Металлические магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления по­стоянных магнитов, используемых в радиоаппаратуре. Основное требова­ние, предъявляемое к постоянным магнитам, заключается в том, что они должны создавать в воздушном. зазоре между своими полюсами магнит­ное поле с постоянными напряженностью и магнитной индукцией. Для этого постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т. е. магнитно-твердые материалы должны иметь возможно большие коэр­цитивную силу и остаточную' магнитную индукцию.

У всякого постоянного магнита с течением времени уменьшается маг­нитный поток, а следовательно, удельная магнитная энергия. Этот про­цесс, называемый старением магнита, может быть обратимым и необра­тимым. Один вид старения наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры магнита. Такому магниту можно возвра­тить прежние магнитные свойства повторным намагничиванием. Другой вид старения связан с изменением структуры магнитно-твердого материа­ла и является необратимым. Итак, вторым требованием к магнитно-твердым материалам является устойчивость их к старению.

Металлические магнитно-твердые материалы можно разделить на три основные группы: мартенситные высокоуглеродистые легированные стали; сплавы на основе железа — алюминия — никеля; металлокерамические маг­нитно-твердые материалы.

Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях образуется за­калкой — нагревом до температуры, при которой сталь переходит в раствор углерода в железе (аустенит), и последующим резким охлаждением в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа резко искажаются — вытягиваются в длину, а мельчайшие (высокодисперсные) частицы карбида (Fe₃C), рассеиваясь в микроструктуру стали, увеличивают внутренние напряжения в ее кристаллах. Это обеспечивает магнитную твердость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных сталей. Постоянные магниты из закаленной легированной стали обладают сравни­тельно большой коэрцитивной силой и остаточной магнитной индукцией.

В качестве мартенситных сталей применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые. В хромистых сталях легирующим компонентом являются хром (1,3—3,6%), в вольфрамовых—вольфрам (5,5—6,5%) и хром (0,3—0,5%), в кобальтовых—кобальт (5—17%), молибден (1,2—1,7%) и хром (6- 10%). Эти стали содержат 0,9- 1,1 % углерода, остальное - же­лезо.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мар­тенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают 6а мартенсит, а затем намагничивают. Для ста­билизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусствен­ному старению — многочасовой выдержке их в кипящей воде.

Основные магнитные характеристики стальных магнитов следующие:

хромистых Вr = 0,90 Тл; Hс = 4600 А/м; W_м = 2,4 кДж/м³; вольфрамовых

Вr = 1 Тл; Hс = 5000 А/м; W_м = 5,5 кДж/м³; кобальтовых Вr =0,95 -1,1 Тл; Н_с= 80QO - 13 600 А/м; W_м =11,0 кДж/м³. Лучшими являются ко­бальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых. Все стали являются доступными и легко обрабатываемыми материалами, но применение их ограничено из-за относительно невысоких магнитных характеристик.

Более высокими магнитными характеристиками обладают магнитно-твердые сплавы на основе железа — алюминия — никеля, легированные ко­бальтом, медью, титаном и ниобием, например ЮНД12, ЮНДК15, ЮНДК18, ЮН13ДК14 и др. Буквы в марках сплавов обозначают: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Б — ниобий, Т — титан. Цифры, стоящие за соответствующей буквой, показывают содержание данного компонента сплава в процентах (по массе). Магниты из этих спла­вов могут быть получены только методом литья и имеют высокие маг­нитные. характеристики: В_r =0,5 -1,4 Тл; Hс=(42-145)-10³ А/м;

W_m =14—32 кДж/м³. Такого уровня магнитных характеристик достигают благодаря процессу дисперсионного отверждения, который заключается в следующем. Магнит нагревают до 1100—1200 °С, при этом составные ча­сти сплава растворяются в железе. Затем при быстром охлаждении магни­та в его материале образуется перенасыщенный твердый раствор компо­нентов сплава.

Растворенные в избыточном количестве в железе компоненты сплава с течением времени начинают выпадать в виде высокодисперсных частиц, которые, рассеиваясь по объему магнита, вызывают внутреннее напряжение

в кристаллах железа. Это обеспечивает сплаву большие коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию. Чтобы ускорить этот процесс, производят отпуск магнита, соблюдая критическую скорость охлаждения (15—30°С в 1 с). Такая обработка магнитов называется дисперсионным

•твердением.

Магнитные характеристики сплавов с содержанием кобальта от 12% и выше можно повысить термомагнитной обработкой отлитых магнитов. 'Для этого магнит нагревают до 1300°С и охлаждают в сильном магнит­ном поле (скорость охлаждения 10—15 "С в 1 с). Вследствие ориентации доменов в направлении действия внешнего магнитного поля охлажденные магниты приобретают магнитную текстуру, в результате этого их энергия возрастает на 20—30% за счет резкого увеличения остаточной магнитной индукции. Магниты из этих сплавов значительно более стойки к старению, чем мартенситные стали. Недостатком этих сплавов является то, что они не поддаются обычным методам механической обработки из-за большой твердости и хрупкости. Магниты из кобальтовых железоникельалюми-ниевых сплавов можно обрабатывать шлифованием.

Металлокерамические маг­ниты

Магниты очень малых размеров или сложной формы в массовом про­изводстве стараются изготовлять из металлокерамических материалов, которые получают из металлических порошков. Металлокерамические маг­ниты изготовляют на основе порошков железо — никель — алюминий или железо — никель — алюминий — кобальт, которые берут в соотношениях, обеспечивающих твердость магнитам после их прессования и последующе­го спекания при высоких температурах. Металлы и их сплавы измельчают до частиц размером не менее 10 мкм. Из порошкообразной исходной массы магниты прессуют при давлении 1,0—1,5 МПа. Отпрессованные магниты спекают в защитной атмосфере или вакууме при 1100—1300°С. Спеченные магниты закаливаьот, а затем производят отпуск, охлаждая их с заданной скоростью. Для улучшения магнитной твердости магнитов, в состав которых входит кобальт, их подвергают термомагнитной обра­ботке под действием внешнего магнитного поля.

Металлокерамичёские магниты в готовом, виде имеют небольшую по­ристость (2—5%), которая несколько снижает их магнитные характеристи­ки. Достоинствами металлокерамических магнитов являются чистота их поверхности, не требующая дополнительной обработки, и точность за­данных размеров. Магниты, из металлокерамических материалов можно обрабатывать только шлифованием. Магнитно-твердые материалы на ос­нове редкоземельных металлов и кобальта отличаются большими коэрци­тивной силой и удельной объемной энергией. Эти сплавы представляют собой интерметалличсские соединения типа RCO₅, в которых R — редкозе­мельный металл (иттрий, самарий или цезий), остальное — кобальт. По­стоянные магниты из этих веществ могут быть получены методом холод-

ного прессования из порошкообразных масс с последующим спеканием или методом литья. Полученные образцы постоянных магнитов этих составов обладают следующими характеристиками: Вr = 0,80 — 95 Тл;

H_c == (10- 13) • 103 А/м; W_м =60-90 кДж/м^З.

Ферриты

Ферриты представляют собой соединения оксида железа Fе₂Оз с окси­дами других металлов ZnO; NiO и др. Ферриты изготовляют из порош­кообразной смеси оксидов этих металлов. Отпрессованные ферритовые из­делия подвергают спеканию при высоких температурах. Название феррита определяется названием двухвалентного или (реже) одновалентного метал­ла, оксид которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит оксид цинка ZnO, то феррит называется ферритом цинка, если ок­сид никеля NiO — ферритом никеля и т.д.

Ферриты, в состав которых кроме оксида железа Fе₂Оз входит только один оксид другого металла, называются простыми. Химическая формула простого феррита в общем виде - записывается так: МеО * Fe₂O₃ или MeFe₂0₄, где Me — обозначение металла, оксид которого входит в состав феррита. Химические формулы ферритов цинка и никеля записываются так: ZnFe₂0₄ или NiFe₂0₄.

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так, фер­риты цинка и кадмия CdFe₂0₄ являются немагнитными, веществами. На­личие или отсутствие магнитных свойств у простых ферритов определяет­ся их составом и распределением ионов в кристаллической решетке. Перечисленные выше простые ферриты имеют кубическую решетку типа шпинели. Такая решетка представляет собой плотную упаковку двухва­лентных отрицательно заряженных ионов кислорода, между которыми распределены положительно заряженные ионы металлов, окруженные четырьмя или шестью ионами кислорода. Ионы металлов в кубической

ре­шетке шпинели могут распределяться, образуя нормальную либо обра­щенную шпинель. Ферриты цинка и кадмия, кристаллизующиеся в

нор­мальную шпинель, не обладают магнитными свойствами, а ферриты, кри­сталлизующиеся в обращенную шпинель, обладают магнитными свойствами.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы и немагнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами. Например, твердый раствор двух простых ферритов цинка и никеля образует смешанный никель-цинковый феррит, химическую формулу которого за­писывают так: Ni_хZn(_{1 - х})*Fe₂0₃. В приведенной формуле х обозначает молярную долю* оксида никеля в материале, а (1- х) — молярную долю оксида цинка, причем сумма этих долей равна единице. (* Молярная доля — количество данного оксида в феррите).

Ферриты изготовляют по технологии производства керамики, т. е. ис­ходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соот­ношении, измельчают в мельницах. Из этой смеси тонкопомолотых

по­рошков прессуют брикеты, которые подвергают первоначальному обжигу в печи. Спекшиеся брикеты размалывают и в полученный

тонкодисперсный порошок вводят какой-либо пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изде­лия (сердечники, кольца), которые обжигают при 1000 — 1400 ^оC. Полу­ченные твердые хрупкие изделия (преимущественно черного цвета) можно обрабатывать только шлифованием.

Наиболее широко применяют в РЭА смешанные магнитно-мягкие фер­риты: никель-цинковые, марганец-цинковые, литий-цинковые. Условные обозначения ферритов: НН — никель-цинковые; НМ — марганец-цинковые; ВЧ — литий-цинковые высокочастотные; СЧ — сверхвысокочастотные; ВТ — с прямоугольной гистерезисной петлей. Цифры, стоящие впереди буквенных обозначений, указывают среднее значение начальной магнитной проницаемости. В марках сверхвысокоча­стотных ферритов эти цифры обозначают среднюю длину волны (см), в марках ферритов с прямоугольной гистерезисной петлей — коэрцитив­ную силу (А/м). Например: 4000НМ — марганец-цинковый феррит с на­чальной магнитной проницаемостью, равной 4000; 150ВЧ — высокоча­стотный феррит с начальной магнитной проницаемостью 1

Достоинствами ферритов являются ста­бильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые по­тери на вихревые токи, малый коэффици­ент затухания электромагнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей. Как все магнитные материалы, ферриты сохраняют свои магнитные свой­ства только до температуры Кюри Тк. У различных по составу ферритов значения Тк колеблются в широких пределах: от 70 до 500 °С. В радиоаппаратуре СВЧ металлические магнитные материалы и низкочастотные ферриты (никель-цинковый и др.) не могут применяться из-за мало­го удельного электрического сопротивления, которое приводит к большим потерям на вихревые токи.

В технике СВЧ применяют поликри­сталлические и монокристаллические ферриты. К поликристаллическим относятся литиевый (10СЧ9), магниевые, никелевые и другие ферриты. Эта группа ферритов обладает большим удельным электрическим сопротивлением (10⁸ —- 10¹⁰ Ом-м) и стабильностью магнитных характеристик в диапазоне СВЧ. Широкое применение в технике СВЧ получили ферриты-гранаты, отличающиеся повышенным удельным электрическим сопротивлением и малыми диэлектрическими потерями.

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитно-твердые ферриты, наибольшее применение из которых получили ферриты бария ВаО-6Fe₂Оз. В отличие от магнитно-мягких бариевые ферриты имеют не кубическую, а гексагональную кристаллическую структуру, обладающую магнитной анизотропией, которая увеличивает коэрцитивную силу этих ферритов. По своей структуре ферриты бария представляют собой поли­кристаллические материалы, состоящие из множества кристаллических ча­стиц, ориентированных произвольно, что определяет однородность свойств феррита во всех направлениях. Эти ферриты являются изотропны­ми (марка БИ).

Если же в процессе прессования магнитов порошкообразную массу подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности (Н ≈ 800 кА/м), кристаллические частицы будут ориентированы в одном направлении. Изготовленные таким образом бариевые магниты являются анизотропными (марка БА), которые после обжига в печах и на­магничивания обладают более высокими магнитными характеристиками по сравнению с изотропными. Магниты, изготовленные из бариевых фер­ритов, обладают большим удельным электрическим сопротивлением (10³— 10⁶Ом • м). Для лучшего использования бариевым магнитам при­дают форму, при которой их длина мала по сравнению с сечением.

Бариевые ферриты отличаются хорошей стабильностью своих характе­ристик, но чувствительны к резкому изменению температуры. Их изгото­вляют из недефицитпых порошкообразных материалов — оксидов железа Fe₂0₃ и углекислого бария ВаСО₃; методами керамической технологии. Магниты из бариевых ферритов значительно дешевле магнитов из железоникельалюминиевых сплавов и других металлических материалов.

Недостатками всех ферритов являются хрупкость, а также резко выра­женная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий. Ферриты являются магнитными полупроводниками, и, следо­вательно, с ростом температуры их удельное сопротивление уменьшается, что вызывает увеличение потерь на вихревые токи.