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: Нс — 32 – 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.