Магнитотвердые материалы (порошковые, литые и деформируемые материалы). Состав, марки, свойства, применение материалов.
Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов.
К магнитотвердым литым материалам относятся сплавы системы Fe - Ni - Al. При 20°С в своей структуре они содержат ферромагнитную фазу β1 с большим содержанием железа, вкрапленную в слабоферромагнитную фазу β2. При термической обработке высокотемпературная фаза β испытывает превращение β→β1+β2, в результате чего удастся получить однодоменные кристаллы ферромагнитной фазы β1 пластинчатой формы (рис. 16.17), которая обеспечивает большие значения НС, Вт и ωmax.
Закалка включает нагрев до 1200 - 1280 °С (в зависимости от состава) и охлаждение с определенной критической для каждого сплава скоростью, обеспечивающей наибольшую дисперсность выделений фазы β1. При последующем отпуске (590 – 650 °С) происходит дораспад фаз и дополнительное улучшение магнитных свойств.
Сплав системы Fe - Ni - Al содержат 12 - 35% Ni и 6,5 - 16% Al. Применяют сплавы, дополнительно легированные Си, Со, Ti, Nb. Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает разброс их значений при неизбежных колебаниях состава. Маркируют эти сплавы так же, как и стали. Магнитные свойства некоторых промышленных сплавов приведены в табл. 16.9.
Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке проводить в сильном магнитной поле (Н > 120кА/м). В таком случае пластинки и результате магнитострикционных напряжений растут вдоль поля и векторы намагничивания ориентируются в том же направлении. Материал после термической обработки приобретает магнитную анизотропию (рис. 16.20,б), что значительно увеличивает Нс и ωmax . Наибольший эффект от такой термомагнитной обработки(80%) получен на сплавах с повышенным содержанием кобальта.
Дальнейшее улучшение магнитных свойств в литых сплавах получают на столбчатых кристаллах, выращивал их при кристаллизации сплава с направленным теплоотводом и в магнитном поле. Длина таких кристаллов может достигать 300 мм. Ось кристалла совпадает с направлением легкого намагничивании. Сплав благодаря анизотропии формы приобретает высокие значения Нс и Вr; увеличение выпуклости кривой размагничивании приводит к росту ωmax (рис. 16.18).
К недостаткам литых сплавов системы Fe - Ni - Аl относятся их повышенная хрупкость и высокая твердость, что исключает все виды обработки, кроме шлифования. Этих недостатков лишены порошковые сплавы системы Fe - Ni - Al.
Порошковые магнитотвердые материалы
Сплавы системы Fe - Ni - Al получают спеканием порошков металлов при 1300°С в атмосфере аргона или иной защитной атмосфере. Дли обеспечения высоких значений Br и ωmax сплавы не должны быть пористыми. Порошки используют мелкодисперсные и желательно неравноосные. Магнитные свойства порошковых сплавов (после тех же видов термической и термомагнитной обработки, которые применяют и для литых сплавов) приведены в табл. 16.10. Такие сплавы используют для мелких и точных по размеру магнитов. Но составу порошковые сплавы близки к литым, но по магнитным свойствам несколько уступают им.
Магнитотвердые ферриты также получают спеканием порошков оксидов FeO, ВаО, СоО. По своим магнитным свойствам (ωmах и особенно Вr) они уступают литым сплавам, однако, будучи диэлектриками, могут использоваться как постоянные магниты в высокочастотных магнитных полях без тепловых потерь. Значение Hс у ферритов значительно выше, чем у литых сплавов. Это результат наличия в структуре однодоменных неравноосных частиц оксидов (рис. 16.19). Свойства некоторых ферритов бария и кобальта приведены в табл. 16.11.
Число, стоящее в марке на первом месте, определяет значение
(BxHx)max = 2ωmax; буквы Б и К указывают металл в оксиде; буквы И и А соответственно означают изотропный или анизотропный феррит. Трехзначное число и конце марки равно коэрцитивной силе НсМ, определенной по намагниченности М.
Высокое значение коэрцитивной силы НсМ, определенной по намагниченности М, у бариевых ферритов связано с большой константой анизотропии К и анизотропией формы порошков. Диаметр однодоменной частицы у ферритов бария составляет 1,5 мкм, что позволяет придавать им некоторую неравноосность. Такие ферриты имеют высокую структурную и магнитную стабильность. Прессование порошков в магнитном
поле делает ферриты анизотропными, так как векторы намагниченности Ms ориентируются вдоль поля.
Кобальтовые ферриты уступают бариевым в значении константы анизотропии. Кроме того, диаметр однодоменной частицы в них очень мал - 0,1 мкм, что осложняет их получение, в особенности, в неравноосной форме. Промышленные анизотропные кобальтовые ферриты уступают по магнитным свойствам бариевым ферритам. Достоинством их является большая температурная стабильность.
Магниты также изготовляют из кристаллов промежуточных фаз редкоземельных металлов с кобальтом, состав которых отвечает формулам RСo5 и R2Сo17, где R — редкоземельный металл (самарий Sm, празеодим Рr, иттрий Y).
Технология изготовления магнитов из соединений с редкоземельными металлами является сложной, но это единственный путь достижения исключительно больших значений магнитной энергии: от 55 - 72,5 кДж/м3 для материалов на основе сплавов системы Sm-Co и до 250 - 400 кДж/м3 для материалов на основе соединения Nd2Fe14B. Это достигается переработкой порошков, частицы которых являются монокристаллическими и имеют размеры, близкие к критическому размеру домена (~3-10 мкм). Для получения таких порошков сплавы подвергают тонкому размолу. Прессование магнитов из порошков осуществляют в магнитном поле для получения магнитной текстуры. Последующее спекание прессовок в вакууме или инертном газе имеет целью повышение прочности и плотности. Спеченные прессовки отжигают по специальным режимам, чтобы окончательно завершить формирование комплекса магнитных свойств.
Совершенствование технологии производства порошка из сплава Nd2Fe14B с использованием быстрой закалки расплава (V ~ 106 °С/с) позволило получить частицы удлиненной формы длиной до 200 мкм. Горячее компилирование порошка обеспечило высокую плотность материала и одновременно создало в нем кристаллографическую текстуру. По этой технологии изготовлены магниты с ωmax = 400 кДж/м3, Br = 1,05...1,35 Тл и Hc=800...1000 кА/м. Дополнительное легирование сплавов типа Nd2Fe14B такими элементами, как Dy, Gd, Со, Аl, Мn, используют для расширения диапазона значений магнитных характеристик и повышения их стабильности.
Ниже приведены значения константы анизотропии К, намагниченности насыщения Мs при 20 °С и расчетные значения коэрцитивной силы HсМ:
Видно, что значение К у таких фаз на два порядка больше, чем у железа. Это дает основание считать, что процесс размагничивания идет в результате вращения векторов намагничивания и НсМ определяется кристаллографической анизотропией. Названные соединения редкоземельных металлов с кобальтом имеют кристаллические решетки с пониженной симметрией (гексагональная или тетрагональная), что и определяет большие значения К и НсM.
Магнитные характеристики серийных сплавов редкоземельных металлов приведены в табл. 16.12.
Значения коэрцитивной силы HcM таких сплавов на порядок меньше расчетных, но выше, чем у бариевых и кобальтовых ферритов в 4 - 5 раз. Кривые размагничивания опытного анизотропного сплава из редкоземельных металлов (рис. 16.20) показывают значения НсM и HсB, равные 1320 и 808кА/м соответственно при ωmax = 104 кДж/м3.
Деформируемые магнитные сплавы
Сплавы на основе пластичных металлов (Fe, Со, Сu), их марки и магнитные свойства приведены в табл. 16.13. Сплавы подвергают обработке давлением, что позволяет использовать их как магниты и виде тонких лент и проволоки. Хорошие магнитные свойства получают после закалки и старения, что объясняется образованием мелкодисперсных ферромагнитных фаз в немагнитной основной фазе. В процессе пластической деформации в хромко, кунифе и викаллое возможно формирование кристаллографической текстуры, что дополнительно улучшает магнитные свойства. Сплав кобальта с платиной характеризуется высоким значением Нс, его магнитная мощность ωmax близка по значению к ωmax литых сплавов Fe Ni Al. Единственный недостаток сплава — присутствие драгоценного металла, что ограничивает его применение.
