лабораторная работа №8

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА №

ОТЧЁТ ЗАЩИЩЁН С ОЦЕНКОЙ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ОТЧЁТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №8

Исследование свойств магнито-твердых материалов

по курсу: материаловеденье

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛИ

СТУДЕНТЫ ГР.	23-46				Е.П.Логачёв, А.Г.Эдуард К.Виктор
			подписи, дата		инициалы, фамилии

Санкт-Петербург 2014

Цель работы: изучение влияния на рабочую индукцию Bd постоянного магнита химического состава МТМ, термической обработки и коэффициента размагничивания;освоение инженерной методики расчета рабочей индукции постоянных магнитов, сопоставление расчетных и экспериментальных значений Bd; исследование влияния частичного размагничивания постоянного магнита на стабильность его магнитного потока при следующем воздействии посторонних магнитных полей.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает в себя электромагнит для намагничивания образцов, милливеберметр М119, набор образцов из магнито-твердых материалов.

Описание метода. Катушки электромагнита (рисунок 54) питаются постоянным током от выпрямителя.

Тумблер 5 служит для подачи напряжения на катушки электромагнита при намагничивании

образцов. Образец 3 устанавливается между неподвижным 2 и подвижным 4 полюсами

электромагнита.

Определение рабочей индукции Bd постоянного магнита основано на экспериментальном измерении потокосцепления ψ милливеберметром. Потокосцепление ψ

определяется как произведение ψ= Фd·ω, где Фd= Bd·S – магнитный поток через один виток

измерительной катушки М119, создаваемый данным постоянным магнитом с площадью

поперечного сечения S; ω- число витков в имерительной катушке милливеберметра, ω=50.

Размерность потокосцепления и магнитного потока одна и таже, Вб.

Измерение ψ производится методом сдергивания образца 1 с нейтральной линии

измерительной катушки К (рисунок 54). При этом отклонение стрелки милливеберметра 2

пропорционально изменению магнитного потока, сцепленного с имерительной катушкой.

шкала прибора М119 отградуирована в единицах магнитного потока- милливеберах

( 1 деление= 0,1 мВб ).

Описание материалов, изучаемых в работе.

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов и классифицируют по способу получения (технологии), основе сплава и назначению.

Различают следующие группы магнитотвердых материалов: литые материалы на основе железа-никель-алюминиевых и железо-никель-алюминий-кобальтовых сплавов; мартенситные стали; пластически деформируемые сплавы; сплавы на основе благородных металлов; магнитотвердые ферриты; сплавы на основе редкоземельных элементов; композиционные материалы.

Постоянные магниты всегда выступают в качестве источников магнитной энергии, которую можно отобрать только в воздушном зазоре. Поэтому цепи постоянных магнитов всегда разомкнуты.

Из этого утверждения вытекает основное требование к материалам постоянных магнитов: удельная магнитная энергия в воздушном зазоре должна быть максимальна.

На рисунке 53 изображены кривые намагничивания и размагничивания магнитотвердых материалов.

Рисунок 53

Если бы у постоянного магнита, не было воздушного зазора, то намагничивание до насыщения осуществлялось бы по кривой Оа, а после выключения намагничивающего поля в материале сохранилась бы остаточная индукция В_r. В действительности в системе постоянного магнита есть воздушный зазор и этому воздушному зазору соответствует определенный угол размагничивания, который зависит от конфигурации магнитной цепи. Если из точки 0 под углом размагничивания α провести луч, то получим точку пересечения d, которая определяет действительную индукцию в образце В_d и действительную напряжен­ность поля Н_d.

Удельная магнитная энергия в воздушном зазоре (энергия, которую единица объема магнитотвердого материала отдает в воздушный зазор)

В некотором масштабе эту энергию можно представить в виде площади прямо­угольника со сторонами, равными действительной величине магнитной индукции и напряженности магнитного поля (на рисунке 53 прямоугольник заштрихован).

Если величина зазора меняется, то меняется и угол размагничивания, а точка 9 перемещается по кривой размагничивания, что в свою очередь, вызывает изменение удельной магнитной энергии. Можно найти оптимальный угол размагничивания, которому соответствует такая конфигурация магнитной цепи, когда в воздушном зазоре может быть получена максимальная удельная магнитная энергия, как это изображено.

Этот параметр является наиболее важной характеристикой магнитотвердого материала. Иногда вместо максимальной удельной магнитной энергии используют пропорциональную ей величину - энергетическое максимальное произведение, которое равно удвоенному значению максимальной удельной энергии.

Максимальная удельная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция и коэрцитивная сила магнитотвердого материала, а также больше коэффициент выпуклости кривой размагничивания γ, который тоже является важной характеристикой магнитотвердого материала

Литые магнитотвердые материалы изготавливают из сплавов на основе железо-никель-алюминий и железо-никель-алюминий-кобальтовых сплавов с некоторыми дополнительными присадками. Высокая коэрцитивная сила этих сплавов объясняется их однодоменным строением.

При охлаждении сплавов (при высокой температуре сплавы имеют структуру однородного твердого раствора) происходит распад твердого раствора на две фазы, одна из которых близка по составу к чистому железу, а вторая состоит из сплава никеля с алюминием и является по существу немагнитной. Задача заключается в том, чтобы выбрать такую скорость охлаждения, при которой частицы магнитной фазы имели бы размеры однодоменных частиц и были равномерно распределены в немагнитной матрице. Такая структура и обеспечивает большую величину коэрцитивной силы сплавов и высокое значение удельной магнитной энергии (таблица 3). Из-за высокого уровня магнитных свойств эта группа материалов является в настоящее время основной для изготовления постоянных магнитов, которые характеризуются к тому же высокой стабильностью (нагрев до 500°С не вызывает структурных изменений в материале).

К недостаткам сплавов следует отнести высокую твердость и хрупкость; сплавы можно механически обрабатывать только шлифованием.

Мартенситные стали являются наиболее старой группой магнитотвердых материалов. Они имеют многодоменную структуру, а их магнитная жесткость достигается закалкой на мартенсит. При такой закалке в материале создается высокий уровень внутренних напряжений, что согласно теории коэрцитивной силы и делает материал магнитотвердым. Удельная магнитная энергия обычно невелика (0,6 - 1,4 кДж/м3).

В настоящее время применение магнитов из этих сталей весьма ограничено из-за низкого уровня свойств, малой временной и температурной стабильности. Полностью от этих материалов не отказываются, так как они сравнительно дешевы и допускают механическую обработку.

Пластически деформируемые сплавы включают большое количество различных систем: железо-никель-медь (кунифе), железо-никель-кобальт и др. В связи с появлением литых магнитотвердых материалов эта группа сплавов утратила свое значение и в нас­тоящее время применяется ограниченное количество сплавов систем железо-кобальт-ванадий (викаллой) и железо-хром-кобальт.

Основное достоинство сплавов - способность к пластической деформации, что позволяет изготавливать из них магниты сложной формы, когда затруднено изготовление методом литья. Материал имеет высокую стоимость из-за повышенного содержания ко­бальта.

Свойства викаллоев (52К12Ф, 52К13Ф): остаточная индукция - 0,90 - 0,95 Тл, коэрцитивная сила - 30 - 38 кА/м, удельная магнитная энергия - 8-14 кДж/м.

Таблица 3 - Свойства магнитотвердых материалов

Вид материала и марка	Wmax, кДж/м3	Hc, кА/м	Br, Тл
1	2	3	4
Литые МТМ ЮНД8 ЮНДК24 ЮНДК35Т5БА ЮНДК40Т8АА	5,1 18 36 32	44 48 110 145	0,60 1,20 1,02 0,90
Сплавы на основе благородных Ме ПлК78 ПлК76	40 40	350 300	0,75 0,70
1	2	3	4
Магнитотвердые ферриты 6БИ240 22БА220 30РА190	3 11 15	125 215 185	0,19 0,36 0,40
Сплавы на основе редкоземельных элементов КС37 КС37А КСП37П КСП37А	55 65 65 72,5	540 560 520 500	0,77 0,82 0,85 0,90

Сплавы на основе благородных металлов. К настоящему времени из всех сплавов этой группы не утратили своего значения только сплавы системы платина-кобальт (выпускают всего два сплава) (таблица 3). Их применяют для изготовления магнитов измерительных приборов, роторов миниатюрных шаговых двигателей и т.д., во всех случаях, когда требуется высокая коэрцитивная сила (до 350 кА/м).

Магнитотвердые ферриты являются неметаллическими (оксидными) материалами, обладающими магнитными свойствами. Практическое применение нашли ферриты бария и стронция с гексагональной структурой и феррит кобальта со структурой шпинели. Как и все ферриты, они имеют невысокую остаточную индукцию (из-за низкой индукции насыщения), то вследствие большой магнитной анизотропии - большую коэрцитивную силу. Последнее обстоятельство позволяет применять эти материалы в магнитных цепях с большим коэффициентом размагничивания, как и сплавы на основе платины (таблица 3).

В настоящее время эта группа материалов вытесняет другие группы особенно те, которые традиционно применялись для открытых магнитных цепей; их доля в общем объеме производства составляет больше половины и продолжает возрастать. Это объясняется высоким уровнем свойств, низкой стоимостью и удобной технологией.

Сплавы на основе редкоземельных элементов были открыты в конце 60-х годов. Существует несколько соединений интерметаллического типа металлов группы железа и редкоземельных элементов (самария, празеодима, церия, иттрия, лантана), которые обладают магнитными свойствами. Наилучшие результаты получены у соединения S_mCO₅. Благодаря специальной технологии удается создать промышленные марки сплавов с хорошими свойствами. В настоящее время промышленность выпускает четыре марки сплавов на основе кобальта, самария и празеодима (таблица 3).

Эта группа материалов является рекордсменом в области магнитных свойств (в лаборатории уже получены образцы с энергией 128 кДж/м³). Материалы могут работать в любых условиях, но дефицитны и имеет высокую стоимость.

Композиционные материалы являются перспективными материалами для практического применения вследствие более производительной технологии. Основой являются однодоменные частицы наполнителя, распределенные в немагнитной матрице (связке).

В качестве связки используют резины, каучуки и получают магниты, которые называют магнитоэластами. Если для связки применяют пластмассы, то магниты называют магнитопластами. В качестве наполнителей применяют: порошки ферритов бария, стронция и реже сплавов кобальта с редкоземельными элементами. Наполнители из литых сплавов типа ЮНДК. в настоящее время не применяют. Магнитные свойства композиционных материалов ниже, чем у компактных аналогичных применяемому наполнителю.

Расчёты.

Выводы.

Измеренные величины соответствуют теоритическим.