Дипломная работа: Основні магнітні явища: діамагнетизм, парамагнетизм, феромагнетизм

ЛЕКЦІЯ №1

ОСНОВНІ МАГНІТНІ ЯВИЩА: ДІАМАГНЕТИЗМ, ПАРАМАТНЕТИЗМ, ФЕРОМАГНЕТИЗМ

1. Крива намагнічування феромагнетика. Магнітні величини

2. Класифікація матеріалів за магнітними властивостями

3. Магнітно-м’які матеріали

4. Низькочастотні магнітно-м’які матеріали

5. Приклади

Всі матеріали, які знаходяться в зовнішньому магнітному полі, намагнічуються. Намагнічування пов’язане з наявністю в атомів, що складають матеріал (або іонів, молекул) мікроскопічних магнітних моментів.

Макроскопічною характеристикою намагнічування матеріалів служить величина намагнічуваності М, яка рівна сумарному магнітному моменту атомів одиниці об’єму.

Встановлено зв’язок намагнічуваності М з напруженістю Н зовнішнього магнітного поля:

М = k_m Н,

де k_m – безрозмірний коефіцієнт пропорційності називають магнітною прийнятністю матеріалу.

В залежності від знаку та величини магнітного сприйняття всі матеріали поділяють на діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.

Діамагнетики – матеріали, які намагнічуються протилежно прикладеному полю та послаблюють його, тобто мають k_m < 0 (від -10^-4 до -10^-7 ).

Діамагнетизм присутній всім речовинам (матеріалам) але виражений слабо. До діамагнетиків відносяться інертні гази, неперехідні метали (Be, Zn, Pb, Cu, Ag та ін.), напівпровідники (Ge, Si), діелектрики (полімери, скло та ін.), надпровідники.

Парамагнетики - матеріали, які мають k_m > 0 (від 10^-2 до 10^-5 ) та слабо намагнічуються зовнішнім полем.

Під дією зовнішнього поля магнітні моменти атома отримують переважне орієнтування (парамагнітний ефект), і в кристала з’являється деяка намагнічуваність. До пара магнетиків відносяться метали, атоми яких мають непарну кількість валентних електронів (K, Na, Al та ін.), перехідні метали (Mo, W, Ti, Pt та ін.) з недобудованими електронними оболонками атомів.

Феромагнетики характеризуються великим значенням магнітної сприйнятливості (k_m >> 1), а також її нелінійної залежності від напруженості поля та температури. Залізо, нікель, кобальт та рідко земельний метал гадоліній мають надзвичайно велике значення k_m ~ 10⁶ . Їх здатність сильно намагнічуватись широко використовується в техніці.

Згідно квантової теорії всі основні властивості феромагнетиків обумовлені доменною структурою їх кристалів.

Домен – область кристалу розміром 10^-4 – 10^-6 м, де магнітні моменти атомів орієнтовані паралельно визначеному кристалографічному напрямку.

(Між доменами є перехідні шари (доменні стінки) шириною 10^-7 – 10^-8 м, всередині яких спінові магнітні моменти поступово повертаються.)

КРИВА НАМАГНІЧУВАННЯ ФЕРОМАГНЕТИКА. МАГНІТНІ ВЕЛИЧИНИ

діамагнетизм феромагнетизм парамагнетизм гістерезис

Намагнічуваність монокристала феромагнетика анізотропна. Кристал заліза в напрямку ребра куба < 100 >намагнічується до насичення М_s при значно меншій напруженості поля при намагнічуванні в напрямку діагоналі куба < 111 >або в інших кристалографічних напрямках. Отже, в монокристалі заліза є шість напрямків легкого намагнічування, повернуті один відносно одного на 90 або 180⁰ , за якими і орієнтуються вектори намагнічуваності доменів.

Питома енергія (Дж/м³ ), яку необхідно затратити на перемагнічування з напрямку легкого намагнічування в напрямок важкого намагнічування, називається константою кристалографічної магнітної анізотропії – К.

Магнітна індукція – густина магнітного струму визначається як сума зовнішнього Н та внутрішнього М магнітних полів:

В = μ_о (Н + М),

де магнітна стала μ_о = 4π·10^-7 Гн/м.

Інтенсивність росту індукції при збільшенні напруженості намагнічуваного поля характеризує магнітна проникність μ. (Вона визначається як тангенс кута нахилу до первинної кривої намагнічування В = f(Н)).

Процеси намагнічування повністю необоротні. Якщо магнітне поле, доведене до +Н_s , зменшувати до нуля, то індукція збереже певне значення В_r , яке називається остаточною індукцією. Намагнічування полікристалу шляхом оборотного знаку зменшує індукцію В, та при напруженості поля Н_с індукція падає до нуля. Напруженість магнітного поля рівна Н_с , називається коерцитивною силою.

Крива намагнічування та форма петлі гістерезисна – найважливіші характеристики феромагнетика, так як вони визначають основні його константи, а отже, і області застосування.

При технічному намагнічуванні розмір домена l в напрямку магнітного поля змінюється на величину λ = ± Δ l/l, яка називається коефіцієнтом лінійної магнітострикції. Величина та знак цього коефіцієнту залежать від природи феромагнетика, кристалографічного напрямку та степені намагніченості.

При намагнічуванні в полях Н > Н_s збільшується і об’єм кристалу. Відносна зміна об’єму називається коефіцієнтом об'ємної магнітострикції парапроцеса λ_s . Зазвичай він невисокий, однак, у деяких сплавів, що називаються інварами, досягає значних величин.

КЛАСИФІКАЦІЯ МАТЕРІАЛІВ ЗА МАГНІТНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

При розробці магнітних матеріалів з заданими властивостями слід враховувати, що магнітні характеристики M_s , B_s , λ_s , K залежать тільки від хімічного складу феромагнетика, а характеристики μ, Н_с , В_r , Н_s залежать також і від виду термічної обробки, так як являються структурно чутливими.

Легко намагнічуються (мале значення H_s ) хімічно чисті феромагнітні метали та однофазні сплави на їх основі. Кількість кристалічних дефектів в них повинна бути мінімальною.

Для намагнічування є небажаними дислокації та остаточні напруження, для видалення яких в кінці технологічного процесу застосовують термічну обробку – відпал.

Намагнічування феромагнетика проходить тим легше, чим менше К та λ_s . Зменшити їх вплив можна шляхом зміни хімічного складу феромагнетика. Якщо виготовляти сплави з компонентів, що утворюють тверді розчини, один з яких має позитивну, а інший негативну константу магнітної анізотропії, то для деяких сплавів К = 0, наприклад, в сплавах системи Fe – Ni.

МАГНІТНО-М’ЯКІ МАТЕРІАЛИ

Магнітно-м’які матеріали намагнічуються в слабких магнітних полях (Н ≤ 5·10⁴ А/м) внаслідок великої магнітної проникливості (μ_н ≤ 88 мГн/м та μ_mах ≤ 300 мГн/м) та малих втрат на перемагнічування.

Такі матеріали застосовують для сердечників котушок, електромагнітів, трансформаторів, динамо-машин.

Магнітно-м’які матеріали поділяють на низько- та високочастотні.

НИЗЬКОЧАСТОТНІ МАГНІТНО-М’ЯКІ МАТЕРІАЛИ

Низькочастотні магнітні м’які матеріали в свою чергу поділяють на низькочастотні з високою індукцією насичення В_s та низькочастотні з високою магнітною проникливістю μ.

Матеріали з високою індукцією насичення. До них перш за все відносяться залізо, нелеговані та леговані електротехнічні сталі. Завдяки великій магнітній індукції (B_s ≤ 2,15 Тл), малій коерцетивній силі (Н_с ≤ 100 А/м), достатньо високій магнітній проникливості (μ_max ≤ 79 мГн/м) та добрій технологічності – їх застосовують в електротехніці для магнітних полів напруженістю від 10² до 5·10⁴ А/м.

Найбільший вміст домішок містить технічно чисте залізо. При вмісті 0,02 – 0,04 % С та інших домішок в кількості 0,6 % залізо має достатньо добрі магнітні властивості: Н_с = 64 А/м, та μ_max = 9 мГн/м. В процесі виготовлення прокату в залізі виникають внутрішні напруження, а в решітці – велика кількість дислокацій. Це погіршує магнітні властивості. Відпал в вакуумі або в водні видаляє дефекти та напруження. Суттєве покращення магнітних властивостей можна отримати після очистки заліза від вуглецю та домішок електролізом. Нелеговані електротехнічні сталі виготовляють тими ж металургійними способами, що і технічно чисте залізо; вміст вуглецю та домішок допускається в тих же кількостях. Промисловість впускає сталі різного сортаменту, в тому числі тонкий лист:

ПРИКЛАД

Нелегована електротехнічна тонколистова сталь

10895

20895

10864

20864

Перша цифра в марці вказує спосіб виготовлення: гарячекатана сталь (1), холоднокатана сталь (2). Друга цифра 0 вказує на низький вміст кремнію (≤0,03%). Третя цифра визначає основну властивість, яку гарантує завод – виробник, а саме: цифра 8 означає коерцитивну силу Н_с , а її значення (в А/м) показують дві останні цифри.

Нелеговану сталь застосовують в електротехнічній промисловості.

Електричний опір сталі можна підвищити легуванням кремнієм, який не є дефіцитним. Розчиняючись в залізі, кремній утворює легований твердий розчин. При відпалі кремній сприяє росту кристалів і тим самим трохи зменшує Н_с .

Електричний опір продовжує зростати з подальшим збільшенням вмісту кремнію в сталі, але при цьому сильно падають пластичні властивості. Сталі з вмістом кремнію більше 4 % крихкі, погано прокатуються, що ускладнює отримання тонколистового прокату. Для зменшення теплових втрат сердечники з кременистої сталі використовують в вигляді тонких (< 1 мм) листів з про слойкою ізоляції (полімери, оксиди).

ПРИКЛАД

Легована електротехнічна тонколистова сталь

1311

2011

3411

Перша цифра в марці визначає вид прокату та структуру: гарячекатана ізотропна (1), холоднокатана ізотропна (2), холоднокатана анізотропна з кристалографічною текстурою напрямку [100] (3). Друга цифра в марці вказує на вміст Si (в %): 0 – вміст < 0,4 %; 1 – (0,4 – 08%); 2 – (0,8 – 1,8%); 3 – (1,8 – 2,8%); 4 – (2,8 – 3,8 %); 5 – (3,8 – 4,8 %). Третя цифра вказує втрати на гістерезис та теплові втрати при певному значенні В та f. Четверта цифра – код числового значення нормує мого параметра. Чим цифра більша, тим менші питомі втрати.

Після технологічних операцій, необхідних для виготовлення деталей магнітопроводу (різка, штампова та ін.), магнітні властивості сталей погіршуються, тобто зростає коерцитивна сила, а відповідно, і втрати на гістерезис. Для відновлення магнітних властивостей приміняють відпал при температурі нижче температур фазового перетворення (880 – 900⁰ С) в середовищі, що захищає від окислення та навуглецьовування. Леговані електротехнічні сталі застосовують в електротехнічних виробах, розрахованих на роботу при частотах до f ≤ 400 Гц. Сталі з більш низьким вмістом кремнію використовують для сердечників, які працюють при частотах до 100 Гц та напруженості поля Н ≤ 5·10⁴ А/м. Сталі з підвищеним вмістом кремнію використовують при частотах до 400 Гц, але в слабших полях (Н > 10² А/м).

Більш високим значенням індукції (≤ 3 Тл) володіють феромагнетики, які мають високе значення атомного магнітного моменту (рідкоземельні метали).

Матеріали з високою магнітною проникливістю. Для досягнення великих значень індукції в дуже слабких магнітних полях (Н ≤ 10² А/м) застосовують сплави, які відрізняються високою початковою проникливістю. Це сплави Fe – Ni (пермалой) та Fe – Al – Si (альсифер).

Сплави пермалої з вмістом 45 – 83 % Ni характеризуються високою магнітною проникливістю, що забезпечує їх намагнічування в слабких полях. Підвищений питомий електричний опір в порівнянні з чистими металами Fe та Ni дозволяє використовувати їх в радіотехніці та телефонії при частотах до 25 кГц. Мала Н_с < 16 А/м зменшує втрати на гістерезис при перемагнічуванні. За значенням індукції насичення сплави з підвищеним вмістом нікелю поступаються залізу та сталі. Великою перевагою пермалоїв є їх висока пластичність, що забезпечує технологію отримання напівфабрикатів: тонких листів, стрічок та проволоки, що використовуються при виготовленні сердечників.

Магнітні властивості пермалоїв змінюються під дією навіть слабких напружень. При стискаючих напруженнях всього 5 МПа магнітна проникливість зменшується в 5 разів, а коерцитивна сила зростає в два рази. Тому остаточно виготовлені деталі потрібно піддавати термічній обробці та в процесі збирання необхідно застерігатись від ударів, сильного затягування або здавлювання обмоткою.ТО пермалоїв проводиться для видалення домішок, остаточних напружень та укрупнення зерна. Вона заключається в повільному нагрівів їх до температури 1100 – 1500⁰ С в середовищі, яке захищає матеріал від окислення (вакуум, водень); витримці при цій температурі 3 – 6 год. В залежності від розміру та ваги; повільному охолодженні до 600^о С (100^о С/год.) та подальшому швидкому охолодженні (400^о С/год.), при якому не відбувається упорядкування твердого розчину.

Всі пермалойні сплави можна розділити на дві групи: низьконікелеві з вмістом 45 – 50 % Ni, які мають високу магнітну проникливість при відносно високій індукції насичення, та високонікелеві з вмістом 79 – 83 % Ni з надзвичайно високою магнітною проникливістю але меншою індукцією насичення. Для покращення електромагнітних та технологічних властивостей ці сплави часто додатково легують.

Альсифери – сплави системи Fe – Al – Si не містять дорогих або дефіцитних легуючих елементів. Сплав оптимального складу 9,6 % Si та 5,4 % Al має наступні властивості: μ_н = 44 мГн/м; μ_max = 146 мГн/м; Н_с = 1,76 А/м; ρ = 0,81 мкОм·м. Практичному застосуванню таких сплавів заважають високі твердість та крихкість, що робить їх абсолютно недеформівними. Альсифери мають добрі ливарні властивості, тому їх застосовують для виготовлення фасонних тонкостінних відливок. Ці сплави використовують також для отримання тонких порошків при виготовленні магнітодіелектриків.

ЛЕКЦІЯ №2

1. Високочастотні магнітно-м’які матеріали

2. Матеріали з особливими магнітними властивостями

ВИСОКОЧАСТОТНІ МАГНІТНО-М’ЯКІ МАТЕРІАЛИ

При високих частотах зростають теплові втрати, погіршуються магнітні властивості феромагнетика – зменшенням магнітної проникливості.

Одним з ефективних способів пониження теплових втрат є застосування матеріалів з високим електричним опором – діелектриків. До таких матеріалів відносяться ферити, які відіграють важливу роль в сучасній електроніці. Ферити виготовляють спіканням оксидів. Питомий електричний опір їх досягає 10¹² Ом·м, що визначає можливість використання їх в області високих радіочастот та надвисоких частот.

За своїми магнітними властивостями при невисоких частотах вони поступаються феромагнітним металам та сплавам на їх основі. Їх магнітна проникливість μ^/ невисока та змінюється в широкому інтервалі значень – від декількох тисяч до декількох одиниць; мала індукція насичення, відносно висока коерцитивна сила, невисоку температури точки Кюрі Θ ≤ 300^о C обмежують їх робочу температуру та погіршують температурну стабільність властивостей.

До недоліків феритів відносять їх високу чутливість до остаточних напружень, в тому числі теплового та магнітострикційного походження. Вони володіють всіма властивостями кераміки: тверді, крихкі, при спіканні дають велику усадку. Обробляти їх можна лише алмазним інструментом. Властивості феритів залежать від різних технологічних факторів (розмір та однорідність порошків оксидів, питомі навантаження при пресуванні, температура спікання, режим охолодженні та ін.). Все ускладнює отримання феритів з заданими властивостями та такими, що повторюються.

Ферити спікають з подвійних оксидів типу FeO·Fe₂ O₃ . Для підвищення електроопору іон заліза Fe²⁺ в оксиді замінюють двовалентними іонами Zn, Mn, Ni, Mg. Кристалічна решітка таких оксидів – шпінель (кубічна).

Магнітні властивості феритів визначаються їх хімічним складом, а також залежать від умов експлуатації та, в першу чергу, від частоти перемагнічування.

Ферити для пристроїв, які застосовуються на радіочастотах. До них відносяться Mn – Zn та Ni – Zn ферити.

На першому місці в марці стоїть число, яке відповідає μ (відносна проникливість). На другому – букви, які визначають частотний діапазон: Н – низькочастотні, ВЧ – високочастотні. На третьому – буква, що означає легуючий елемент: Н – нікель-цинковий, М – марганцево-цинковий ферит. Для високочастотних феритів легуючий елемент не вказується, наприклад, 30ВЧ2 – μ = 30, високочастотний, різновидність друга.

Ферити Mn – Zn мають високу магнітну проникливість, але відносно невисокий питомий електроопір, що обмежує їх використання при високих частотах (< 3 МГц). Їх поділяють на 3 групи:

1 ферити першої групи не містять спеціальних добавок та використовуються в діапазоні частот до 1 МГц, коли не ставляться підвищені вимоги до температурної стабільності початкової магнітної проникливості;

2 ферити другої групи містять присадки оксидів кобальту та інших металів, які вводять для покращення температурної стабільності початкової магнітної проникливості, та призначені для використання в слабких та середніх полях на частотах до 3 МГц.

Ферити Ni – Zn відрізняються високим питомим електроопором, малими втратами, тому їх використовують прибільш високих частотах (< 200 МГц) та поділяють на три групи:

1 ферити першої групи не містять спеціальних присадок та застосовуються для роботи в слабких та середніх полях на частотах до 2 МГц;

2 ферити другої групи містять 50 % Fe₂ O₃ , значну кількість (1 – 8 %) інших оксидів. Такі ферити застосовуються для роботи на частотах до 55 МГц;

3 ферити третьої групи містять надлишок Fe₂ O₃ (54 – 59 %), а також присадки кобальту та інших оксидів (до 1 %), які вводять для покращення властивостей такі ферити призначені для використання в слабких полях на частотах до 200 МГц.

Ферити для пристроїв, які застосовуються на високих частотах (< 800 МГц).

Ферити мають складний склад, їх виготовляють з чотирьох та більше оксидів. В їх числі ферит одновалентного літію Li₂ O·5Fe₂ O₃ зі структурою шпінель та ферити, в яких частина іонів барію замінена кобальтом (BaCo)O·Fe₂ O₃ .

Такі складно леговані ферити характеризуються високим питомим опором (до 10¹² Ом·м), стабільністю магнітної проникливості, низькими втратами та зберігають ці параметри постійними до 800 МГц.

Ферити для пристроїв, які застосовуються на надвисоких частотах НВЧ (> 800 МГц).

Можливість застосування феритів при таких частотах визначає резонансне поглинання, що виникає в тих випадках, коли на ферит, перемагнічуваний високочастотним полем, накладено перпендикулярне постійне магнітне поле Н₀ .

Ферити для НВЧ вибирають з врахуванням типу пристроїв, частотного діапазону, рівня потужності та кліматичних умов.

Ферити зі структурою шпінель виготовляють спіканням оксидів нікелю та магнію. Їх склад відповідає формулі MeO·Fe₂ O₃ . Ферити, які використовують при більш високих частотах, додатково легують трьохвалентними металами хромом та алюмінієм. Вони описуються формулами MgO·(FeCr)₂ O₃ , MgO·(FeAl)₂ O₃ або NiO·(FeCr)₂ O₃ .

Ферити – гранати мають кристалічну решітку мінералу граната, їх формула 3Me₂ O₃ ·5Fe₂ O₃ . Як легуючі елементи в них використовують рідкоземельні метали (РЗМ). Застосування знаходять полі- та монокристали.

Полікристалічні ферити – гранати виготовляють спіканням оксидів рідко земельних металів: ітрію, гадолінію та ін.

Ортоферити, так як і ферити – гранати, виготовляють з оксидів заліза, легованих РЗМ. Склад їх відповідає формулі R·FeO₃ , де R – ітрій, гадоліній, самарій і т.д. Монокристали ортоферитів отримують методом безтигельної зонної плавки.

Ферити з прямокутною петлею гістерезису (ППГ). Такі ферити використовуються в обчислювальній техніці. Найширше використання отримали ферити з оксидів Mg і Mn. Найкращі характеристики спостерігаються в феритів складу MgO·3MnO·3Fe₂ O₃ , а також в полі феритів, які містять крім перерахованих трьох оксидів оксиди кальцію, цинку, літію.

В залежності від особливостей пристроїв застосовують різні за властивостями ферити з прямокутною петлею гістерезису: з низькою коерцитивною силою та з високою коерцитивною силою.

МАТЕРІАЛИ З ОСОБЛИВИМИ МАГНІТНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

Сплави з великим коефіцієнтом магнітострикції. Ці сплави застосовують для сердечників перетворювачей магнітних коливань в ультразвукові, для виготовлення ультра записуючих головок, в установках для обробки твердих матеріалів. Крім високо коефіцієнта магнітострикції ці сплави повинні мати малу коерцитивну силу та високий питомий електроопір.

Найбільшу магнітострикцію має нікель. Завдяки високій пластичності він застосовується в вигляді тонких листів (товщиною 0,1 мм і не менше); характеризується малим електроопором (0,08 мкОм·м), а відповідно застосовується для низьких частот.

Високу магнітострикцію має сплав заліза з 13 % Al. Він має значно вищий електроопір (0,96 мкОм·м), і тому при тих же втратах пластини його можуть бути в 2 – 3 рази товстішими, ніж пластини нікелю. Більш високий коефіцієнт магнітострикції мають сплави заліза, що містять 50 % Со, які використовують для перетворювачів великої потужності. Сплав заліза з платиною має найвищий коефіцієнт магнітострикції, однак він є досить дорогим.

Термомагнітні сплави. Інтенсивність намагнічування зменшується з підвищенням температури. До них відносять сплав заліза з нікелем (30 – 35 %), який перестає бути феромагнітним при 100^о С. Введення хрому або алюмінію додатково понижує температуру точки Кюрі.

ЛЕКЦІЯ №3

МАГНІТНО–ТВЕРДІ МАТЕРІАЛИ

1. Основні вимоги до магнітно-твердих матеріалів

2. Прецизійні магнітні матеріали зі спеціальними властивостями

ОСНОВНІ ВИМОГИ ДО МАГНІТНО-ТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ

Магнітно-тверді матеріали використовуються для виготовлення постійних магнітів. Вони намагнічуються в сильних полях, мають великі втрати при перемагнічуванні.

Важливою характеристикою магнітно-твердих матеріалів є максимальна питома магнітна потужність. Розмагнічування пов’язане з тими ж процесами, що і намагнічування: зміщенням доменної стінки та обертанням реакторів намагнічування. Необоротність цих процесів призводить до неспівпадіння кривих намагнічування та розмагнічування, а при перемагнічуванні до появи петлі гістерезису.

Для одно доменних кристалів розмагнічування проходить тільки в результаті обертання векторів намагнічування.

Розмір однодоменних кристалів визначається формою кристала, параметром кристалічної решітки та магнітними характеристиками. Для заліза діаметр одно доменного кристала рівний 0,05 мкм.

Необоротні процеси обертання векторів намагнічування визначають Н_с тонких плівок та багатьох багатофазних сплавів. Тонкі плівки товщиною 0,1 – 30 мкм однодоменні та магнітно-анізотропні. При товщинах, близьких до 30 мкм, в плівках стрічкова доменна структура. Довгі домени намагнічуються в взаємно протилежних напрямках та обертаються всією системою стрічок під дією зовнішнього поля. Такий спосіб використовують в інформаційних приладах.

Велике значення Н_с мають багатофазні сплави зі структурою одно доменних не рівноважних феромагнітних включень в немагнітній основній фазі. В таких сплавах розмагнічування проходить в наслідок обертання векторів намагнічування феромагнітних включень.

В сплавах з феромагнітною основною фазою та не феромагнітними включеннями розмагнічування може розвиватись шляхом зміщення доменної стінки.

Все це дозволяє сформулювати вимоги до складу та структури магнітно-твердих матеріалів. Переважне застосування мають сплави, а не чисті метали. Можна використовувати однофазні сплави з одно доменною не рівноважною формою кристалів або багатофазні сплави з різною магнітністю основи та включень.

Властивості магнітно-твердих матеріалів оцінюють стабільністю в умовах тривалої експлуатації при можливих коливаннях температури. Нестабільність властивостей може викликатись структурними змінами (структурне старіння), а також ударами та вібрацією (магнітне старіння).

Магнітно-тверді матеріали для постійних магнітів класифікують за способом виготовлення на литі, порошкові, деформуємі.

Дані матеріали використовують для виготовлення постійних магнітів. Вони намагнічуються в сильних полях Н>1000 кА/м, мають великі втрати при перемагнічуванні, залишкову індукцію В_r =0,5…1 Тл і коерцитивну силу Н_с ≤560 кА/м. Їх поділяють:

1. Литі постійні магніти. До них відносять сплави Fe-Ni-Al на основі заліза. Дані сплави містять 12–35 % Ni, 6,5–16 % Al. Застосовують сплави, які додатково леговані міддю, кобальтом, ніобієм і титаном. Всі воно покращують магнітні властивості, а мідь знижує їх розбіжності при неминучих коливаннях складу. Маркують ці сплави так як і сталі.

Марки сплавів: ЮНД4 (13…14% Al, 24…25% Ni, 3…4% Cu, решта Fe), ЮНТС (13…16% Al, 32…35% Ni, 0,4…0,5% Ti, 1…1,5 % Si решта Fe), ЮНДК15 (8,5…9,5% Al, 19…20% Ni, 3…4% Cu, 14…15% Co решта Fe) та ін. Бувають: статорні, роторні, профільні, циліндричні литі постійні магніти.

2. Спечені магніто-тверді матеріали.

· Сплави типу Fe-Ni-Al отримують спіканням порошків металів при 1300°С в атмосфері аргону або в іншій захисній атмосфері. Маркують їх ММК1…ММК11, де букви ММК означають – магніт металокерамічний, а цифра вказує порядковий номер магніту; з зростанням порядкового номеру магнітні властивості матеріалу збільшуються. Такі сплави використовують для дрібних і точних за розміром магнітів.

· Магніто-тверді ферити отримують спіканням порошків оксидів Fe, Ba і Co. За своїми магнітними властивостями вони поступаються литим сплавам Fe-Ni-Al. Оскільки вони являються діелектриками, то можуть використовуватись як постійні магніти в високочастотних магнітних полях без теплових втрат.

Властивості деяких феритів барію і кобальту приведені в таблиці.

Цифра, яка стоїть в марці на першому місці, визначає значення (В_х Н_х )_max =2w_max ; буква вказує метал в оксиді; букви И і А відповідно означають ізотропний чи анізотропний ферит; останні три цифри дорівнюють коерцитивній силі Н_сМ , яка визначена за намагнічуваністю М.

· Спечені магніто-тверді матеріали на основі порошкових сумішей К – кобальту, С – самарію, П – празеодима. Мають кристалічну гратку з малою симетрією, що визначає великі значення анізотропії і коерцитивної сили.

Марки сплавів: КС37, КС37А (37 % Sm, 63 % Co), КСП37, КСП37А(37 % Sm+Pr, 63 % Co). Цифра відповідає вмісту самарію чи середньому сумарному вмісту самарію та празеодима. Буква А в кінці марки вказує, що сплав має покращену текстуру.

3. Матеріали магніто-тверді, що здатні до деформації.

Сплави на основі пластичних металів заліза, хрому, кобальту, міді. Піддають гарячій і холодній пластичній деформації та застосовують для виготовлення постійних магнітів діаметром ≤ 100 мм. Отримують стрічку, дріт.

Високі магнітні властивості цих сплавів отримують після гартування та старіння, що пояснюється отриманням дрібнодисперсних феромагнітних фаз у немагнітній основі. Крім того, після пластичної деформації можливе формування кристалографічної текстури, що додатково покращує магнітні властивості.

Деформовані сплави для виготовлення магнітів

До групи магніто-твердих матеріалів відносять також леговану високовуглецеву сталь з вмістом вуглецю >1,0 %. Після гартування та низького відпускання така сталь має структуру мартенситу з дрібнодисперсними неферомагнітними включеннями цементиту, що забезпечує добрі магнітні властивості.

Магніто-тверда сталь є досить технологічною при гарячій обробці тиском та різанні, тому знайшла використання в магнітах великих розмірів.

Для підвищення прогартовуваності сталь легують хромом, а легування кобальтом та молібденом дозволяє покращити магнітні властивості. Найбільш типові марки магніто-твердої сталі представлені у таблиці.

У маркуванні магніто-твердих сталей перша буква Е вказує, що сталь є магніто-твердою. Решта букв та цифри вказують легуючий елемент і його вміст у відсотках.До окремої групи магніто-твердих матеріалів відносять сплави дисперсійного тверднення. Це сплави на базі систем: Fe-Ni-Al, Fe-Cu-Ni, Fe-Mo-Co, Fe-V-Co. Отримання високих значень коерцитивної сили в цих матеріалів слід пов’язати з процесом дисперсійного тверднення, який носить своєрідний характер. При термічній обробці розпад перенасиченого твердого розчину литих сплавів супроводжується виділенням високодисперсійних часток, які, крім того, мають кристалічну будову близьку до будови твердого розчину.

Сплави дисперсійного зміцнення мають наступні назви та склад:

· комоль (0,05 %С; 15 % Mo; 10 % Co; Fe – решта);

· альні (0,1 %С; 11…15 %Al; 20…25 %Ni; Fe – решта), марки АН1, АН2, АН3;

· альнісі (0,1 %С; 1 %Si; 13 %Al; 33 %Ni; Fe – решта), марка АНК;

· альніко (0,1 %С; 12…24 %Сo; 9…10 %Al; 13…20 %Ni; Fe – решта), марки АНКо1, АНКо2, АНКо3, АНКо4;

· магніко (0,1 %С; 20 %Сo; 8 %Al; 11 %Ni; Fe – решта).

ПРЕЦИЗІЙНІ МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ ЗІ СПЕЦІАЛЬНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

З даного класу магнітних матеріалів можна виділити наступні групи:

· сплави з високою магнітною проникністю (пермалой, альсифер);

· сплави з підвищеною постійністю проникності та магнітною стабільністю (пермінвар, ізоперм);

· сплави з високою індукцією (пермендюр);

· сплави термомагнітної компенсації (кальмалой, термалой);

· сплави з високою магнітострикцією (інвар);

До пермалоїв відносять залізонікелеві сплави з високою магнітною проникністю у слабких полях. Розрізняють низьконікелеві пермалої (45Н, 50Н, 60НХС) та високонікелеві (79НМ, 80НХС, 81НМА). Цифра попереду марки пермалоя вказує вміст нікелю, а букви що стоять після букви Н легуючі елементи: Mo, Cr, Si, V, ін.

Для заміни пермалою використовують більш дешеві сплави системи Fe-Al-Si, що отримали назву альсифери. Рекомендований склад альсиферу: 6,0% Al; 9,5%Si; Fe– решта. Альсифер дуже крихкий та твердий матеріал, тому застосовується у вигляді виливків.

У радіоапаратурі та апаратурі зв’язку використовують сплав типу пермінвар – Fe-Ni-Co сплав. Рекомендований склад пермінвару наступний: 45%Ni; 25%Co; решта – Fe.

Постійною проникністю та високою магнітною стабільністю характеризуються сплави, що називаються ізотермами. Ці сплави застосовують в холоднокатаному стані. Типовий хімічний склад:40%Ni; 15%Cu; 5%Al; Fe – решта.

В багатьох магнітних приладах (електромагніти, осцилографи, мікрофони) для створення потужного магнітного поля використовують залізокобальтові сплави. Такі сплави називають пермендюром (0,1%С; 49…51%Co; 1,5…2,0%V Fe – решта).

Для запобігання змін індукції та відповідно виникненню похибок приладів при зміні температур застосовують спеціальні міднонікелеві сплави, які отримали назву кальмалої. Вміст міді в цих сплавах становить 30…40 %. Недоліком кальмалою є порівняно низька індукція, що вимагає збільшення розмірів деталей. Для зменшення розмірів шунтів та осердь застосовують термалій. Це сплави на основі системи Fe-Cr-Ni. Найширше використання в техніці знайшов термалій складу: 8…13%Cr; 35%Ni.

Інвар – це сплав, що характеризується високою магнітострикцією, тобто здатністю змінювати розміри в магнітному полі. Інвар широко використовується для генерації механічних коливань (ехолоти). До інвару відносять сплави на залізохромонікелевій основі.