книги из ГПНТБ / Лившиц Б.Г. Высококоэрцитивные сплавы на железоникельалюминиевой основе

концентрации никеля (от 23 до 27%) и алюминия (от 13 до 17%)

в тройньих сплавах, а также и условия охлаждения отливок (в

опоке, на воздухе и под воздушной струей) непосредственно пос­ ле их затвердевания. На рис. 112—114 даны зависимости маг­ нитных свойств от содержания алюминия в различных условиях охлаждения отливки после ее затвердевания при 24% Ni. Под­ робное описание этих кривых излишне; их характер может быть

легко объяснен в связи и изложенным в главе IV. Падение коэр­

цитивной силы и, в некоторой степени, остаточной индукции 1 при повышенных содержаниях алюминия еще раз свидетельствует о влиянии этого элемента на переохлаждаемость сплавов.

На рис. 112—114 видно, что наилучшие сочетания ВГНС полу­ чаются на сплаве с 15% А1 при воздушном охлаждении и на

сплаве с 16% А1 при охлаждении в песке (в опоке). Лучшим все же является сплав 24-16, так как при проверке на большом коли­ честве плавок на нем удалось получить большее постоянство свойств, чем на сплаве 24-15. Однако и сплав 24-16 нельзя при­ знать обеспечивающим достаточное постоянство и требуемые ве­ личины магнитных свойств при крупносерийном или массовом выпуске магнитов. В табл. 21 приведены отклонения от средних

Из табл. 21 видно, что плавки № 11, 28, 35—38, 40, 41, 49 и 50 должны быть забракованы по низкой коэрцитивной силе. Можно считать, что подбор тройного Fe-Ni-Al-сплава, обеспечивающего

139

применения специальной термической обработки, окончился с

отрицательным результатом.

Следующим шагом при разрешении поставленной задачи яви­ лось исследование медистых сплавов для магнитов СС и МД. На рис. 115—117 приведены зависимости магнитных свойств от со-

Рис. 117. Влияние алюминия на свой­ ства сплава с 23,5% Ni и 4,5% Си, охлажденного под струей возду­ ха [15]

держания алюминия при 23,5% Ni и 4,5% Си для тех же условий

охлаждения отливок. Наилучшим вариантом является охлажде­ ние на воздухе сплава с 23,5% Ni, 14,5% Al и 4,5% Си.

В табл. 22 приведены отклонения (%) величин Вг и Нс от средних значений, полученные на 13 плавках этого состава.

Средние величины по 13 плавкам превосходят минимально до­

пускаемые техническими условиями, а именно: Дср = 5680 гс и //ср _ 491 Эрст. Все плавки, приведенные в таблице, годные; пос­

тоянство получающихся свойств хорошее.

На основе этого исследования была разработана и утвержде­

на технологическая инструкция для цеха.

На рис. 118 приведены результаты статистической обработки величин Вг и Нс для магнита СС. Из этого рисунка видно, что

разброс свойств в данном случае больше, нежели в ранее опи-

140

санных случаях.- Это является характерным для магнитов, тре­ буемые свойства которых получаются непосредственно после от­ ливки. Термическая обработка значительно нивелирует магнит­ ные свойства отливок. Забракованные по магнитным свойствам после отливки магниты СС и МД в большинстве случаев могут

быть исправлены нагревом на 1100° с последующим охлаждени­ ем на воздухе.

Рис. 118. Распределение (процентное) магнитов СС по остаточной индукции, коэрцитивной силе и их произ­ ведению

Таблица 22

Отклонения (%) от средних значений Вг и Нс по 13 плавкам магнитов СС и МД (сплав: 23,5% Ni, 14,5% Al и 4,5Cu)

Ц1

Магниты СС и МД отлиты на шихте, содержащей сталь

Изучалось падение остаточного магнитного потока под действием

сильных ударов медным молотком и под действием темпера­ турных циклов (100—0—100°). Было показано, что после несколь­

ких сот тысяч ударов магниты стабилизируются, теряя при этом 2,5—3,5% потока. Стабилизация под действием температурных циклов достигалась после трех-четырех циклов, и потеря потока

■в этом случае составляла всего 0,8—1,2%. Того же порядка дан­ ные, свидетельствующие о малой склонности к старению Fe-Ni- Al-сплавов, были получены другими авторами [104, 105].

Было также показано, что стабилизированный ударами маг­ нит практически не изменяет магнитный поток при последующем длительном нагреве (100°) и под действием температурных циклов.

Наиболее подробно естественное старение магнитов из спла­

вов алии исследовано Л. М. Львовой [106]. В работе было пока­ зано, что старение влияет на уменьшение остаточного магнитно­ го потока тем сильнее, чем меньше коэрцитивная сила, а при од­ ной величине коэрцитивной силы тем сильнее, чем меньше отно­ шение длины образца к площади его поперечного сечения.

142

Большую роль играет предварительное частичное размагни­ чивание переменным током. Из работы [106] видно, что при от­ ношении длины магнита к площади поперечного сечения больше

5 размагничивания на 10% достаточно, чтобы почти полностью исключить старение. Однако это рекомендуется [107] применять только для магнитов прецизионных приборов, аппаратов и ма­

шин. В остальных же случаях незначительное падение остаточ­

ной индукции вследствие старения не имеет существенного зна­ чения, и поэтому намеренное размагничивание только приведет к снижению рабочих характеристик конструкции с постоянными магнитами.

Интересные данные по исследованию старения магнитов из сплавов на Fe-Ni-Al-основе приведены в работе Кронненберга [108]. Исследовались магниты из сплавов алии (13% А1; 27% Ni}

и алнико (9%А1; 15% Ni, 24% Со). Образцы из этих сплавов от­

ливали в бруски размером 10 Х Ю X 60 мм. Образцы из сплава алии подвергли отпуску при 600°, 2 часа, а из сплава алникостандартной термомагнитной обработке.

Кроме того, были исследованы металлокерамические магни­ ты из сплава алии того же состава и прессованные магниты на Fe-Ni-Al-основе с особо высокой коэрцитивной силой (~900 эрст). В последнем случае образцы имели форму цилин­ дров диаметром 15 мм и длиной 40 мм. Для сравнения исследо­ вали образцы из кобальтовой стали с мартенситной структурой.

Изменение остаточной индукции (АВГ,%) в процессе старе­

ния измерялось с высокой точностью на специальной баллисти­

ческой установке. Автору удалось разделить структурное и маг­

нитное старение. Для этого в одном случае измерение производи­ лось через определенные промежутки времени по^ле однократ­ ного намагничивания образца в ярме без повторного намагничи­ вания перед измерениями. Разница между результатами первого

измерения Вг, принятого за исходное значение, и результатами

последующих измерений характеризовала общее старение. В другом случае намагничивание образца повторялось перед каж­ дым новым измерением таким образом исключалось влияние

на Вг предшествующего магнитного состояния, и поэтому полу­

ченные измерения Вг могли быть вызваны только структурным

старением. Разница между изменениями Вг, вызванными общим и структурным старением, характеризовала магнитное старение.

Изучением магнитного старения исследуемых сплавов при 100° было показано, что при логарифмическом масштабе времени

уменьшение остаточной индукции во всех случаях происходит ли­ нейно и обратно пропорционально коэрцитивной силе сплавов, что соответствует теоретическим положениям, развитым Неелем [109]. Это уменьшение остаточной индукции за 100 час. не пре­ вышало во всех случаях 0,4%. Последнее свидетельствует о весь­ ма слабом магнитном старении у всех исследуемых магнитов да­ же при повышенной температуре.

143

Данные по исследованию общего и структурного старения

магнитов из сплавов алнико приведены в работе {108]. Из этой

работы видно, что в довольно широком диапазоне температур (до 500°) и при выдержке до 200 час. падение остаточной индук­ ции вследствие общего старения также очень невелико и состав­ ляет всего 1 —1,5%. Аномальный ход кривой изменения остаточ­ ной индукции при 500° становится понятным, если принять во внимание, что при этой температуре в сплаве алнико происходят структурные изменения, приводящие к увеличению остаточной индукции, и которые практически отсутствуют при более низких

температурах.

Такой же характер имеет и общее структурное старение в маг­ нитах из сплава алии. Отсутствие аномалии в ходе кривой изме­ нения остаточной индукции при 500° в. этом случае, по-видимому,

объясняется тем, что повышение остаточной индукции за счет

структурных изменений компенсируется большим, по сравнению с алнико, падением остаточной индукции вследствие магнитного старения. Из работы [108] следует также, что даже в области по­ вышенных температур роль структурного старения очень мала.

Следовательно, определяемое по Кронненбергу общее старение

является в основном магнитным старением. Таким образом, в противоположность стальным магнитам, например из кобальто­ вой стали, для магнитов из сплавов алии и алнико отпуск для ста­

билизации структуры является излишним.

Падение остаточной индукции вследствие длительного старе­ ния при комнатной температуре для всех исследованных магни­ тов показано на рис. 120. Из рисунка видно, что падение остаточ­ ной индукции у литого алии даже за 3 года составляет только

около 1,5%, а у сплава алнико всего около 1%. Можно отметить также некоторое преимущество металлокерамических магнитов перед литыми.

144

Приведенные данные по естественному старению магнитов из ■сплавов алии находятся в соответствии с данными, приведенны­ ми выше [106], а также с результатами наблюдения за работой электрических машин [НО].

Результаты этих наблюдений показали, что магниты из спла­ вов алии сохраняют весьма длительное время постоянство маг­ нитной энергии и при этом обладают устойчивостью не только в спокойном состоянии, но и при воздействии толчков, сотрясений и размагничивания под влиянием магнитного поля реакции якоря

машины.

КЕРАМИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛОПЛАСТИЧЕСКИЕ МАГНИТЫ

Вследствие высокой твердости и хрупкости сплавов типа алии и алнико изготовление магнитов из них в основном производится путем фасонного литья. Однако для изготовления мелких магни­ тов этот способ становится крайне неэкономичным, так как вы­ ход годных магнитов при весе их менее 100 а составляет не более 5—10% и может еще значительно уменьшиться из-за поломки их при шлифовке. Низкий процент выхода годных отливок объясня­ ется большим расходом металла на литники, выпоры, угар и т. п.

и очень большим процентом литейного брака, особенно при слож­

ной форме отливок.

В последнее время появились цругие, более совершенные спо­ собы изготовления мелких магнитов: металлокерамический и металлопластический.

Металлокерамический способ состоит в прессовании смеси по­ рошков металлов, входящих в состав магнитного сплава, с пос­ ледующим спеканием при высокой температуре (1200—1300°) в

атмосфере водорода. Технология этого производства усложняется необходимостью введения в шихту значительного количества алюминия, который активмо взаимодействует с газами, особенно с кислородом, частицы алюминия уже в процессе его измельчения покрываются тонкой окисной пленкой. Эта пленка не восстанав­ ливается водородом и сильно затрудняет процессы диффузии и

спекания. Поэтому алюминий можно вводить в шихту только в виде порошка сплавов алюминия с железом или никелем.

Было показано [111], что наиболее выгодно для этой цели при­ менять сплав алюминия с железом, содержащий 50% А1. Преи­

мущество этой лигатуры перед алюминийникелевой с таким же содержанием алюминия заключается в том, что первая, наряду с хорошей способностью измельчаться ,в.порошок, имеет наиболее низкую температуру плавления. В то время как Al-Fe-лигатура полностью расплавляется уже при 1170°, Al-Ni-лигатура полно­ стью плавится при 1400°, а при температуре спекания 1300° толь­ ко на 80%. Наличие жидкой фазы в спекаемой смеси выгодно, так как очень ускоряет процессы диффузии и способствует полу­ чению однородного твердого раствора.

В этой же работе было показано, что для получения качест­ венных прессованных полуфабрикатов вполне достаточно давле­

ние от 3000 до 8000 кг/см2. Наиболее благоприятная температу­ ра спекания находится в пределах 1200—1300° при продолжи­ тельности спекания от 4 до 1,5 час., соответственно. Получаемые по такому режиму спеченные магниты по плотности и магнитным свойствам почти не уступают литым, что хорошо видно и» табл. 23.

Таблица 23:

Магнитные свойства и плотность литых и металлокерамических магнитов [111]

Приведенные данные по технологии изготовления и свойствам спеченных магнитов подтверждаются также работой В. В. Усова [112].

Согласно работам А. Б. Альтмана [ИЗ, 114] остаточная индук­ ция у металлокерамических магнитов на 7—10% меньше, чем у литых, вследствие повышенной пористости. Объем, занимаемый порами в металлокерамических магнитах, обычно составляет ог

, 3 до 8%.

На величину коэрцитивной силы поры не влияют, поэтому по. коэрцитивной силе металлокерамические магниты не уступают литым. Для уменьшения пористости и одновременно для исправ­

ления формы металлокерамических магнитов целесообразно дважды производить прессование и спекание магнитов. Опти­ мальная величина давления при прессовании по А. Б. Альтману

10—15 т/см2, а температура спекания 1300°.

В случае изготовления металлокерамических магнитов мето­ дом двукратного прессования и спекания рекомендуется [29] при­ нять давление при прессовании 10 т/см2, температуру полуспека­ ния 900+100°, время выдержки 2 часа, охлаждение в водороде до 400°, давление при допрессовке 15 тТсм2, температуру спекания 1280 ± 5°, время выдержки 4 часа и охлаждение в водороде

до 400°.

Спеченные магниты по сравнению с литыми обладают более высокой однородностью физических и механических свойств, что-

146

В качестве исходных материалов рекомендуется [113] приме­ нять очень чистые порошковые металлы: электролитйческие же­ лезо, никель, кобальт и медь и порошок железоалюминиевой ли­ гатуры. Можно также применять порошки карбонильного желе­

за и карбонильного никеля, а также порошки, полученные путем разложения соответствующих солей щавелевой кислоты [117]. По­ рошки металлов и Fe-Al-лигатуры необходимо просеивать через

сито 230 меш, причем количество порошка (—100) -ь ( + 230) меш не должно превышать 5%. Средний размер частиц такого по­ рошка составляет 60—70 мк.

Смешивание порошков должно обеспечить получение стати­ стически однородной смеси. В противном случае может наблю­ даться деформация при спекании вследствие неравномерной усадки и неоднородные свойства в готовом продукте. Рекоменду­ ется [113] производить смешивание в аппаратах свободного сме­ шивания. Наиболее удобным для этой цели является барабан с наклонной к горизонту осью вращения («пьяная бочка»). Сме­ шивание в шаровых мельницах и смесителях шнекового типа не­ желательно, так как при этом изменяются форма и размеры ча­ стиц порошка.

При смешивании полезно добавлять 0,3—0,5% гидрида титана [117] для более полного восстановления окислов, имеющихся на поверхности частиц металлических порошков в процессе спека­ ния. Эго восстановление будет происходить за счет атомарного водорода, выделяющегося при разложении гидрида титана.

Для облегчения прессования иногда при смешивании порош­ ков добавляют 0,5% (вес.) стеората цинка. Для этой же цели в

зарубежной практике [117] применяется при смешивании порош­ ков добавка 2—4% (вес.) 10%-ного раствора камфары в эфи­ ре. После испарения последнего порошок становится сухим, но каждая частица его остается покрытой пленкой камфары, кото­

рая играет роль смазки при прессовании.

Прессование следует производить в пресс-формах с двусто­ ронним давлением [ИЗ].

В промышленном производстве металлокерамических магни­ тов процесс спекания ведут в специально оборудованной элек­ трической печи с непрерывным продвижением спекаемых маг­ нитов по длине печи и с защитной атмосферой водорода. Непре­ рывное продвижение спекаемых магнитов необходимо для рав­ номерного прогрева и спекания всей садки печи и для избежания оплавления отдельных магнитов, что вполне возможно из-за бли­ зости температуры спекания к температуре плавления спекаемой смеси. При этом особое внимание следует обращать на чистоту

водородной атмосферы. Водород, поступающий в рабочую каме­ ру печи, должен быть подвергнут тщательной очистке и осушке.

Конструкция печи должна обеспечить сохранение высокой чистоты водородной атмосферы в камере, где происходит спека­ ние. Описание конструкции печи имеется в работах [29, 113, 115].

148