Магнитотвердые материалы

До 1910 г. постоянные магниты изготовля­лись из углеродистой стали, так как эта сталь об­ладает относительно небольшим значением ко­эрцитивной силы И и большим значением ин­дукции В отношение длины магнитов к попе­речному сечению было большим. Чтобы умень­шить рассеяние, магниты выполнялись в виде подковы, которая и стала условным обозначени­ем постоянного магнита. Наибольшее значение магнитной энергии для таких материалов состав­ляло 1,6 кДж/м.

Возможность повышения магнитной энергии была показана еще в 1885 г. при исследовании вольфрамовой стали. В период первой мировой войны нашли применение хромистые стали (до 6 % Сг), в которых энергия достигала 2,5 кДж/м. В 1917г. находят, что добавки в сталь до 36% ко­бальта приводят к значительному повышению энергии — до 8 кДж/м. Кобальтовые стали в ог­раниченном объеме изготовляются.и-применя-ются в настоящее время.

В 1926—1927 гг. на заводе «Красный путиловец» исследуются свойства и технология произ­водства вольфрамовой стали. В 1926 г. на Ижев­ском заводе отливаются слитки нескольких ма­рок кобальтовой стали для постоянных магни­тов. Исследование кобальтовых сталей проводи­лось в Горной академии и ВЭИ.

В 1934 г. кобальтовую сталь, которая имеет коэрцитивную силу в 2,5—3,5 раза выше, чем вольфрам и стая, начинает выпускать завод «Электросталь». Сталь находит широкое приме­нение в приборостроении.

Высокие механические параметры стали по­зволяют изготовлять магниты достаточно тонки­ми и сложной формы. Во время второй мировой войны была разработана магнитная сталь МТ, без дефицитных добавок кобальта и никеля с до­бавками алюминия и углерода, обладающая вы­сокими магнитными свойствами (магнитная энергия до 3,6 кДж/м и коэрцитивная сила больше 16 кА/м).

Начиная с середины 30-х годов среди лабора­торий, занимающихся исследованием магнит­ных материалов в СССР, на первое место выдви­гается магнитная лаборатория (МЛ) ВЭИ, заслу­га которой состоит не только в исследовании ма­териалов, но и в их внедрении в производство. Большую работу МЛ ВЭИ проделала в области исследования сплавов для постоянных магнитов.

В истории исследований магнитных сплавов важное значение имеют работы Д.А. Оливера и Дж. Шеддена (Англия) по исследованию влия­ния магнитного поля в процессе охлаждения на свойства сплавов типа Ре-М!-А1 с повышенным содержанием кобальта, опубликованные в 1938 г. Благодаря их работам удалось довести магнитную энергию сплавов до 32 кДж/м. Сле­дующий шаг в области улучшения характери­стик постоянных магнитов был сделан в 1948 г. при исследовании процессов направленной кри­сталлизации таких сплавов. Путем регулирования скорости охлаждения изделий удалось получить согласованную ориентацию по ребрам кристаллитов, причем этот процесс усиливается при воздействии магнитного поля образец. Методом направленной кристаллизации удается повысить остаточную магнитную индукцию до 1,3 Тл и магнитную энергию 87,5 кДж/м. Такие результаты в настоящее время достигаются только при специальном изготовлении магнитов. В промышленных условия которые обеспечивают частичную ориентации кристаллов, магнитная энергия достигает менее 58 кДж/м. В ряде случаев необходимы материалы со специфическими механическими свойствами. Так, например, в производстве специальных измерительных приборов нужны постоянные магниты, изготовленные из горнолистового или пруткового сортамента; для роторов щ сокоскоростных машин требуются магниты высокой прочностью на разрыв.

В 1930 г. Н.Н. Разумовскому в СССР выдано авторское свидетельство на способ улучшения свойств постоянных магнитов путем охлаждения их в магнитном поле. В 1944 К⁹ А.С. Заимовскому, К.В. Нащокину и Л.М. Льво­вой удалось разработать сплав магнико (ЮНДК24), который превосходит альнико в 1,5—2 раза по остаточной магнитной индукции и в 3 раза по энергии. Появление анизотропных магнитов, или магнитов, имеющих магнитную текстуру, позволило уменьшить массу систем с постоянными магнитами и расширить область их применения. Высококоэрцитивные сплавы системы ЮНДК хрупки и обрабатываются толь­ко шлифованием или электроискровым методом. Поэтому постоянные магниты из этих сплавов изготовляются в основном фасонным литьем. Однако для небольших постоянных магнитов этот способ затруднителен. Для решения задачи были выбраны два пути; использование металло-керамической технологии и поиск деформируе­мых магнитотвердых материалов, из которых можно было бы изготовлять магниты резанием, штамповкой и точением. В табл. 10.2 приведенымагнитные свойства сплавов ЮНДК.

Исследование и внедрение металлокерами-ческих магнитов проведено ВНИИЭМ совмест­но с заводом «Электроконтакт», Отечественная промышленность освоила ряд деформируемых сплавов: викаллой, сплав на основе платины и др. Викаллой, выпускаемый в виде проволоки, обладает высокими магнитными свойствами и достаточной пластичностью, что позволяет лег­ко получать тонкие цилиндрические магниты. Викаллой, изготовляемый в листах, имеет худ­шие магнитные свойства, но очень эффективен в производстве стрелок буссолей и компасов-Сплав на основе платины дорог и дефицитен, однако его коэрцитивная сила, магнитная энергия и пластичность настолько высоки, что магниты массой в доли грамма успешно приме­няются в приборостроении и в электрических наручных часах.

Объем производства литых постоянных маг­нитов из сплавов альни для изделий широкого потребления достигает нескольких тысяч тонн в год, на что затрачивается несколько сотен тонн дефицитного и дорогого никеля. Поэтому наряду с улучшением магнитных свойств сплавов систе­мы ЮНДК проводились поиски дешевых и неде­фицитных магнитотвердых материалов.

В последние 40 лет большие успехи достиг­нуты в разработке магнитов на основе микропо­рошков железа, технология которых была разра­ботана в СССР А.С. Эйсуровичем и А.Б. Альтма­ном, сплавов марганца с висмутом подробно ис­следованные С. Гийо (Франция), ферритов со структурой магнетоплюмбита Е. Гортер (Фран­ция). Впервые подобные магниты, состоящие из оксидов железа и кобальта, были описаны в 1933 г. японцами X. Като и Т. Такай. В те же годы проводилась разработка постоянных магнитов на основе металлических сплавов, поэтому работы над оксидами металлов не при­влекли интереса и на долгие годы были фактиче­ски заброшены. Лишь в 1952 г. фирма «Филипс» (Голландия) сообщила о первом техническом применении оксидных магнитов.

Поиски ученых (С.А. Медведев и др.) завер­шились разработкой технологии серийного про­изводства магнитов, прессованных из порошка бариевого феррита. Бариевые постоянные магни­ты обладают коэрцитивной силой 120— 240 кА/м при остаточной магнитной индукции 0,2—0,38 Тл и магнитной энергии 3,2—3,4 кДж/м, Благодаря дешевизне и простоте изготовления они находят все большее применение в изделиях широкого по­требления: осветительных генераторах для вело­сипедов, громкоговорителях, дверных затворах, держателях и т.п.

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 Н_с, большая остаточная магнитная индукция В_r и, следовательно, большая маг­нитная энергия (ВН/2) дж/см³. Все эти величины можно определить из кривой гистерезиса, вернее из ее части, расположенной в области размагничивания (рис. 1.15).

Точка пересечения кривой с осью В дает остаточную индукцию В_r, а с осью Н — коэрцитивную силу Н_с. Магнитная же энергия определяется произведением ВН/2 для каждой точки этой части гистерезисной кривой. Если отложить эти величины магнитной энергии ВН/2 в правом квадранте рис. 45.1, то получим кривую их зна­чений. Наибольшая вели­чина произведения W = В_DН_D/2находится в точке А этой кривой. Вот этой ве­личиной (совместно с Н_с и В_r) и характеризуются магнитно-твердые материалы.

Рис. 45.1. Кривые размагничивания и магнитной энергии магнитно-твердого материала.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени более или менее уменьшается. Это явление называется старением магнита. Оно может быть обратимым и 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 до 100° С и охлаждают до 0° С в воде.

Современные магнитно-твердые материалы 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 обеспе­чивает магнитную твердость материалу, но при повышении температуры может быть унич­тожена, и сталь приобретает свойства магнитно-мягкого материала. На рис. 45.2 пока­зано влияние закалки на петлю гистерезиса.

Рис. 45.2. Влияние закалки на петлю гистерезиса стали:

1 - отожженная сталь, 2 - закаленная сталь.

В сплавах железа с кобаль­том, никелем, кремнием и дру­гими веществами необходимые свойства магнитно-твердых материалов достигаются при помощи тепловой обработки. Указанные вещества растворяются в α-железо тем больше, чем выше температура.

Сплав α-железа с каким-либо растворяющимся в нем веществом при медленном охлаждении создает насыщенный раствор.

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 пересыщенный 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.

Рис. 45.3. Гистерезисные петли сплава железо-вольфра-кобальта после отпуска и закалки: 1 – закаленный сплав, 2 – отпущенный сплав.

На рис. 45.2 показаны верхние части петель гистерезиса для одного и того же сплава железо — вольфрам — кобальт (Fe — W — Со) после закалки (кривая 1) и последующего отпуска (кривая 2).

Магнитные стали.

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

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: Н_с = 44 - 48 а/см, В =

= 1,0 тл.

Хромистые стали появились как более дешевые заменители вольфрамовой. Магнитные свойства хромистых сталей обусловли­ваются наличием карбида хрома. При температурах около 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 %, во второй — 2,8 — 3,6 %). Магнитные характеристики стали ЕХ следующие: Н_с = 44 - 48 а/см, В_r = 0,90 - 0,95 тл.

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 Н_с.

Таблица 45.1. Состав и магнитные характеристики кобальтовых сталей.

Наименование стали	Состав, %	Магнитные характеристики
Cr	C	W	Co	Fe	Hc, а/см	Вr, тл
Низкокобальтовая	5-10	1,0	-	9-10	Остальное	89,2	0,95
Среднекобальтовая	8-10	1,0	-	17-20	-	115,0	0,95
Высококобальтовая	2-6	0,6	4-8	40-42	-	160,0	1,10

Кобальтовые стали подразделяются на три группы по количест­ву введенного в них кобальта Со (начиная с 3 до 42 %). В табл. 45.1 приведены их магнитные характеристики и состав этих сталей.

Как видно из приведенной таблицы, кобальтовые стали, особен­но с большим содержанием Со, имеют высокие магнитные характе­ристики Н_с и В_r. Недостатком их является хрупкость. Хрупкость ослабляется введением в них 0,5 — 0,8 % ванадия (V).

Старению кобальтовые стали подвержены в меньшей степени по сравнению с хромистыми и вольфрамовыми сталями.

Отечественной промышленностью выпускаются кобальтовые ста­ли ЕХ5КУ и ЕХ9К15М (цифры показывают содержание хрома и кобальта).

Магнитно-твердые сплавы.

Магнитно-твердые сплавы, из которых изготовляют постоянные магниты, носят название альни, альниси, альнико и магнико.

Альни — тройной сплав, состоящий из алюминия, никеля и железа. Установлено (А.С. Займовским) что в таких тройных сплавах при содержа­нии никеля от 20 до 32 % введение алюминия увеличивает коэрци­тивную силу и магнитную энергию, но снижает остаточную индук­цию. Это обусловлено тем, что при скорости охлаждения 20° С в минуту в процессе отпуска после закалки твердый раствор распада­ется с выделением очень малых частиц, обладающих большой коэрци­тивной силой Н_с. Содержание алюминия в сплаве альни, при кото­ром получаются высокие величины Н_с и магнитной энергии, колеб­лется в зависимости от содержания никеля в пределах 12—15%. Из примесей, попадающих в такие сплавы, особенно вреден угле­род, который уже в количестве 0,1 % снижает величину энергии на 15—28%. Медь и кобальт — полезные легирующие вещества, однако их действие проявляется различно, в зависимости от содер­жания никеля. Медь при содержании 23,5 % увеличивает макси­мальную энергию на 68 %. Сплав альни с содержанием 25 % Ni, 14 % Al, 4 % Си, остальное железо имеет следующие магнитные характеристики: Н_с = 400 а/см, В_r = 0,55 тл.

Разновидностью сплава альни является сплав, содержащий кремний и называемый альниси. Положительная роль кремния в этом сплаве проявляется лишь при большом содержании никеля, именно не менее 30 %. При этих условиях кремний, введенный в количестве 1 %, значительно увеличивает коэрцитивную силу и магнитную энергию, но несколько уменьшает остаточную индук­цию. Однако при меньшем содержании никеля такое количество кремния ухудшает свойства сплава. Введение кремния позволило сильно снизить критическую скорость (определенная скорость охлаждения, равная 15-20^о С в минуту) охлаждения, что имеет весь­ма важное практическое значение при производстве крупных магни­тов весом более 300 г, для которых невозможно обеспечить высокую скорость охлаждения.

Примерный состав альниси: 33 % Ni, 13—14 % Al, I % Si, остальное Fe. Его магнитные характеристики: Н_с = 517,5 а/см, В_r = 0,40 тл.

Существенным недостатком сплавов альни и альниси является их небольшая остаточная индукция. Значительное повышение вели­чин В_r и Н_с достигается присадкой кобальта, если его вводить в сплавы альни обычного состава. Однако наибольший эффект достига­ется тогда, когда кобальт вводится не только за счет железа, но и взамен некоторого количества никеля и алюминия. Такие сплавы получили наименование альнико. Наилучшим составом для альнико считается сплав, имеющий 17—18 % Ni, 10% Al, 12 % Со и 6 % Си. Этот сплав обладает следующими магнитными характеристиками: Н_с = 400 а/см; В_r = 0,74 тл. Термическая обработка такого спла­ва состоит из закалки при температуре 1300° G и последующего отпуска в течение 2—4 ч при 750° С. Высокие магнитные свойства сплава альнико достигаются не только за счет его состава, но и в результате термической обработки.

Весьма важной разновидностью сплава альнико является сплав магнико, который отличается от альнико несколько иным составом, а главным, образом иной термической обработкой, которая произво­дится в магнитном поле. При этой обработке сплав нагревается до 1200—1300° С, затем охлаждается в магнитном поле напряженно­стью 800 а/см и выше при скорости охлаждения 10° С в секунду. Область температур охлаждения в магнитном поле выбрана в интер­вале от 1000 до 700° С, так как замечено, что магнитное поле наи­более эффективно в области точки Кюри и ниже ее на 150° C. Точка Кюри магнико равна 870—900° C. Термообработка в магнитном поле обусловливает снижение содержания в сплаве никеля и алюминия и увеличение содержания кобальта, в результате чего оказалось воз­можным снизить критическую скорость охлаждения и повысить точку Кюри. Примерный состав сплава магнико: 11—15 % Ni, 8— 10 % Al, 20—25 % Со, остальное Fe. Магнитные характеристики для этих материалов следующие: Н_с = 480—560 а/см; В_r — 1,20—1,35 тл.

Большим недостатком всех описанных сплавов является то, что они не поддаются механической обработке обычными методами вследствие большой хрупкости и твердости. Эти сплавы могут обрабатываться лишь шлифовкой карборундовыми кругами.

Уменьшение магнитного потока у таких сплавов с течением вре­мени при использовании их в качестве постоянных магнитов незна­чительно. Так, у сплавов альни, альнико, альниси и магнико магнитный поток уменьшается в первые полтора года работы при­мерно на 1,5 — 2,0%, а в последующие годы на 0,5 — 1,0 % в год, т.е. магнитный поток в основном уменьшается в первое время. При искусственном старении с помощью механических ударов и сотрясений магнитный поток сплавов уменьшается на 3,5 %, а при воздействии температурных циклов по режиму 100—0—100° C — на 1 %, но свойства их после старения стабилизируются.

Магнитно-твердые ферриты.

Постоянные магниты изготовляют также из магнитно-твердых ферритов. В настоящее время выпускают магнитно-твердые материа­лы на основе феррита бария. Исходными материалами для этого фер­рита является азотнокислый барий BaO (NO₃)₂ и окись железа Fe₂0₃.

Эти окислы тщательно смешивают в количестве, соответствую­щем химической формуле BaO·6FeO₃, затем брекетируют и спекают при температуре примерно 1150° С. Спеченные брикеты вновь разма­лывают в порошок, прессуют из него постоянные магниты, которые подвергают окончательному обжигу.

Такой материал получил название ферроксдюра. По своей струк­туре он поликристаллический, т. е. состоит из разных кристалли­ческих частичек. От размеров этих частиц сильно зависят магнит­ные свойства ферромагнетика, особенно коэрцитивная сила. Чем меньше размеры частичек, тем выше коэрцитивная сила феррита. Кристаллические частицы в ферроксдюрах ориентированы произ­вольно, что определяет одинаковость свойств в любом направлении. Такие материалы называются изотропными. Отечественной промыш­ленностью выпускаются различные изделия из бариевого изотроп­ного ферроксдюра марки МБИ (магниты бариевые изотропные).

Если в процессе прессования магнита прессуемую массу подвер­гнуть воздействию магнитного поля высокой напряженности (около 800 a/см), то все кристаллики в момент прессования будут ориен­тированы в одном направлении. Это обусловит лучшие магнитные свойства материала в направлении действия магнитного поля. Такие ферроксдюры называются изотропными, а изделия из них обозначаются маркой МБА (магниты бариевые анизотропные).

Оба эти материала обладают достаточно высокой плотностью, большой твердостью и хрупкостью, в результате чего могут обраба­тываться лишь шлифованием. Их магнитные характеристики приве­дены в табл. 45.2.

Таблица 45.2. Магнитные характеристики бариевых магнитов.

Марка магнита	Плотность, г/см^3	НС, а/см	В, тл	ρ, ом·см	ΘК, ^оС
МБИ	4,5	962-1280	0,23	10^6-10^9	405-450
МБА	5,0	1344-1600	0,34	10^5-10^8	405-450

Бариевые магниты отличаются от металлических низкой стои­мостью, так как в своем составе не содержат дорогих дефицитных материалов. Высокое электрическое сопротивление позволяет испо­льзовать их в установках высокой частоты. Бариевые магниты наш­ли широкое применение в различных областях техники. Из них изготовляют фокусирующие магниты, роторы и статоры маломощ­ных электродвигателей и т. п. Для лучшего использования бариевых магнитов им следует придавать такую форму, чтобы длина была ма­лой, а сечение большим. Поэтому бариевые магниты изготовляют в виде шайб, пластин, колец небольшой высоты.

Дата добавления: 2014-12-25