3.1.3. Магнитно-твердые материалы

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

Важной характеристикой магнитно-твердых материалов является макси­мальная удельная магнитная мощность ω_max, 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 В_х и напряженности Н_х. 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 Н_с. При различ­ном химическом составе и структурном состоянии материала доля участия ка­ждого из этих двух процессов различна, но для большинства магнитно-твердых материалов основным процессом при размагничивании, видимо, является про­цесс вращения векторов намагничива­ния, который и определяет величины Н_с, В_r и ω_max.

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

Размер однодоменных кристаллов оп­ределяется формой кристалла, параме­тром кристаллической решетки и магнитными характеристиками (точкой Кюри θ, константой анизотропии К и намагниченностью насыщения M_s). Для железа диаметр однодоменного кристалла равен 0,05 мкм.

Для однодоменных частиц значения Н_с определяются различными видами анизотропии. Значения H_с за­висят от константы кристаллографиче­ской анизотропии К и намагниченности насыщения M_s. Наибольшее значение К и Н_с среди рассматриваемых метал­лов имеет кобальт, а наименьшее - ни­кель, поэтому кобальт используется в большинстве магнитно-твердых мате­риалов.

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

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

Необратимые процессы вращения век­торов намагничивания определяют Н_с 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 Н_с 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 значение коэрцитив­ной силы определяется константой кри­сталлографической анизотропии К фер­ромагнитной основы, объемом неферро­магнитных включений и величиной M_s. Коэрцитивная сила Н_с 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 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 Н_с и ω_max. 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 Н_c и В_r; увеличение выпуклости кривой размагничивания приводит к увеличе­нию ω_max.

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 обеспечения высоких значений В_r и ω_max 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 2ω_max; буква указывает металл в оксиде; буквы И и А со­ответственно означают изотропный или ани­зотропный феррит. Последние три цифры в марке равны коэрцитивной силе Н_сМ, определенной по намагниченности М. Значение Н_сВ или Н_с, определенное по индукции В, не­сколько меньше Н_см.

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

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.