Al – Ni и является слабомагнитной, которая препятствует повороту магнитных моментов. Материалы с такой структурой имеют большие значения Нс.
Магнитные свойства литых сплавов марок ЮНД, ЮНДК зависят от химического состава, термической, термомагнитной обработки (охлаждении сплава от высоких температур ~ 1200°С с наложением на образец сильного магнитного поля, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магнитоанизотропным). Для улучшения магнитных свойств в таких сплавах создают кристаллические текстуры путем направленной кристаллизации сплава – так называемая ориентированная столбчатая структура, которая обозначается в марке сплава буквой А. Магнитная энергия Wmax повышается при этом на 60…70% и достигает 40 кДж/м3. Кобальт улучшает магнитные свойства сплавов. Изделия получают из этих сплавов в основном методами литья. Сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому обработка резанием нецелесообразна, хотя возможна.
Порошковые МТМ системы Fe – Ni – Al – Co позволяют изготавливать постоянные магниты, не требующие последующей обработки. Детали получают прессованием и последующим спеканием при t° ~ 1300°C в защитной атмосфере мелкодисперсных порошков компонентов сплава, дозированных в требуемом процентном соотношении. Магнитотвердые порошковые сплавы системы
Al – Ni – Fe по магнитным свойствам несколько уступают литым той же системы.
Магнитотвердые ферриты на основе оксидов бария и кобальта по магнитным свойствам уступают литым сплавам (таблица 10). Но они имеют большое удельное сопротивление ρ (относятся к диэлектрикам), поэтому могут использоваться в качестве постоянных магнитов в высокочастотных магнитных полях без потерь на вихревые токи. Обозначение магнитотвердых ферритов приведено в [1, 3,9]. Изготавливают постоянные магниты из феррита также методами порошковой металлургии: прессованием и спеканием.
МТМ на основе редкоземельных металлов (самарий, неодим и другие) также получают из металлических порошков. Эти материалы имеют очень хорошие магнитные свойства. Для материалов на основе соединений неодим – железо – бор значение магнитной энергии достигает Wmax ~ 250…400 кДж/м3 за счет применения монокристаллических порошков с размерами, близкими к критическому размеру домена (~ 3…10мкм) [1,3,9].
Сплавы на основе железо – ниобий – бор имеют хорошие магнитные характеристики, в три раза дешевле самарий-кобальтовых сплавов. Их недостаток–малое значение рабочей точки Кюри, всего 80°C.
Сплавы на основе пластичных металлов (Fe, Co, Cu) относятся к деформируемым МТМ, что позволяет изготавливать из них постоянные магниты методами штамповки, например, стрелки магнитных компасов. В качестве исходного материала используют тонкие ленты, проволоку. Магнитные свойства деформируемых МТМ приведены в таблице 10. Улучшение свойств достигают после термообработки, в результате которой получают мелкодисперсные ферромагнитные фазы в немагнитной основной фазе. При пластической деформации в сплавах кунифе, викаллое, хромко возможно формирование кристаллографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные свойства. Сплавы на основе благородных металлов имеет высокие значения магнитных параметров (таблица 10), но применяются ограниченно из-за присутствия драгоценных металлов.
Таблица 10
Магнитные характеристики МТМ промышленных сплавов
| Система сплава | Wmax, кДж/м3 | Нс, кА/м | Вr, Тл |
| Литейные сплавы системы Al – Ni –Co (марок ЮНДЧ, ЮНДК18) | 3,8…30 | 40…110 | 0,5…1,02 |
| Порошковые сплавы системы Al – Ni – Co (марок ММК1, ММК7) | 3…10 | 24…118 | 0,6…0,95 |
| Ферриты бариевые (6БИ240) | 3…14 | 120…180 | 0,19…0,39 |
| Ферриты кобальтовые (10КА165) | 5…7 | 140…127 | 0,23…0,28 |
| Самарий – кобальт (КС37) | 55…65 | 540…560 | 0,77…0,82 |
| Самарий – презиодим – кобальт (КСП37) | 65…72 | 500…520 | 0,85…0,9 |
| Деформируемые МТМ: -викаллой системы V – Co – Fe (52К13Ф) | 8,8 | 0,6 | |
| -кунифе системы Cu – Ni – Fe | 6,7 | 0,55 | |
| -платинакс системы Pt – Co (ПлК78) | 0,80 |
Примечание: в скобках приведено обозначения сплава.
В качестве МТМ с удовлетворительными магнитными свойствами используют низколегированные мартенситные стали после термообработки (закалки). Из них изготавливают постоянные магниты только в неответственных случаях.