Учебное пособие 800438

Материалы со специальными магнитными свойствами.

Сплавы с большим коэффициентом магнитострикции. Эти сплавы применяют для сердечников преобразователей магнитных колебаний в ультразвуковые, для изготовления звукозаписывающих головок, в установках для обработки твердых материалов и др. Кроме большого коэффициента магнитострикции эти сплавы должны обладать малой коэрцитивной силой и высоким удельным электрическим сопротивлением.

Наибольшей магнитострикцией обладает никель. Благодаря высокой пластичности он применяется в виде тонких листов (толщиной 0,1 мм и менее); характеризуется малым электрическим сопротивлением (0,08 мкОм∙м), а, следовательно, применим для низких частот.

Высокой магнитострикцией обладает сплав железа с 13% А1. Он имеет значительно более высокое электрическое сопротивление (0,96 мкОм∙м), и поэтому при тех же потерях пластины его могут быть в 2…3 раза толще, чем пластины никеля. Более высокими коэффициентами магнитострикции обладают сплавы железа, содержащие 50% Со, которые используют для преобразователей большой мощности. Сплав железа с платиной обладает наиболее высоким коэффициентом магнитострикции, но он весьма дорог.

Термомагнитные сплавы. Интенсивность намагничивания уменьшается с повышением температуры, поэтому, чтобы компенсировать ошибки приборов, обусловленные изменением магнитного потока при изменении температуры, в магнитную цепь вводят шунты. Магнитная индукция ферромагнетиков очень резко изменяется вблизи точки Кюри, поэтому материал шунта должен иметь температуру точки Кюри в интервале рабочих температур.

Этим условиям удовлетворяет сплав железа с никелем (30…35%), который перестает быть ферромагнитным при 100 °С. Введение хрома или алюминия дополнительно снижает температуру точки Кюри.

121

2.5.2. Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных полях Н > 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию Вr = 0,5…1 Тл и коэрцитивную силу Нс ≤ 560 кА/м.

Важной характеристикой магнитно-твердых материалов является максимальная удельная магнитная мощность ωmax, которая в лучших материалах достигает значений 72,5 кДж/м3. Удельная магнитная мощность при размагничивании изменяется от 0 до ω и соответствует половине произведения определенных на кривой размагничивания значений индукции Вх и напряженности Нх. Более выпуклая форма кривой размагничивания соответствует большей магнитной мощности.

Размагничивание связано с теми же процессами, что и намагничивание: смещением доменной стенки и вращением векторов намагничивания. Необратимость этих процессов приводит к несовпадению кривых намагничивания и размагничивания, а при перемагничивании к появлению петли гистерезиса. Существующие теории необратимость процессов намагничивания связывают либо со смещением доменной стенки, либо с вращением векторов.

В последнем случае даются количественные закономерности, определяющие Нс. При различном химическом составе и структурном состоянии материала доля участия каждого из этих двух процессов различна, но для большинства магнитнотвердых материалов основным процессом при размагничивании, видимо, является процесс вращения векторов намагничивания, который и определяет величины Нс, Вr и ωmax.

Для однодоменных кристаллов размагничивание идет только в результате вращения векторов намагничивания.

Размер однодоменных кристаллов определяется формой кристалла, параметром кристаллической решетки и магнит-

122

ными характеристиками (точкой Кюри θ, константой анизотропии К и намагниченностью насыщения Ms). Для железа диаметр однодоменного кристалла равен 0,05 мкм.

Для однодоменных частиц значения Нс определяются различными видами анизотропии. Значения Hс зависят от константы кристаллографической анизотропии К и намагниченности насыщения Ms. Наибольшее значение К и Нс среди рассматриваемых металлов имеет кобальт, а наименьшее - никель, поэтому кобальт используется в большинстве магнитнотвердых материалов.

Магнитно-упругая анизотропия проявляется при возникновении неоднородных внутренних напряжений вследствие магнитострикции или приложения внешних сил. Наибольший вклад этот вид анизотропии дает в значение Нс для никеля, который имеет большое значение λs.

Сумма всех перечисленных составляющих и определяет значение Нс однодоменного неравноосного кристалла.

Необратимые процессы вращения векторов намагничивания определяют Нс тонких пленок и многих многофазных сплавов. Тонкие пленки толщиной 0,1…30 мкм однодоменны и магнитоанизотропны. При толщинах, близких к 30 мкм, в пленках появляется полосовая доменная структура. Длинные домены намагничиваются во взаимно противоположных направлениях и вращаются всей системой полос под действием внешнего поля. Это свойство используют в информационных устройствах.

Большие значения Нс имеют многофазные сплавы со структурой однодоменных неравноосных ферромагнитных включений в немагнитной основной фазе. В таких сплавах размагничивание идет в результате вращения векторов намагничивания ферромагнитных включений.

В сплавах с ферромагнитной основной фазой и неферромагнитными включениями размагничивание может развиваться путем смещения доменной стенки. В таком случае зна-

123

чение коэрцитивной силы определяется константой кристаллографической анизотропии К ферромагнитной основы, объемом неферромагнитных включений и величиной Ms. Коэрцитивная сила Нс имеет максимальное значение, если диаметр неферромагнитных включений соизмерим с шириной доменной стенки δ (для железа ~ 10-6 м).

Можно сформулировать требования к составу и структуре магнитно-твердых материалов. Преимущественное применение имеют сплавы, а не чистые металлы. Можно использовать однофазные сплавы с однодоменной неравноосной формой кристаллов либо многофазные сплавы с различной магнитностью основы и включений. Для ферромагнитных включений желательна однодоменная неравноосная форма кристаллов; для неферромагнитных включений важны их количество и размер; ферромагнитная основа должна иметь различного рода искажения: структура - предпочтительно неравновесный пересыщенный твердый раствор внедрения; желательны остаточные внутренние напряжения.

Свойства магнитно-твердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами и вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность при нагреве ограничивает применение магнитно-твердых материалов с неравновесной структурой.

Магнитно-твердые материалы для постоянных магнитов классифицируют по способу изготовления на литые, порошковые, деформируемые.

Магнитно-твердые литые материалы. Ими являются сплавы Fe-Ni-Al на основе железа. Термическая обработка включает закалку, при которой проводится нагрев до температур 1200…1280 °С (в зависимости от состава) и охлаждение с

124

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.

Сплавы Fe-Ni-Al содержат 12…35% Ni, 6,5…16% Аl.

Применяют сплавы, дополнительно легированные Сu, Со, Ti, Nb. Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает их разброс при неизбежных колебаниях состава. Маркируют эти сплавы так же, как и стали.

Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке проводить в сильном магнитном поле

(H > 120 кА/м).

В таком случае пластинки в результате магнитострикционных напряжений растут вдоль поля и векторы намагничивания ориентируются в том же направлении. Материал после термической обработки приобретает магнитную анизотропию, 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, выращивая их при кристаллизации сплава с направленным теплоотводом и в магнитном поле. Длина таких кристаллов может достигать 300 мм. Ось кристалла совпадает с направлением легкого намагничивания. Сплав благодаря анизотропии формы приобретает высокие значения Нc и Вr; увеличение выпуклости кривой размагничивания приводит к увеличению ωmax.

К недостаткам литых сплавов Fe-Ni-Al относятся их повышенная хрупкость и высокая твердость, что исключает все виды обработки, кроме шлифования. Этих недостатков лишены спеченные сплавы Fe-Ni-Al.

Порошковые магнитно-твердые материалы. Сплавы Fe- Ni-Al получают спеканием порошков металлов при 1300 °С в атмосфере аргона или иной защитной атмосфере. Для обеспе-

125

чения высоких значений Вr и ωmax сплавы не должны быть пористыми. Порошки используют мелкодисперсные и желательно неравноосные. Такие сплавы используют для мелких и точных по размеру магнитов. По составу спеченные сплавы близки к литым, но по магнитным свойствам несколько уступают им. Цифра в марках сплавов (например ММК1, ММК7) является порядковым номером, буквы ММК обозначают: магнит металлокерамический.

Магнитно-твердые ферриты также получают спеканием порошков оксидов Fe, Ba и Со. По своим магнитным свойствам они уступают литым сплавам Fe-Ni-AI. Однако, будучи диэлектриками, они могут использоваться как постоянные магниты в высокочастотных магнитных полях без тепловых потерь.

Пример маркировки: 6БИ240, 14КА135. Цифра, стоящая в марке на первом месте, определяет значение 2ωmax; буква указывает металл в оксиде; буквы И и А соответственно означают изотропный или анизотропный феррит. Последние три цифры в марке равны коэрцитивной силе НсМ, определенной по намагниченности М. Значение НсВ или Нс, определенное по индукции В, несколько меньше Нсм.

Магниты из РЗМ изготовляют из кристаллов промежуточных фаз редкоземельных металлов с кобальтом, состав которых отвечает формулам RCo5 и R2Co17, где R- редкоземельный металл. В их числе самарий Sm, празеодим Рr, иттрий Y.

В производстве магнитов из РЗМ наибольшее распространение получил метод жидкофазного спекания тонких порошков с размером частиц ~ 10 мкм. В процессе спекания сплав расплавляется и заполняет микропоры.

Значения коэрцитивной силы НсМ таких сплавов на порядок меньше расчетных, но выше, чем у бариевых и кобальтовых ферритов в 4-5 раз.

126

Деформируемые магнитно-твердые сплавы получают на основе пластичных металлов Fe, Со, Сu. Сплавы подвергают обработке давлением, что позволяет использовать их как магниты в виде тонких лент и проволоки. Хорошие магнитные свойства получают после закалки и старения, что объясняется получением мелкодисперсных ферромагнитных фаз в немагнитной основной фазе.

Высокоуглеродистые стали с содержанием > 1 % С имеют структуру мартенсита с мелкодисперсными неферромагнитными включениями цементита после закалки и низкого отпуска, что обеспечивает хорошие магнитные свойства.

Образование больших упругих напряжений в результате получения пересыщенного твердого раствора, каким является мартенсит, создает дополнительно магнитно-упругую анизотропию.

Большим достоинством сталей для постоянных магнитов является их низкая стоимость и технологичность в отношении горячей обработки давлением и резанием. В связи с этим они успешно используются в магнитах больших размеров. Для увеличения прокаливаемости сталь легируют хромом. Дополнительное легирование кобальтом и молибденом улучшает магнитные свойства, однако магнитная мощность остается невысокой. Стали склонны к магнитному и, в особенности, к структурному старению. В марках (например, ЕХ9К15М2) буква Е указывает, что сталь магнитно-твердая. Остальные буквы обозначают легирующий элемент и его содержание в процентах.

3.ЦВЕТНЫЕ АВИАЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Кконструкционным легким сплавам, применяемым для летательных аппаратов, относятся сплавы на основе металлов, плотность которых ниже плотности железа [6]. Это алюми-

127

ниевые, бериллиевые, магниевые и титановые сплавы, а также неметаллические материалы.

Также в данное время ведутся работы над рядом новых сплавов, которые будут конкурировать с композиционными материалами (эпоксидными графитопластиками) по весу и с титановыми сплавами по жаропрочности. Это - алюминийлитиевые сплавы, деформируемые полуфабрикаты, полученные способами порошковой металлургии, композиционные материалы с металлической матрицей, многослойные материалы, сверхпластичные сплавы.

3.1. Сплавы на основе магния

Сплавы на основе магния обладают высокой удельной прочностью, хорошо поглощают механические вибрации [6]. Магний - самый легкий из применяемых в настоящее время металлов, его плотность 1740 кг/м3, температура плавления 651 °С. Сплавы на основе магния хорошо обрабатываются резанием и свариваются различными видами сварки, удовлетворительно работают при температурах до - 196 °С. Прочность сварных швов деформируемых магниевых сплавов составляет 0,9 прочности основного металла, а сварные швы литейных сплавов из-за мелкозернистой структуры иногда даже прочнее основного металла. Вместе с тем, магниевые сплавы имеют ряд существенных недостатков. Они значительно уступают алюминию по пластичности, технологичности, характеризуются невысоким модулем упругости.

Магниевые сплавы обладают низкой коррозионной стойкостью, они склонны к коррозии под напряжением. Также в конструкциях из магниевых сплавов следует избегать таких форм деталей, при которых вода могла бы задерживаться в пазах, углах, проточках и т. д. Для увеличения коррозионной стойкости конструкций не допускают контакты магниевых сплавов со сталями, незащищенным алюминием и его сплава-

128

ми, медью и медными сплавами, никелем и его сплавами. К достоинствам магния следует отнести малое снижение пластичности при понижении температуры.

В качестве легирующих добавок в магниевых сплавах широко используются Al, Zn и Мп, образующие с Mg ограниченные твердые растворы. А1 и Zn являются упрочнителями и применяются главным. образом для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна. Некоторые легирующие элементы вводятся в магниевые сплавы в малых количествах, но их добавки являются необходимыми. Так Be, Са,Се, La являясь сильными раскислителями, уменьшают склонность магниевых сплавов к воспламенению при разливке. Элементы Се, Zr, Th, Nd повышают теплопрочность магниевых сплавов. В настоящее время создана новая группа магниевых сплавов, легированных Li в количествах до 12 % и содержащих значительное количество других легирующих элементов. Эти сплавы имеют повышенные значения модуля упругости и пластичности.

Необходимые механические свойства магниевых сплавов достигаются не только легированием твердых растворов, но и формированием оптимальных многофазных структур (с присутствием интерметаллидов), а также термической обработкой, деформацией и термомеханической обработкой.

Термическая обработка магниевых сплавов

Для повышения технологической пластичности при горячей обработке давлением магниевые сплавы подвергают гомогенизирующему отжигу.

Полуфабрикаты из магниевых сплавов подвергают рекристаллизационному отжигу при t = 250 . . 350 °С, при этом снижается прочность и повышается пластичность, что уменьшает анизотропию свойств полуфабрикатов.

Деформируемые полуфабрикаты из магниевых сплавов отжигают также для уменьшения остаточных напряжений, возникающих при механической обработке. Этот отжиг про-

129

водится при температурах более низких, чем рекристаллизационный отжиг.

Готовые изделия из магниевых сплавов могут подвергаться закалке и старению. Вследствие малой скорости диффузии легирующих элементов в магнии, пересыщенные твердые растворы в сплавах магния фиксируются при малых скоростях охлаждения (за исключением сплавов, содержащих редкоземельные элементы). Поэтому магниевые сплавы обычно закаливают на воздухе и иногда в кипящей воде. Естественное старение возможно только в сплавах системы Mg— Li. При искусственном старении сплавов других групп эффект упрочнения составляет 25 ... 35 % и более и связан с выделением упрочняющих интерметаллических фаз.

Различные виды термической обработки магниевых сплавов для краткости обозначают следующим образом: Т1 - искусственное старение без предварительной закалки; Т2 - отжиг; Т4 - закалка; Т6 - закалка на воздухе и старение; Т61 - закалка в горячей воде и старение.

Термомеханическая обработка магниевых сплавов

(ТМО).

ТМО используется для улучшения свойств жаропрочных магниевых сплавов и проводится по следующей схеме: закалка, холодная деформация на 6,5 ... 10 %, искусственное старение. Холодная пластическая деформация перед старением создает повышенную плотность дефектов кристаллической решетки, обеспечивающую более равномерный и полный распад пересыщенного твердого раствора. В результате ТМО дисперсные частицы равномерно распределяются в зернах твердого раствора и препятствуют перемещению дислокаций.

Упрочняющий эффект ТМО в магниевых сплавах устойчив лишь до t ≤ 200…250 °С. При t = 300 °С ТМО снижает длительную прочность из-за быстрой коагуляции упрочняющих фаз.

130