Основные требования к магнитотвердым материалам

Магнитотвердые материала идут на изготовление постоянных магнитов, запасенная магнитная энергия которых оцени-вается как произведение остаточной индукции на величину коэрцитивной силыЕмаг = НсBr
Для того чтобы увеличить коэрцитивную силу нужно затруднить смещение границ доменов. Для этого необходимо чтобы магнитная анизотропия была максимальной, размер зерен был минимальным и материал должен содержать частицы, препятствующие движению границ доменов. Иначе говоря, требования к структуре магнитотвердых материа-лов прямо противоположны требованиям к требованиям магнитомягких материалов.
Основные требования к магнитотвердым материалам. Они намагничиваются в сильных полях Н > 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию Вг = 0,5 -1 Тл и коэрцитивну силу Нс < 560 кА/м.
Важной характеристикой магнитотвердых материалов является максимальная удельная магнитная мощность ωмах. Удельная магнитная мощность при размагничивании изменяется от 0 до ω, как это показано на рис, 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: сме¬щением доменной стенки и вращением векторов намагничивания. Необрати¬мость этих процессов приводит к несов¬падению кривых намагничивания и раз¬магничивания, а при перемагничивании к появлению петли гистерезиса. Суще¬ствующие теории необратимость про¬цессов намагничивания связывают либо со смещением доменной стенки, либо с вращением векторов. В последнем слу¬чае даются количественные закономер¬ности, определяющие Нс. При различ¬ном химическом составе и структурном состоянии материала доля участия ка¬ждого из этих двух процессов различна, но для большинства магнитно-твердых материалов основным процессом при размагничивании, видимо, является про¬цесс вращения векторов намагничива¬ния, который и определяет величины Нс, Вr, и ωмах
Промышленные магнитотвердые материалы.
Самыми «старыми» магнитотвердыми материалами являются углеродистые стали, закаливаемые на мартенсит. Для понимания природы повышения коэрцитивной силы при закалке сталей следует рассмотреть диаграмму состояния сплавов системы «железо - цементит» (см. рисунок 51).
До температуры 911С железо имеет ОЦК решетку, выше этой температуры термодинамически более выгодной стано-вится ГЦК решетка. Углерод может образовывать с железом химическое соединение цементит - Fe3C, а также раство-ряться в железе. Раствор углерода в железе с ОЦК решеткой принято называть феррит, а раствор углерода в железе с ГЦК решеткой принято называть аустенит. Области существования феррита, аустенита и цементита на диаграмме состояния отмечены как Ф, А, и Ц. Области существования двух фаз помечены как Ф+А, А+Ц, Ф+Ц.
Важно отметить, что растворимость углерода в аустените существенно выше растворимости углерода в феррите. Это связано с тем, что на одну элементарную ячейку ГЦК решетки аустенита приходится всего одна межатомная пора, и размер ее много больше размера межатомной поры в решетке феррита.
При охлаждении чистого железа при температуре 911С происходит перестройка ГЦК решетки в ОЦК, или превращение аустенита в феррит (рис.51). При наличии в сплаве углерода температура превращения аустенита в феррит снижается, за счет того, что раствор углерода в аустените имеет большую энтропию, чем раствор углерода в феррите и, следовательно, меньшую свободную энергию.
При медленном охлаждении сплавов системы Fe-C (сталей) из температурной области аустенита углерод диффузионным путем выделяется в виде цементита, а решетка аустенита перестраивается в решетку феррита. При резком охлаждении сталей углерод не успевает выделиться из аустенита и при перестройке кристаллической решетки решетка феррита оказывается искаженной застрявшими атомами углерода. В результате вместо ОЦК решетки получается тетрагональная объемно-центрированная решетка или решетка мартенсита. Поскольку решетка мартенсита упакована неплотно, то при мартенситном превращении в стали возникают напряжения. Рост напряжений приводит к росту энергии системы, поэтому полного превращения аустенита в мартенсит не происходит и в стали формируется структура, состоящая их дисперсной смеси аустенита и мартенсита. Поскольку решетка аустенита плотноупакована, то аустенит не ферромагнитен. В то же время у ферромагнитного мартенсита неплотноупакованная тетрагональная решетка, что обусловливает его ферромагнетизм. Кроме того, тетрагональность мартенсита приводит к большой анизотропии его магнитных свойств. Таким образом, получается идеальная с точки зрения магнитотвердых материалов структура - дисперсная смесь ферромагнитной и неферромагнитной фаз, причем у ферромагнитной фазы большая магнитная анизотропия. Однако свойства сталей, закаленных на мартенсит далеки от идеала, причина состоит в том, что у закален-ных сталей большой объем занят неферромагнитной фазой - аустенитом, поэтому их намагниченность, а следовательно, и остаточная индукция, невелики. Другим недостатком сталей мартенситного класса является их низкая прокаливае-мость - способность воспринимать закалку на значительную глубину, что препятствует мартенситному превращению в глубинных слоях материала. Для повышения прокаливаемости стали дополнительно легируют хромом вольфрамом молибденом и кобальтом. Поскольку атомы легирующих элементов взаимодействуют с вакансиями, то скорость диффу-зии снижается и превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь затрудняется. Таким образом, прокаливаемость сталей возрастает. Особенно эффективно легирование сталей кобальтом, поскольку у атомов кобальта имеется магнит-ный момент и при наличии кобальта остаточная индукция возрастает.
Дисперсионно твердеющие сплавы
К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al. При высоких температурах алюминий и никель растворяются в аустените, но при резком охлаждении образуется пересыщенный раствор легирующих элементов в железе. При после-дующем отпуске происходит выделение дисперсных частиц интерметаллида Fe2NiAl. В результате формируется струк-тура, состоящая из ферромагнитной матрицы и дисперсных частиц, препятствующих движению границ доменов. Наибольшей магнитной энергией обладают сплавы, содержащие примерно 28% Ni и 14% Al, однако достаточно большая диффузионная активность никеля и алюминия препятствуют использованию этого сплава для изготовления магнитов массой более 5 грамм. Дело в том, что у массивных магнитов даже в ходе закалки глубинные слои охлаждаются медлен-но и происходит распад твердого раствора с образованием крупных выделений интерметаллидов. Для затруднения распада сплавы дополнительно легируют медью и кобальтом. Ионы легирующих элементов искажают кристаллическую решетку и, притягивая к себе вакансии, затрудняют их перемещение. В результате затрудняется диффузия и при закалке пересыщенный твердый раствор не успевает распадаться. Особенно эффективно легирование кобальтом, поскольку ионы кобальта обладают магнитным моментом, и добавка кобальта не только замедляет диффузию, но и повышает остаточную индукцию сплава.
Сплавы системы Fe-Ni-Al-Cu-Co получили название альнико. Для повышения магнитных свойств закаленный сплав подвергают термомагнитной обработке, то есть производят нагрев для старения в сильном магнитном поле. При этом дисперсные частицы интерметаллидов выделяются по границам доменов и закрепляют уже сориентированные домены. Сплавы, прошедшие термомагнитную обработку получили название магнико.
Изделия из сплавов системы Fe-Ni-Al-Cu-Co можно получать либо методом литья, либо методами порошковой метал-лургии. При литье трудно получать изделия со строго выдержанными размерами. Кроме того, после литья необходим длительный гомогенизационный отжиг для выравнивания неоднородности химического состава. У изделий полученных методами порошковой металлургии коэрцитивная сила практически такая же что и у литых, но остаточная индукция на 35-50% ниже.
Магнитотвердые ферриты
Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaOх6Fe2O3. Высокая коэрцитивная сила обусловлена малым размером зерен и сильной кристаллографической анизотропиейТехнология получения магнитотвердых ферритов в общих чертах похожа на технологию получения магнитомягких ферритов. Однако для получения мелкокристалличе-ской структуры, осуществляют очень тонкий помол (как правило, в водной среде), а спекание проводят при относитель-но невысоких температурах для избежания роста зерен.
Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют. Для создания текстуры сметанообразную массу помещают в сильное магнитное поле, которое отключают только после формирования изделия и его полного высыхания. Ферритные материалы значительно дешевле металлических. Вместе с тем у них существенно ниже удельный вес. Высокая коэрцитивная сила позволяет изготавливать магниты с малым отношением длины к поперечному сечению.
К недостаткам магнитотвердых ферритов следует отнести низкую механическую прочность, хрупкость, высокую чувствительность к изменению температуры. Кроме того при охлаждении до – 60С и повторном нагреве они теряют ферромагнитные свойства.
Высококоэрцитивные магниты.
К этой группе материалов относят сплавы редкоземельных элементов с кобальтом типа RСo5 или RСо17, а также сплавы железа или кобальта с платиной. Эти материалы обладают рекордной запасенной магнитной энергией, однако, их широкому применению мешает высокая стоимость.
Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, запол¬нять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т. д.
Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной тем¬пературе (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме, с повышением температуры заливки расплавленного металла и температу-ры формы Жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл запол¬няет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно ох¬лаждает расплав.

Powered by Drupal - Design by artinet