Основные свойства магнитно-твердых материалов.

 

Магнитно-твердые материалы используются для изготовле­ния постоянных магнитов, применяемых в различных электротех­нических устройствах, где требуется наличие постоянного магнит­ного поля. У таких материалов и различных деталей, изготов­ленных из них, состояние намагниченности сохраняется весьма длительное время. Как известно, основными магнитными харак­теристиками этих материалов являются большая коэрцитивная сила Нс, большая остаточная магнитная индукция Вr и, следо­вательно, большая магнитная энергия ( ) Дж/см3. Все эти величины можно определить из кривой гистерезиса, вернее, из ее части, расположенной в области размагничивания (рис. 182.)

 

 

 

Рис.182.Кривые размагничивыния и магнитной

энергии магнитно – твердого материала.

Точка пересечения кривой с осью В дает остаточную индукцию , а с осью Н — коэрцитивную силу Нс. Магнитная же энергия определяется произведением для каждой точки этой части гистерезисной кривой. Если отложить эти величины энергии правом квадранте рис. , то получим кривую их значений. Наи­большая величина произведения = находится в точке А этой кривой. Вот этой величиной совместно с Нс и и характеризуются магнитно-твердые материалы.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени более или менее уменьшается. Это явление называется старе­нием магнита. Оно может быть обратимым необратимым. Пер­вое наступает в результате механических вибраций, ударов, изменения температур и действия внешнего постоянного поля. Повторное намагничивание постаревшего таким образом маг­нита возвращает ему прежние свойства. Необратимое же старе­ние связано со структурными изменениями, происходящими со временем в материале.

Магнитные стали, употребляемые для постоянных магнитов, закаляются на мартенсит, т. е. в результате этой закалки они приобретают мелкозернистую игольчатую структуру, в которой зерна металла имеют вид тонких иголок или штрихов. Эта струк­тура неустойчива и с течением времени распадается, что приво­дит к уменьшению коэрцитивной силы и остаточной индукции. Такое естественное старение совершается очень медленно. Для получения стабильных свойств постоянные магниты подвергают искусственному старению — нагревают и охлаждают.

Современные магнитно-твердые материалы многообразны и сильно отличаются друг от друга по своим характеристикам. Их можно разбить на две группы. Одну группу составляют ле­гированные стали, закаливаемые на мартенсит; вторая же группа состоит из сплавов на основе α -железа, которые называются α -сплавами.

Мартенситовая структура в сталях получается путем их быст­рого охлаждения до комнатной температуры (закалка), начиная с температур, при которых они являются раствором углерода в железе, называемом аустенитом. При такой закалке железо пре­вращается в магнитное α -железо. Поэтому быстрое охлаждение приводит к тому, что часть раствора углерода в железе остается и создает с частицами α -железа мартенситовую структуру. Эта структура при повышении температуры может быть уничтоже­на, и сталь приобретает свойства магнитно-мягкого материала. На рис.183.показано влияние закалки на петлю гистерезиса. В сплавах железа с кобальтом, никелем, кремнием и другими веществами необходимые свойства магнитно-твердых материалов достигаются при помощи тепловой обработки. Указанные вещества растворяются в гα -железе и тем больше, чем выше температура. Сплав α -железа с каким-либо растворяющимся в нем веществом при медленном охлаждении создает насыщенный раствор.

 

 

 

Рис.183.Влияние закалки на петлю гистерезиса стали:

1—отожженная сталь; 2—закаленная сталь (В – Гс; Н – А/см).

Растворенное вещество из раствора может выпадать в чистом виде или в виде химического соединения с железом. Если же провести охлаждение сплава до комнатной температуры настолько быстро, что растворенное вещество выпасть не успеет, то получится перенасыщенный твердый раствор. Однако с течением времени избыточное растворенное вещество из этого раствора будет выпадать в виде малых ча­стиц — кристалликов. Это приведет к изменению магнитных свойств сплава. Самопроизвольно этот процесс может длиться очень долго. Его можно ускорить отпуском, т. е. нагревом сплава до температуры, при которой начинается выпадение растворен­ного вещества, но невозможен обратный переход сплава в одно­родный раствор. Этот процесс получил название дисперсионного твердения. Он состоит из двух стадий тепловой обработки: закал­ки и отпуска. На рис.184 показаны верхние части петель гистере­зиса для одного и того же сплава железо — вольфрам — кобальт (Fе — W — Со) после закалки (кривая 1) и последующего отпу­ска (кривая 2).

 

Рис. 184.Гистерезисные петли сплава (железо – вольфрам – кобальт) после отпуска и закалки: 1 – закаленный сплав, 2 – отпущенный сплав ( В – Гс; Н – А/см).

§ 75. Магнитные стали.

Основными магнитными сталями, закаливаемыми на мартен­сит, являются углеродистая, вольфрамовая, хромистая и кобаль­товая.

Углеродистая сталь не содержит никаких легирующих веществ. Содержание углерода в этих сталях колеблется от 0,3 до 1 % и несколько выше. Углерод входит в соединение с желе­зом, образуя карбид железа Fе3С. Чем больше углерода и, cледовательно, чем больше Fе₃С, тем выше коэрцитивная сила Нс стали. Закалка также увеличивает Нс, однако остаточная индукция Вг с увеличением содержания углерода падает. Оптимальные характеристики этой стали таковы: Нс32 – 40 А/см; = 8000 – 9000 Гс. Хотя такая сталь является дешевой, тем не менее она из-за плохих магнитных свойств выходит из употребления.

Вольфрамовая сталь содержит 0,60—0,78% углерода и 5,5— 6,5% вольфрама, а иногда и 0,3—0,5% хрома. Углерод образует с вольфрамом карбид вольфрама (WC), который и повышает коэрцитивную силу стали. При высоких температурах (в слу­чае отжига, нагрева при прокатке и т. п.) карбид вольфрама вы­падает и магнитные свойства стали снижаются. Наличие хрома уменьшает порчу стали, поэтому хром в вольфрамовой стали считается полезной примесью, но содержание его более 0,5% ухудшает ее технологические свойства. Отечественная вольфра­мовая сталь Е7В6 обладает примерно следующими характери­стиками: Нс = 55 – 60 э; = 10 000 гс.

Недостатком вольфрамовой стали является ее постепенное старение после изготовления, выражающееся в необратимом понижении коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции . Чтобы сделать вольфрамовую сталь стабильной, ее вы­держивают при 100°С в течение 10—12 час. (искусственное старение).

Хромистые стали появились как более дешевые заменители вольфрамовой. Магнитные свойства хромистых сталей обуслов­ливаются наличием карбида хрома. При температурах порядка 650—850°С хромистые стали, как и вольфрамовые, ухудшают свои магнитные свойства. Отечественной промышленностью вы­пускаются хромистые стали двух марок — ЕХ-2 и ЕХ-3, отличаю­щиеся различным содержанием хрома в первой 1,3—1,6% Сr, во второй 2,8—3,6% Сr. Магнитные характеристики стали ЕХ следующие: Нс = 50 – 60 э; Вг = 9000 - 9500 гс.

Кобальтовые стали обладают значительно более высоки­ми магнитными свойствами, чем вольфрамовые и хромистые. Наличие кобальта в закаленных сталях приводит к увеличе­нию коэрцитивной силы и возрастанию магнитной энергии. Этому же способствует введение хрома и вольфрама, кото­рые, являясь легирующими веществами, одновременно увели­чивают Нс.

Кобальтовые стали подразделяются на три группы по коли­честву введенного в них кобальта Со (начиная с 3 до 42%). В таблице приведены состав этих сталей и их магнитные харак­теристики.