Опорный конспект темы «Магнитно-твёрдые материалы» Металлические магнитно-твердые материалы

1. Требования, предъявляемые к постоянным магнитам

Магнитно-твердые материалы применяют для изго­товления постоянных магнитов и других деталей. Пер­вое требование, предъявляемое к постоянным магнитам, заключается в том, что они должны создавать в воздуш­ном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по величине напряженностью и магнитной индукцией. 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, и удель­ная магнитная энергия. Этот процесс называется старе­нием магнита. 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, поэтому является необрати­мым. Вторым требованием, предъявляемым к магнитно-твердым материалам, является устойчивость к старению.

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

2. Мартенситные стали.

Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях получается посредством их за­калки— нагрева до температуры, при которой сталь представляет собой раствор углерода в железе (аустенит), и последующего резкого охлаждения в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа резко искажаются — вытягиваются в длину, а оставшая­ся часть раствора углерода вызывает внутренние напря­жения. Все это обеспечивает магнитную твердость по­стоянным магнитам, изготовленным из мартенситных сталей.

В качестве мартенситных сталей применяют хроми­стые, вольфрамовые и кобальтовые. В хромистые стали в качестве легирующего компонента вводят хром (1,3— 3,6%), в вольфрамовые — вольфрам (5,5—6,5%) и хром (0,3—0,5%), в кобальтовые стали — кобальт (5—17%), молибден (1,2—1,7%) и хром (6—10%). Все 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 на мартенсит, а затем намагничивают. Для стаби­лизации магнитных характеристик все магниты подвер­гают искусственному старению.

Основные магнитные характеристики стальных маг­нитов: хромистых B_r=0,90 Т; Н_с = 4400 А/м; вольфрамо­вых Br=1 Т; Нс = 4800 А/м; кобальтовых В_г = 0,8—0,9 Т;

Н_с = 11 ООО—13 500 А/м. Лучшими материалами являют­ся кобальтовые стали, но они значительно дороже хро­мистых и вольфрамовых. Все стали находят ограничен­ное применение ввиду невысокого уровня их магнитных характеристик.

3. Железо — никель — алюминиевые сплавы.

Сплавы этого состава, легированные кобальтом, титаном или ниобием, подвергнутые особой термической обработке, обладают высоким уровнем магнитных характеристик: В_г = 0,9—1,38 Т; Н_с=(42—97) • 10³ А/м. Эти сплавы обо­значаются марками: ЮНД12; ЮНДК15, ЮНДК24, ЮНДК24Б, ЮНДК35Т5 и др. Буквы обозначают ком­поненты, входящие в состав сплавов на основе железа: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий. Постоянные магниты из этих нековких сплавов можно получать только методом ли­тья с последующей обработкой их шлифованием.

Высокий уровень характеристик магнитной твердости магнитов из этих сплавов достигается специальной тер­мообработкой, заключающейся в следующем. Вначале производят нагрев магнитов до температуры 900— 1200° С с последующим охлаждением на воздухе или в воде. При этом все составные части сплава (алюми­ний, никель и др.) будут растворены в железе, образуя пересыщенный раствор. С течением времени растворен­ные- в железе компоненты сплава начинают выпадать в виде мелкодисперсных частиц. Последние вызывают внутренние напряжения в кристаллах железа, что обес­печивает материалу высокий уровень магнитной твердо­сти. Чтобы ускорить этот процесс, производят отпуск закаленного магнита, т. е. его нагревают до температу­ры 500—650° С, при которой начинают выпадать рас­творенные в железе компоненты. При этом соблюдают критическую скорость охлаждения: 15—20° С в секунду. Описанный процесс тепловой обработки магнитов из этих сплавов, называемый дисперсионным твердением, состоит из двух этапов — закалки и отпуска .

Уровень магнитных характеристик у сплавов с содер­жанием кобальта от 15% и выше можно повысить по­средством термомагнитной обработки отлитых магнитов. Для этого магнит нагревают до 1300° С и охлаждают в сильном магнитном поле со скоростью 10—15° С в се­кунду. Вследствие ориентации магнитных доменов в направлении действия внешнего магнитного поля, ох­лажденные магниты приобретают магнитную текстуру. В результате этого их магнитная энергия возрастает в среднем на 60—80% за счет резкого увеличения оста­точной магнитной индукции. После закалки магнитов во внешнем магнитном поле их подвергают отпуску, т. е. повторному нагреву до 600° С и охлаждению с оптималь­ной скоростью (15—20°С/с).

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 вследствие большой твердости и хрупкости. Магниты из этих сплавов можно обрабатывать только шлифованием.