Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600 кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значения остаточной индукции В_r до 1,1 Тл. Намагничиваются в сильных полях при напряженности намагничивающего поля до Н_s > 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 Н_с и B_r, тем больше материал подходит для постоянного магнита. Но индукция в постоянном магните равна остаточной B_r 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 Н_d, снижающее индукцию внутри магнита до В_d < B_r (рисунок 53).

Важной характеристикой МТМ является удельная магнитная энергия W_max=B_d∙H_d/2, где B_d и H_d – значения индукции B_d и напряженности H_d, 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 Н_с, В_r, W_max.

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, т.е. затрудняют размагничивание.

МТМ для постоянных магнитов по способу изготовления 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, α₂ фаза состоит из Al – Ni и является слабомагнитной, которая препятствует повороту магнитных моментов. Материалы с такой структурой имеют большие значения Н_с.

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 сплавы подвергают кристаллической текстуре, которая создается путем направленной кристаллизации сплава – т.н. ориентированная столбчатая структура, которая обозначается в марке сплава буквой А. Магнитная энергия W_max 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 W_max ~ 250…400 кДж/м³ за счет применения монокристаллических порошков с размерами, близкими к критическому размеру домена (~3…10 мкм) [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/м^3	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	28	0,6
- кунифе системы Cu – Ni – Fe	6,7	47	0,55
- платинакс системы Pt – Co (ПлК78)	40	320	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.