Магнитные материалы


 

Магнитные материалы широко используются в электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении. К магнитным материалам относят:

  • магнитно-мягкие материалы;
  • магнитно-твердые материалы;
  • магнитодиэлектрики;
  • ферриты.

Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы должны иметь высокую начальную и максимальную магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. Кроме этого, они должны обладать незначительными потерями при перемагничивании на вихревые токи, обладать малой площадью петли гистерезиса и сравнительно высоким электрическим сопротивлением.

Изготовление магнитно-мягких изделий литьём трудоёмко и связано с большими потерями материала. Себестоимость магнитно-мягких спеченных деталей гораздо ниже себестоимость тех же деталей, изготовленных путём обработки на металлорежущих станках из компактного материала. При этом в ряде случаев требования промышленности настолько высоки, что выполнение их на базе существующей технологии изготовления магнитно-мягких материалов невозможно.
Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и другими. Порошок железа, применяемый как основа магнитно-мягких материалов, должен содержать углерода не более 0,07%. Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов

Состав материала, %   Удельное электросопротивление ρ, мкОм⋅см   Магнитные свойства в статических полях
Остаточная магнитная индукция В800, Тл Коэрцитивная сила , Нс, А/М Максимальная магнитная проницаемость μmax·103
 99 Fe  10,0  1,30  76,0  3,80
 99 Fe, 1P  41,0  1,35  75,0  5,00
 97 Fe, 2Si  44,6  1,00  120,0  1,90
 96 Fe, 4Si  70,5  1,00  128,0  2,10
 94 Fe, 6Si  146,9  0,90  72,0  4,40
 88 Fe, 12Al  95,0  1,30  36,0  8,20
 50 Fe, 50 Ni  40,0  1,55  5,8  40,20
 14 Fe, 72 Ni, 14 Cu  29,0 0,62  4,0  48,00
 22 Fe, 78 Ni  –  0,90  4,8  72,50

При изготовлении магнитно-мягких материалов из железного порошка необходимое количество его смешивают с определенной дозой стеротекса (цинковая соль стеариновой кислоты) для улучшения прессуемости порошка. Затем проводят прессование и спекание в атмосфере водорода. Охлаждение после спекания осуществляют в холодильнике печи также в атмосфере водорода. После спекания изделия подвергают допрессовке, после которой проводят повторное спекание в водороде (отжиг).

В результате такой обработки получают изделия, имеющие характеристики:

  • остаточная магнитная индукция В800, Тл – 0,9
  • максимальная магнитная проницаемость μmax, мГн/м –3400 –3500
  • коэрцитивная сила Нс, А/м – 96–104

Чистое железо имеет низкое электросопротивление. Поэтому для изделий из него характерны большие потери на вихревые токи. Для снижения этих потерь применяют сплавы железа с кремнием, кремнием и алюминием или другими легирующими добавками. Лучшие свойства достигаются при содержании кремния 4–6 %. Сплавы с большим содержании кремния имеют высокую твердость, повышенную хрупкость и плохую обрабатываемость.

Сплавы типа пермаллоя можно получать как из механической смеси порошков, так и из порошков полученных путем совместного осаждения карбонилов железа и никеля. Сплав, получаемый совместным легированием карбонилов, имеет более высокие свойства, чем полученный механическим смешиванием отдельных компонентов. Так, в первом случае коэрцитивная сила Нс= 0,537 А/м, максимальная магнитная проницаемость μmax= 6,62 мГн/м , а во втором соответственно Нс=0,0417 А/м, μmax= 3,49 мГн/м.

В настоящее время разработан электролитический метод получения порошковых магнитно-мягких сплавов типа тройного пермаллоя (Ni–Fe–Mo) и четверных супермаллоев ( Ni–Fe–Mo–Mn и Ni–Fe–Mo–Cu) с высокими магнитными свойствами. Из-за высокой твердости частиц такие порошки плохо прессуются. Для улучшения прессуемости в состав вводят определенное количество пластмассы, которая при спекании в водороде полностью удаляется и не влияет на магнитные свойства.
В ряде случаев для улучшения свойств магнитно-мягких материалов проводят термомагнитную обработку, которая заключается в нагреве магнитных изделий до температуры порядка 710 °С с выдержкой при этой температуре и последующем охлаждением в магнитном поле. Магнитная проницаемость после такой обработки повышается.

Магнитно–твердые материалы

Магнитно–твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов, обладающих высокими значениями коэрцитивной силы и большой остаточной магнитной индукцией.

За последние годы появились новые виды магнитно-твердых материалов, которые могут быть получены только из порошков. К ним можно отнести магниты на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами, магниты на основе ферритов, на основе высокодисперсных порошков железа и его сплавов с кобальтом, магниты на основе сплавов марганца с висмутом и алюминием.

Постоянные магниты характеризуются высокими магнитными свойствами, получаемыми в результате образования гетерогенной структуры, которая достигается в процессе спекания или последующей термической обработки.

В качестве исходных материалов для производства постоянных магнитов используют чистые порошки железа, никеля, кобальта и меди. Обычно это порошки, полученные электролизом или карбонильным методом. Алюминий вводят в виде порошка железоалюминиевой или никельалюминиевой лигатуры,
который получают размолом литого сплава или распылением расплава. Использование лигатур дает возможность снизить температуру спекания за счет образования жидкой фазы. При производстве постоянных магнитов в качестве исходных материалов могут использоваться и порошки сплавов металлов. При использовании порошков сплавов уровень достигаемых магнитных свойств бывает выше. Широкое распространение получили сплавы на основе железа типа Fe –Ni –Al –Co с добавками различных элементов.

При получении магнитов исходные порошки смешивают и из смеси прессуют заготовки. Для улучшения прессуемости в смесь вводят в качестве смазки незначительное количество стеротекса. Прессовки спекают в атмосфере очищенного от кислорода и азота водорода. Температуру спекания выбирают в зависимости от состава, формы и размера спекаемых заготовок. Обычно она составляет 1280–1350 °С. Структура спеченного материала зависит от скорости охлаждения и последующей термической обработки, которую проводят по режимам обычным для литых магнитов из сплавов аналогичного состава. Магниты типа альни ( Fe –Ni –Al –Cu) подвергают закалке на воздухе, типа альнико (Fe –Ni –Al –Co –Cu) – закалке на воздухе и отпуску, типа магнико ( Fe –Ni –Al –Co –Cu ) – закалке на воздухе с одновременным наложением магнитного поля и отпуску. Для сплавов альни и магнико термическая обработка после спекания обязательна. Свойства порошковых магнитно–твердых материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Свойства порошковых магнитотвердых материалов

Наименование материала  Марка  Химический состав шихты, % Магнитные свойства (средние значения)
Ni  Al Co Cu Магнитная индукция
Вч, Тл
Коэрцитивная сила,
Нс, кА/м
Магнитная энергия, Br⋅Нс, кДж/м3 
 Альни  ЮНДЧ  25,0  13,0  –  4,0  0,55  39,90  8
 Альнико  ЮНКДЗ  24,5  13,0  3,0  4,0  0,57  47,90  9
 Магнико  ЮНДК24Т1  15,0  8,0  24,0  3,0  0,97  47,90  22

При легировании сплавов альни кобальтом повышается остаточная индукция и коэрцитивная сила. Сплавы в зависимости от содержания кобальта получили название альнико или магнико. В силовых магнико содержание никеля и алюминия уменьшено, а содержание кобальта увеличено до 20 –25%. В этих сплавах за счет термомагнитной обработки, сущность которой состоит в том, что магнит, нагретый до температуры около 1300 °С, охлаждают в магнитном поле с определенной напряженностью, достигается коэрцитивная сила величиной 40 – 48 кА/м при магнитной индукции 1,2 –1,5 Тл.

Большой интерес представляют магнитнотвердые материалы, полученные из мелкодисперсных порошков, имеющих размер частиц 0,05 –0,50 мкм. Порошки железа или смесь порошков железа и кобальта прессуют, прессовки пропитывают раствором бакелитовой смолы и нагревают для полимеризации.

В тонкодисперсном железном порошке содержатся оксиды, которые способствуют значительному повышению коэрцитивной силы.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой металлопластические магнитные материалы, состоящие из многокомпонентных композиций на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами.

Они характеризуются постоянством магнитной проницаемости, большим удельным электросопротивлением, низкими потерями на вихревые токи и на гистерезис и широко используются в электро – и радиотехнике.

В качестве исходных магнитных материалов применяются карбонильные или электролитическое железо, пермаллой, железокремнийалюминиевые (альсифер) и железоникелькобальтовые сплавы и другие ферромагнетики. В качестве диэлектриков, изолирующих ферромагнитные частицы порошков, используют различные искусственные смолы типа бакелита стирола, аминопласта. А также силиконы, пластмассы, силикаты, жидкое стекло и другие материалы, хорошо покрывающие частицы ферромагнетика и образующие сплошную изолирующую пленку.

Смешивание ферромагнетика со связующим в виде твердого порошка осуществляют в обычных смесителях, а с жидким –в подогреваемых реакторах при непрерывном перемешивании до осаждения изоляционной пленки на частицах сплава. Иногда с целью повышения механической прочности проводят многослойную изоляцию, нанося на частицы ферромагнетика несколько слоев диэлектрика.

Некоторые свойства магнитодиэлектриков приведены в таблице 3.

Материал Размер зерен, мкм  Магнитная проницаемость μ  Удельное электросопротивление, мкОМ·м 
 Карбонильное железо  3 –20  15 –60  0,1
 Пермаллой  5 –25  75 –85  0,05 –0,25
 Молибденовый пермаллой  4 –80  125  0,4 –0,5
 Альсифер  10 –100  10 –60  0,8

Параметрами, характеризующими структуру магнитодиэлектрика, являются коэффициент объемного заполнения ферромагнитной фазой, общая поверхность частиц ферромагнетика, средняя толщина прослоек между частицами или толщина диэлектрической пластинки и объемная концентрация диэлектрической фазы.

Ферриты

Ферриты представляют собой класс магнитных материалов, состоящих из оксидов железа (Fe2O3) и других металлов (NiO, MgO, ZnO, MnO, CuO, BaO и др.). Состав ферритов можно записать формулой

МеО⋅Fe2o3, где

Me –двухвалентный металл.

Компоненты, входящие в ферриты, образуют между собой обширные области твердых растворов, в которых присутствуют магнитные материалы с очень широким диапазоном свойств. Эти материалы могут быть магнитно-твердыми и магнитно-мягкими.

Процесс производства ферритов

Процесс производства ферритов представляет собой сложный комплекс технологических операций, так как электромагнитные свойства ферритов изменяются при незначительных отклонениях от состава шихты, зернистости порошков, удельного давления при прессовании, температуры и времени спекания.

Процесс производства ферритов состоит из следующих этапов:

  • составление, смешивание, помол и отжиг шихты;
  • введение пластификаторов, второе смешивание с помолом и протирка шихты;
  • прессование и спекание.

В зависимости от состава ферритов их спекание проводят при температурах от 900 до 1400 °С в воздушной среде. Однако в некоторых случаях применяют инертную среду. После обжига изделия проверяют на отсутствие трещин, сколов, сохранение конфигурации и размеров, а также на электромагнитные параметры.

Магнитные свойства ферритов зависят от химического состава, условий спекания и режима последующего охлаждения. В зависимости от этих условий ферриты могут иметь начальную магнитную проницаемость от единицы до 4000. Индукция насыщения ферритов бывает не высокой. Так при полях в 8–12 кА/м индукция насыщения составляет не более 0,4 Тл. Ферриты трудно намагничиваются, и полное магнитное насыщение у них наступает при очень сильных полях.

Удельное электрическое сопротивление ферритов колеблется в пределах 0,1·105 Ом·м, в то время как у металлов оно составляет не более 10-6 мОм⋅. Ферриты представляют собой соединения сложного структурного строения. Наиболее распространены ферриты типа шпинели, у которых элементарные ячейки аналогичны природному минералу MgO⋅Al2O3. Имеются ферриты с гексагональной решеткой, строение которых аналогично природному материалу Pb(Fe·Mn)12O19. Кроме того существуют ферриты с элементарной ячейкой, подобной природному минералу – гранату и ферриты типа перовскита, аналогичные по структуре природному минералу CaO⋅TiO2.

Ферриты применяют для изготовления деталей радиоприемников, телевизоров, запоминающих и вычислительных устройств, систем магнитной записи и в качестве конструкционного материала для построения элементов связи.

Новыми перспективными магнитными материалами являются постоянные магниты на основе редкоземельных металлов, и аморфные магнитные материалы. Магниты на основе редкоземельных металлов представляют собой соединения редкоземельных элементов с кобальтом типа:

RCO5, где

– R–Sm, Pr, Cd, Ce.

Они имеют высокую магнитную энергию ( 250 – 290 мДж/м3) и применяются в микроволновых устройствах, авиационной, космической и других отраслях техники.

Аморфные магнитные материалы имеют состав, который можно описать формулой:

T75-83M25-17, где

  • Т – Fe, Co, Ni (могут быть микродобавки других металлов);
  • M – P, C, B, Si, Al.

Аморфные материалы не имеют границ зерен, и величина коэрцитивной силы в них исчезающе мала ( порядка 0,5 А/м). Они используются для изготовления магнитных экранов, головок магнитнозаписывающих устройств, сердечников реле и других изделий.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий