Материалы для постоянных магнитов

Постоянные магниты изготавливают из магнитотвёрдых материалов с широкой петлёй гистерезиса. Условно считают магнитотвёрдыми материалы с коэрцитивной силой Н_с > 4 кА/м, однако, у лучших магнитотвёрдых материалов её значение достигает тысяч килоампер на метр. Свойства магнитотвёрдых материалов характеризуются кривой размагничивания, которая представляет собой «спинку» предельной петли гистерезиса — участок кривой между точками, соответствующими значениям остаточной индукции B_r и коэрцитивной силы H_с (см. рисунок 3.5). Наилучшее использование магнита получается в той точке, для которой произведение индукции B на напряжённость H магнитного поля максимально. Разделив произведение BH_max на два, получим максимальное значение энергии, которую может запасти единица объёма намагниченного материала:

W_max = BH_max / 2.

Максимальное значение удельной запасаемой энергии W_max выражается в килоджоулях на кубический метр и является наиболее важной характеристикой качества материалов, используемых для изготовления постоянных магнитов. Часто в справочниках указывается не W_max, а максимальное произведение BH_max, кДж/м³.

Для первых постоянных магнитов использовали стали, закаливаемые на мартенсит (углеродистые, легированные Сr, W, Со). Они обладают малыми H_с (4−12 кА/м) и W_max (0,6−1,4 кДж/м³).

Литые магниты из высококоэрцитивных сплавов Fe-Ni-Аl (альни) и Fe-Ni-Co-Al (альнико) имеют хорошие магнитные свойства и недороги. В тройной системе Fe+Ni+Al наибольшей удельной магнитной энергией обладает сплав, содержащий около 28% Ni и 14% Al (по массе), что соответствует интерметаллическому соединению Fe₂NiAl. Для улучшения в него добавляют кобальт, медь, титан и ниобий, а также подвергают текстурированию. Кристаллографическое текстурирование заключается в создании столбчатой макроструктуры путём направленной кристаллизации сплава за счёт особых условий теплоотвода. Магнитная текстура создается за счёт кристаллизации в сильном магнитном поле, при этом оси легкого намагничивания кристаллов ориентируются в направлении поля. Магнитное текстурирование эффективно лишь для сплавов с высоким содержанием кобальта. Сочетание кристаллографической и магнитной текстур в литых магнитотвёрдых магнитах Fe+Ni+Co+Al позволяет поднять значение запасаемой энергии до 42 кДж/м³, коэрцитивной силы до 145 кА/м, а остаточной индукции до 1,4 Тл. Недостатком литых магнитов из высококоэрцитивных сплавов типа Fe+Ni+Al и Fe+Ni+Co+Al является трудность изготовления изделий точных размеров. Вследствие хрупкости и высокой твёрдости; из всех видов механической обработки они допускают обработку только путём шлифования.

Рабочая температура литых магнитов — до 550 °C.

Ферритовые магниты. Для постоянных магнитов используют бариевые и стронциевые ферриты с гексагональной кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Они характеризуются сравнительно низкими значениями В_r (0,19−0,42 Тл), весьма высокими H_c (130−350 кА/м) и W_max (3−18 кДж/м³) и высоким удельным электрическим сопротивлением, что позволяет применять их при высоких частотах переменного поля. Основные недостатки ферритовых магнитов — высокая твердость, хрупкость и ограниченный температурный диапазон использования. Наибольшее применение нашёл бариевый феррит BaO· 6Fe₂O₃ (ферроксдюр).

Промышленность выпускает два вида бариевых магнитов: марок БИ (бариевые изотропные) и марок БА (бариевые анизотропные). Технология производства магнитотвердых ферритов в общих чертах подобна технологии производства магнитомягких ферритов. Однако, чтобы получить мелкокристаллическую структуру, помол выполняют очень тонко (как правило, в водной среде), а спекают при относительно невысоких температурах (во избежание процесса рекристаллизации). Для изготовления анизотропных магнитов порошок бариевого феррита текстурируют. При этом изделие формуется из массы сметанообразной консистенции в сильном магнитном поле (с напряжённостью 650−800 кА/м). Отключение поля производится только после полного удаления из прессуемого порошка влаги и достижения необходимого давления в пресс-форме.

Магниты из феррита бария имеют коэрцитивную силу, достигающую 240 кА/м, что выше, чем у литых магнитов (145 кА/м), однако по остаточной индукции (0,38 Тл) и запасённой магнитной энергии (12,4 кДж/м³) они уступают высококоэрцитивным сплавам (1,4 Тл и 40 кДж/м³). Бариевые магниты удобно изготавливать в виде шайб и тонких дисков, они отличаются высокой стабильностью по отношению к воздействию внешних магнитных полей и не боятся тряски и ударов. Плотность бариевого феррита 4,4−4,9 Мг/м³, что примерно в 1,5−1,8 раза меньше, чем плотность у литых сплавов (~7,3−7,8 Мг/м³); магниты получаются лёгкими. Удельное сопротивление бариевого феррита 10⁴-10⁷ Ом· м, его можно использовать при высоких частотах. По стоимости бариевые магниты дешевле литых почти в 10 раз. K недостаткам бариевых магнитов следует отнести низкую механическую прочность, большую хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры. Кроме того, они обнаруживают необратимое изменение магнитных свойств после охлаждения до низких температур (- 60 °С).

Кобальтовые магниты характеризуются большей температурной стабильностью по сравнению с бариевыми, однако стоят дороже.

Лучшими характеристиками обладают стронциевые магниты — запасённая энергия до 21 кДж/м ³, остаточная индукция — до 0,45 Тл, коэрцитивная сила — до 400 кА/м.

Металлокерамические магниты получают путём прессования порошка, состоящего из измельчённых тонкодисперсных магнитотвёрдых сплавов, и дальнейшим спеканием при высоких температурах в присутствии жидкой фазы по аналогии с процессами обжига керамики. Для этих целей широко применяются интерметаллические соединения металлов группы железа с редкоземельными металлами. Распространены бинарные сплавы «редкая земля — кобальт», например, SmCo₅ и квазибинарные соединения «2−17» типа R₂(CoFe)₁₇, где R означает РЗМ. На основе таких сплавов разработаны самариевые и ниобиевые магниты с высокими значениями H_с (640−1300 кА/м) и W_max (55−80 кДж/м³) при достаточно высоких В_r (0,77−1,0 Тл) и удовлетворительных характеристиках температурной стабильности. Магниты на основе SmCo₅ спекают при температуре порядка 1100 °C; жидкая фаза образуется за счёт сплава Sm+Co, добавляемого в определенных пропорциях в состав порошковой смеси. Мелкие детали при такой технологии получаются достаточно точных размеров и не требуют дальнейшей обработки. Недостатки этих материалов — высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном там, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов.

Более перспективными являются составы типа «редкая земля — железо — бор», например, Nd₂Fe₁₄B, (YEr)₂Fe₁₄B. Такие магнитные материалы не только обладают высокими значениями максимальной запасаемой энергии, но и значительно дешевле, чем SmCo₅. Спеченные магниты из сплавов неодим — железо — бор имеют W_max от 85 до 180 кДж/м³, В_r от 1 до 1,4 Тл, H_с от 880 до 2700 кA/м и верхний предел рабочей температуры от 80 до 240 °C.

Металлоплаcтические магниты прессуют из порошка в виде зёрен измельчённого магнитотвердого сплава, перемешанного со связующим веществом (магнитопласты). Если связующим является каучук, такие материалы называют магнитоэластами. Из-за жесткого наполнителя при прессовке необходимы высокие давления, доходящие до 500 МПа. Магнитные свойства металлопластических магнитов довольно низкие. По сравнению с литыми и магнитокерамическими магнитами коэрцитивная сила ниже на 10−15%, остаточная индукция — на 35−50%, а значение запасаемой энергии — на 40−60%, что объясняется большим содержанием (до 30%) немагнитного связующего вещества. Их рабочая температура не превышает 150 °C.

Порошковые магниты экономически выгодны при массовом автоматизированном производстве, сложной конфигурации и небольших размерах магнитов. Металлопластическая технология позволяет изготавливать магниты с арматурой.

Магнитотвёрдыми являются сплавы Fe+Ni+Сu (кунифе), Co+Ni+Cu (кунико), Fe+Co+V (викаллой), Fe+Cr+Co, а также сплавы Co с благородными металлами (например, Pt, Ir, Pd). Они отличаются пластичностью, из них можно прокатать тонкую ленту и вытянуть тонкую проволоку, что использовалось при первых способах магнитной записи информации. Из-за высокой стоимости их применяют только для изготовления сверхминиатюрных магнитов и тонких плёнок магнитных лент и дисков (подразд. 3.9).

Для наномагнитов разработаны композиты SmCo₅+Fe, представляют важный класс материалов для постоянных магнитов высокой мощности. SmCo₅ обеспечивает высокие коэрцитивную силу и температуру Кюри, а железо — большую намагниченность. Чтобы достичь высокой коэрцитивной силы в изотропных двухфазных системах размер магнитомягких зёрен железа Fe должен быть порядка 10 нм.