5 Магнітотверді матеріали

Магнітотверді матеріали застосовують для виготовлення постійних магнітів і інших деталей. Постійні магніти повинні створювати в повітряному зазорі між своїми полюсами магнітне поле з постійними по величині напруженістю і магнітною індукцією. Постійний магніт повинен володіти великою магнітною енергією, тобто магнітотверді матеріали повинні мати велику коерцитивну силу і велику залишкову магнітну індукцію.

У всякого постійного магніту з плином часу зменшується магнітний потік, а значить, і питома магнітна енергія. Цей процес називається старінням магніту.

Один вид старіння настає внаслідок вібрацій, ударів, різкої зміни температури магніту. Такому магніту можна повернути магнітні властивості повторним намагнічуванням. Другий вид старіння зв'язаний зі зміною структури магнітотвердого матеріалу, тому є необоротним. Вимогою, яка також ставиться до магнітотвердих матеріалів, є стійкість до старіння.

Металеві магнітотверді матеріали можна поділити на три основні групи: мартенситні високовуглецеві сталі; сплави на основі заліза-алюмінію-нікелю; металокерамічні матеріали.

Мартенситні сталі. Мартенситна структура у високовуглецевих сталях виготовляється за допомогою їх гартування – нагрівання до температури, при якій сталь становить собою розчин вуглецю у залізі (аустеніт), і наступного різкого охолодження у воді або маслі. При мартенситній структурі кристали заліза різко змінюються – витягуються у довжину, а частина розчину вуглецю, яка залишилася, спричинить внутрішнє напруження. Все це забезпечує магнітну твердість постійним магнітам, виготовленим із мартенситних сталей.

В якості мартенситних сталей застосовують хромисті, вольфрамові і кобальтові сталі. В хромисті сталі в якості легуючої компоненти вводять хром (1,3…3,6%), у вольфрамові – вольфрам (5,5…6,5%) і хром (0,3…0,5%), в кобальтові сталі – кобальт (5…17%), молібден (1,2…1,7%) і хром (6…10%). Всі ці сталі також містять 0,9…1,1% вуглецю, решта – залізо.

Основні магнітні характеристики сталевих магнітів: хромистих В_r = 0,9 Тл; Н_с = 4400 А/м; вольфрамових В_r = 1 Тл; Н_с = 4800 А/м; кобальтових В_r = 0,8…0,9 Тл; Н_с = 1000…13500 A/м. Кращими матеріалами є кобальтові сталі, але вони значно дорожчі хромистих і вольфрамових. Всі сталі знаходять обмежене використання в зв'язку із невисоким рівнем їх магнітних характеристик.

Залізо-нікель-алюмінієві сплави. Сплави цього складу, леговані кобальтом, титаном або ніобієм після особливої термічної обробки мають високий рівень магнітних характеристик: В_r = 0,9…1,38 Тл; Н_с = (42…97)·10³ А/м.

Альні – сплав алюмінію нікелю та заліза. Ці сплави мають в 4,5 рази більшу магнітну енергію (до 26 кДж/м³) ніж загартовані на мартенсит сталі.

Альнісі – сплав алюмінію нікелю із доданням кремнію.

Альніко, магніко – сплав алюмінію нікелю із доданням кобальту (магніко – більш значна частка кобальту). Такі сплави мають магнітну енергію в 15 разів більшу ніш у загартованих на мартенсит сталей.

Ці сплави позначаються марками: ЮНД12 (альні); ЮНДК15, ЮНДК24, ЮНДК24Б (альніко); ЮНДК35Т5 (магніко) та ін. Букви показують компоненти, які входять до складу сплавів на основі заліза. Ю – алюміній, Н – нікель, Д – мідь, К – кобальт, Т – титан, Б – ніобій. Постійні магніти із цих нековких сплавів можна отримувати тільки методом лиття з подальшою обробкою їх шліфуванням.

Високий рівень характеристик магнітної твердості магнітів із цих сплавів досягається спеціальною термообробкою. Спочатку нагрівають магніти до температури 900…1200°С з подальшим охолодженням на повітрі або в воді. При цьому всі складові частини сплаву (алюміній, нікель та ін.) будуть розчинені в залізі, утворюючи пересичений розчин. Через деякий час розчинені в залізі компоненти сплаву починають випадати у вигляді дрібнодисперсних частинок. Останні спричинюють внутрішні напруження в кристалах заліза, що забезпечує матеріалу високий рівень магнітної твердості. Щоб прискорити цей процес проводять відпускання загартованого магніту, тобто його нагрівають до температури 500…600°С, при якій починають випадати розчинені в залізі компоненти. При цьому витримують критичну швидкість охолодження: 15…20°С в секунду. Описаний процес теплової обробки магнітів з цих сплавів називається дисперсійним твердінням і складається з двох етапів – гартування і відпускання.

Рівень магнітних характеристик у сплавів з вмістом кобальту від 15% і вище можна підвищити з допомогою термомагнітної обробки відлитих магнітів. Для цього магніт нагрівають до 1300°С і охолоджують в сильному магнітному полі зі швидкістю 10..15°С в секунду. Внаслідок орієнтації магнітних доменів у напрямку дії зовнішнього магнітного поля, охолоджені магніти набувають магнітну текстуру. Внаслідок цього їх магнітна енергія зростає в середньому на 60…80% за рахунок різкого збільшення залишкової магнітної індукції. Після гартування магнітів у зовнішньому магнітному полі їх піддають відпусканню, тобто повторному нагріванню до 600°С і охолодженню з оптимальною швидкістю (15…20°С/с).

Магніти з цих сплавів більш стійкі до старіння, ніж мартенситні сталі. Недоліком цих сплавів є те, що вони не піддаються звичайним методам механічної обробки внаслідок великої твердості і крихкості. Магніти з цих сплавів можна обробляти тільки шліфуванням.

Металокерамічні матеріали (порошкові магніти). Магніти дуже малих розмірів або складної форми в масовому виробництві намагаються виготовляти з металокерамічних матеріалів. Ці матеріали отримують із металевих порошків, які беруть у співвідношеннях, що забезпечують магнітну твердість магнітам після їх пресування і подальшого спікання при високих температурах. Металокерамічні магніти виготовляють на основі порошків із сплавів: залізо-нікель-алюміній або залізо-нікель-алюміній-кобальт. Чисті метали або їх сплави подрібнюють до частинок розміром 10…75 ∙ 10^-6 м. Із порошкоподібної вихідної маси магніти пресують при тиску (10…15)·10⁵ Н/м². Відпресовані магніти обпікають у захисній атмосфері або у вакуумі при температурі 1100…1300°С. Спечені магніти гартують, а потім відпускають, охолоджуючи з заданою швидкістю. Магніти, до складу яких входить кобальт, підлягають термомагнітній обробці під дією зовнішнього магнітного поля. Це покращує їх магнітні характеристики (В_r і Н_с).

Металокерамічні магніти в готовому вигляді мають невелику пористість (2…5%), яка трохи знижує їх магнітні характеристики (на 10…20%). Позитивною якістю металокерамічних магнітів є чистота їх поверхні, яка не потребує допоміжної обробки, і точність заданих розмірів. Магніти з металокерамічних матеріалів можуть оброблятися тільки шліфуванням.