Материалы с особыми магнитными свойствами

Лекция 22

Материалы с особыми магнитными свойствами. Композиционные материалы

Материалы с особыми магнитными свойствами.

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, в той или иной степени намагничиваются. Это связано с наличием у составляющих материал атомов микроскопических магнитных моментов.

В зависимости от восприимчивости к намагничиванию материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд непереходных металлов, таких как Ве, Cu, Ag, Pb.

Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, Al, а также такие переходные металлы, как Мо, W, Ti.

Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре — железо, кобальт, никель и гадолиний — обладают высокими ферромагнитными свойствами, т. е. способностью значительно сгущать магнитные силовые линии, что характеризуется магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных металлов достигает десятков и сотен тысяч единиц; для остальных она близка к единице.

Основные сведения о магнитных свойствах дают кривые намагничивания, приведенные на рис. 22.1.

Рис. 22.1 Кривые намагничивания: I — гистерезисная; 2 — первичная

 

Кривая 2 является начальной кривой намагничивания, кривая 1 показывает изменение магнитной индукции в материале в зависимости от напряженности поля при последующем размагничивании и намагничиванин. Важнейшими являются следующие магнитные характеристики, определяемые по кривой намагничивания:

Остаточная индукция В_r. Это магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля; измеряется в гауссах (Гс) или теслах (1Тл = 10⁴ Гаусс).

Коэрцитивная сила Н_c — напряженность поля, которая должна быть приложена к образцу для того, чтобы его размагнитить; измеряется в эрстедах (Э).

Магнитная проницаемость характеризует интенсивность намагничивания и определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой начального намагничивания В = f(Н); размерность магнитной проницаемости Гс/Э.

Видно, что при перемагничивании от +Н к -Н и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этой кривой (которая называется гистерезисной петлей), представляет собой так называемые потери на гистерезис, т. е. энергию, которая затрачена на перемагничивание.

Ферромагнитные сплавы подразделяют на две группы, резко отличающиеся формой гистерезисной кривой и значениями основных магнитных характеристик. К первой группе относятся магнитнотвердые сплавы. Они характеризуются широкой петлей гестерезиса, большим значением коэрцитивной силы Н_c (рис. 24.1) и применяются для постоянных магнитов.

Ко второй группе относятся магнитномягкие сплавы. Для них характерно малое значение Н_с и малые потери на гистерезис. Их применяют как сплавы, подвергаемые переменному намагничиванию (например, сердечники трансформаторов).

Особую группу составляют сплавы с высокой магнитной проницаемостью, которые должны интенсивно намагничиваться в слабых полях.

 

Легирование металла вызывает повышение коэрцитивная силы Н_c (магнитной твердости). В соответствии с законом Курнакова если образуется только твердый раствор (в железе или в другом ферромагнитном металле), то магнитная твердость повышается незначительно; образование же второй фазы при легировании активно повышает коэрцитивную силу. Чем выше дисперсность второй фазы в сплаве, тем выше его коэрцитивная сила. Напряжения в решетке, вызванные наклепом или фазовыми превращениями, измельчение зерна и другие отклонения от равновесного состоянии вызывают повышение коэрцитивной силы. Это значит, что изменения в строении, вызывающие повышение механической твердости, повышают и магнитную твердость (коэрцитивную силу). Этим оправдывается применение терминов: магнитная твердость или мягкость.

Стали и сплавы для постоянных магнитов (магнитнотвердые сплавы)

Магнитная энергия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с. Магнитная энергия пропорциональна прооизведению В_r х Н_с. В этой связи от материалов для постоянных магнитов требуется высокое значение коэрцитивной силы Н_с и остаточной индукции В_r, а также их постоянство во времени. Учитывая, что величина В_r ограничена магнитным насыщением ферромагнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы Н_с. Для получения высоких значений Н_с стали должны иметь неравновесную структуру, обычно - мартенсит с большим количеством дефектов строения, являющихся источником искажений кристаллической решетки и внутренних напряжений.

Высококоэрцитивные сплавы, используемые для постоянных магнитов:

Высокоуглеродистые стали со структурой мартенсита - применяются для изготовления небольших по размеру магнитов. Обычно для этой цели используется сталь У10 — У12, которая после закалки имеет Н_с = 60 — 65 эрстед и В_r = 8000 — 8500 гаус.

Хромистые стали ЕХ, ЕХ3 (1 % С и 1,5 или 3 % Сг) имеют приблизительно такие же магнитные свойства, что и углеродистая.

Эти стали обладают большой прокаливаемостью, и поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров.

Хромокобальтовые стали ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (содержащие наряду с хромом 5 или 15 % Со) обладают наиболее высокими магнитными свойствами (Н_с = 100 — 170 Э и В_r = 8000 — 8500 Гс) по сравнению с другими сталями.

Однако дефицитность кобальта и то обстоятельство, что более высокие магнитные свойства достигаются в сплавах Fe — Ni — Аl (менее дефицитных), крайне ограничили применение кобальтовых сталей.

Сплавы системы Fe — Ni — Аl (11 — 14 % Al; 22 — 34 % Ni; остальное — железо) так называемые сплавы «Альнико» или ЮНДК; в них можно получить коэрцитивную силу 400 — 500 Э при остаточной индукции 6000 — 7000 гаус. Столь высокое значение магнитных свойств позволяет изготавливать мощные магниты весьма малых габаритов и массы, что имеет большое значение.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной терми- ческой обработке, состоящей из предварительной нормализации (воздушной закалки), закалки с обычной температуры в воде или масле и низкого отпуска (желательно с предварительной обработкой холодом).

Первая, высокая воздушная закалка (или нормализация), необходима для растворения крупных включений карбидных фаз, которые могли образоваться при предшествующем отжиге и которые при нормальном нагреве под закалку могут не растворяться в аустените, что не обеспечит получения высоких магнитных свойств.

Обработка холодом устраняет парамагнитный остаточный аустенит и тем самым повышает магнитные свойства; отпуск при 100⁰С хотя немного и снижает коэрцитивную силу, но стабилизирует ее величину во времени.

Стальные магниты изготавливают таким же образом, как и другие стальные детали, т. е. ковкой с последующим отжигом и механической обработкой.

Сплавы Fe — Ni — Al не поддаются механической обработке, и поэтому их следует изготавливать или отливкой или методами порошковой металлургии. Термическая обработка состоит из закалки с температуры 1250 — 1280⁰С с определенной для каждого сплава скоростью охлаждения и отпуска при 580 — 600⁰С. Магнитные свойства можно улучшить, если охлаждение после закалки проводить в сильном магнитном поле.