5.4.2 Магнитотвёрдые композиты

Как уже отмечалось, важнейшим недостатком основных групп магнитотвёрдых материалов является их высокая твёрдость и хруп­кость. Применение же пластически деформируемых сплавов ограничено их высокой стоимостью. Очень перспективны для массового применения композиционные магнитотвердые материалы – двухфазные композиции, в которых непрерывной фазой–матрицей служит связка, а дисперсно-дискретные частицы – магнитным наполнителем. В качестве связки используются различные виды каучуков или полимеров-эластомеров (получаемые материалы в этом случае называют магнитоэластами [7,14] или магнитной резиной), а также термопластичные, реже термореактивные, полимеры (в этом случае их называют магнитопластами). В качестве магнитного наполнителя наибольшее применение получили порошки ферритов бария и стронция, реже порошки сплавов кобальта с редкоземельными элементами. Использовавшиеся ранее наполнители из порошков сплавов ЮНДК в настоящее время почти не применяются.

Вследствие наличия в композиционных материалах значительного количества немагнитной фазы их магнитные свойства заметно уступают свойствам соответствующих сплавов или ферритов. Однако их преимущества заключаются в технологичности и высокой производительности процесса изготовления, воз­можности использования в качестве сырья отходов при производстве магнитов, возмож­ности изготовления магнитов любой сложной (в том числе длинномерной) формы, в лёгкости обработки, гибкости и т. п.

В настоящее время за рубежом выпус­кается большая номенклатура марок компо­зиционных магнитотвердых материалов с раз­личным сочетанием магнитных и механических свойств. Магниты из этих материалов широко применяются в шаговых и синхронных электро­двигателях, в телевидении, в акустической аппаратуре (головные телефоны, микрофоны, звукоснимающие устройства, плоские динами­ки), для производства магнитных панелей, способных удерживать символы из магнитомягкого материала, для элементов при ма­кетном проектировании, в товарах культурно-бытового и хозяйственного обихода (магнит­ные уплотнения холодильников, замки, ключи, игры и т.п.). В отечественной промышленности пока се­рийно выпускается только магнитная резина на основе порошка феррита бария, изготов­ляемого специально для этих целей.

Магнитные параметры состав­ляют: B_r – 0,13 Тл; Н_сВ – 84 кА/м; Н_cМ – 170 кА/м; W_max – 1,5 кДж/м³. Из такой магнитной резины изготовляются главным образом элементы уплотнения холодильников, многополюсные пластины, называемые магнитофорами, для медицинских целей. Появле­ния более широкой номенклатуры компози­ционных магнитотвердых марок материалов следует ожидать в ближайшее время. Уже разработаны технологические процессы изго­товления на основе ферритовых порошков магнитоэластов с W_max < 3 кДж/м³ и магнитопластов с W_max < 6 кДж/м ³. На основе порошков сплавов кобальта с редкоземельны­ми элементами получены образцы с W_max <36 кДж/м³.

Технологический процесс изготовления композиционных магнитов состоит из операций изготовления порошка-наполнителя, смешения его с органической связкой, формования из­делий. Ферритовые порошки, применяемые для изготовления спеченных магнитов, не могут быть использованы для композиционных маг­нитов вследствие дефектности, возникающей при помоле и устраняемой последующим спе­канием. Поскольку композиционные материа­лы не подвергаются высокотемпературной обработке, необходимы бездефектные порошки с высокими исходными свойствами. Простей­шим способом получения таких порошков является отжиг порошка после помола при температуре, ещё не приводящей к существен­ному спеканию, но достаточной для восста­новления свойств феррита. Для получения анизотропных композиционных материалов требуются порошки двух видов с чешуйчатой формой частиц для получения анизотропии методами многократной прокатки (калан­дровый эффект) и с изометричной формой частиц для их ориентации в жидком (рас­плавленном) полимере магнитным полем. Со­ответственно, разрабатываются различные тех­нологические процессы изготовления таких порошков. Технология получения порошков сплавов кобальта с редкоземельными элемен­тами не отличается от технологии изготовле­ния порошков для спеченных магнитов. Глав­ная проблема заключается в защите готовых порошков от окисления, например, с помощью покрытий частиц слоем никеля или цинка. Кроме того, для таких порошков целесооб­разнее применять мишметаллы одного из редкоземельных элементов, как более дешевое сырье. Разрабатываются также методы прямого (без выплавки) получения порошков совместным восстановлением оксидов редко­земельных элементов и кобальта, например, парами металлического кальция.

Технологические операции смешения выбирают в зависимости от дисперсности по­рошка и типа органической связки. При использовании каучуков однородности смеси добиваются многократным прокатыванием массы через валки. При использовании термореактивных полимеров в виде сухих порошков применяют смесители непрерывного или пери­одического действия. При использовании термопластичных полимеров смешение производится в жидкой среде. Разрабатываются также методы получения микрокапсулированных порошков, в которых частицы магнитотвердого материала покрываются слоем мономера. Количество связки при приготовлении композиции определяется дисперсностью по­рошка, необходимыми магнитными параметра­ми, методом формования и требуемыми меха­ническими свойствами готовых магнитов. Обыч­но количество связки составляет (2–20) % по массе. Формование изделий из композиционных материалов осуществляется способами, разработанными для формования полимерных материалов. Применяются каландрование (прокатка), литьё под давлением, прессование, экструзия, пропитка полимером предваритель­но спрессованной заготовки. Если в процессе формования полимер проходит стадию рас­плавления, появляется возможность магнитной ориентации. Однако из-за высокой вязкости полимеров необходимы поля напряженностью не менее (800–1200) кА/м. Применяются как постоянные, так и импульсные магнитные поля. Указанные методы формования позво­ляют получать композиционные магнитотвердые материалы в виде листов, лент, стержней, труб, колец, дисков, пластин и изделий многих других форм.