Лекция 13. Материалы с особыми магнитными свойствами. Основные магнит-ные характеристики металлов. Влияние легирования на магнитные свойства. Магнит-нотвердые стали и сплавы

Из всех металлов только три (железо Т_к = 768 °С, кобальт – Т_к = 1121 °С, никель – Т_к = 358 °С), а также РЗМ гадолиний - Т_к = 17 °С обладают ферромагнетизмом при положительных температурах. Ферромагнетизмом называется магнитоупорядоченное состояние макро-скопических объемов вещества (доменов), в котором магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированы в пространстве. [Домены (от фран. – области) ферромагнитные области, размером 10^-5 – 10^{-2 см, в ферромагнитных кристаллах, в которых атомные магнитные моменты ориентированы параллельно, т.е. находятся в состоянии самопроизвольного намагничивания]. Ферромагнетизм проявляется в способности материалов значительно сгущать магнитные силовые ли­нии. Эта способность материалов характеризуется магнитной проницаемостью [μ = В/μ}₀Н]. Относительная магнит­ная проницаемость ферромагнитных металлов достигает десятков и сотен ты­сяч единиц; для остальных - близка к единице. Для диамагнетиков она меньше нуля, парамагнетиков – больше нуля.

Основные сведения о магнитных свойствах дают кривые намагничивания, приведенные на рисунке 13.1. Кривая 2 является начальной кривой намагничива­ния, кривая 1 показывает изменение магнитной индукции в зависимости от на­пряженности поля при последующем намагничивании и размагничивании. Пло­щадь, ограниченная этой кривой (которая называется гистерезисной петлей), представляет собой так называемые потери на гистерезис, т. е. энергию, кото­рая затрачена на намагничивание. Важнейшими являются следующие магнит­ные характеристики, определяемые по кривой намагничивания:

Остаточная индукция B_r. Это магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля.

Коэрцитивная сила Н_с– напряженность внешнего магнитного поля проти-воположного знака, которая должна быть при­ложена к образцу для того, чтобы его полно-стью размагнитить. Характеризует магнитную твердость (жесткость) материала.

Магнитные сплавы подразде­ляют на две группы, резко отли­чающиеся формой гистерезисной кривой и значениями основных магнитных характеристик. К пер­вой группе относятся магнитно­твердые сплавы (рисунок 13.2а), характеризующиеся главным обра­зом большим значением коэрцитивной силы и остаточной индукции. Применяются для постоянных магнитов.

Рисунок 13.1 – Кривая намагничивания: 1 - гистерезисная кривая; 2 - первичная кривая	Рисунок 13.2 – Гистерезисная кривая для магнитнотвердого (а) и магнитномягкого (6) сплавов

Ко второй группе относятся магнитномягкие сплавы (рисунок 13.2б). Для них характерно ма­лое значение Н_с и малые потери на гистерезис. Их применяют как сплавы, подвергаемые переменному намагничиванию (например, сердечники трансформаторов).

Влияние легирования и внутренних напряжений.Легирование металла вызывает повышение магнитной твер­дости. Если образуется только твердый раствор, то магнитная твердость (т. е. коэрцитивная сила), повы-шается незначительно; образо­вание же второй фазы при легировании в количестве выше предела растворимости активно повышает коэрцитивную силу. Чем выше дисперсность вто-рой фазы в сплаве, тем выше его коэрцитивная сила.

Напряжения в решетке, вызванные наклепом или фазовы­ми превращениями, измельчение зерна и другие отклонения от равновесного состояния также вызывают повыше-ние 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). К магнитнотвердым сплавам относятся:

1) Углеродистая сталь - приме­няется для изготовления не­больших по размеру магнитов. Обычно для этой цели используется сталь У10–У12, которая после закалки имеет Н_с = 60 ÷ 65 Э и В_r = 8000 ÷ 8500 Гс (таблица 13.1).

Таблица 13.1 - Состав стали для постоянных магнитов, % (ГОСТ 6862-71)

Марка стали	С	Cr	Остальные
ЕХ	0,95-1,10	1,3-1,6	—
ЕХ3	0,90-1,10	2,8-3,6	—
Е7В6	0,68-0,78	0,3-0,5	5,2-6,2W
ЕХ5К5	0,90-1,05	5,5-6,5	5,5-6,5Со
ЕХ9К15М	0,90-1,05	8,0-10,0	1,2-1,7Mo
			13,5-16,5Со
Примечание. Содержание случайных (постоянных) примесей ограни­чивается следующими верхними пределами: 0,4 % Мn и Si, 0,03 % S и Р; 0,3 % Ni (в последних двух марках 0,6 %).

2) Хромистая сталь (1 % С и 1,5 или 3 % Cr) имеет прибли­зительно такие же магнитные свойства, что и углеродистая. Эти стали обладают большой прокаливаемостью, и поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров.

3) Кобальтовые стали (содержащие наряду с хромом 5 или 15 % Со) обладают наиболее высокими магнитными свойства­ми по сравнению с другими сталями. Дефицит-ность кобальта и то обстоятельство, что более высокие магнитные свойства достигаются в сплавах Fe-Ni-Al (менее дефицитных), крайне ограничили примене­ние кобальтовых сталей.

Сплавы Fe-Ni-Al (11-14 % Al; 22-34 % Ni; остальное – железо) марки Альни имеют коэрцитивную силу 400–500 Э при остаточ­ной индукции 6000–7000 Гс. Столь высокое значение магнит­ных свойств позволяет изготавливать мощные магниты весьма малых габаритов и массы, что имеет большое значение для приборостроения (рисунок 13.3).

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной тер­мической обработке, состоящей из предварительной нормализации (воздушной закалки), закалки с обычной температуры в воде или масле и низкого отпус­ка (желательно с предварительной обработкой холодом). Режимы термической обработки и гарантируемые магнитные свойства. приведены в таблице 13.2.

Таблица l3.2 - Термическая обработка и магнитные свойства магнитных сталей (ГОСТ 6862-71)

Марка стали	Термическая обработка1, °С	Магнитные свойства (не менее)
воздушная закалка (нормализация) 1-я	закалка2 2-я	остаточная индукция Вr, Гс	коэрцитивная сила Нс, Э
ЕХ3		840-860
Е7В6	1200-1250	820-860
ЕХ5К5	1150-1200	930-950
ЕХ9К15М	1200-1230	1030-1050
1 Обработка холодом при –70 °С. 2 Отпуск после закалки при 100 °С.

Высокая воздушная закалка (или нормализация) необходима для растворения крупных включений карбидных фаз, которые при обычном нагреве под закалку (указывается в третьем столбце таблицы 13.2) могут не раствориться в аусте­ните, в результате не будут достигнуты высокие магнитные свойства. Обработка холодом устраняет парамагнитный остаточный аустенит и тем самым повышает магнитные свойства. Отпуск при 100 °С немного сни­жает коэрцитивную силу, но стабилизирует ее величину во времени. Стальные магниты изготавливают по той же технологии, что и другие сталь­ные детали, т. е. ковкой с последующим отжигом и механической обработкой.

Рисунок 13.3 – Размер магнитов из различных магнитных материалов. имеющих одинаковую магнитную мощность

Более высокие магнитные свойства можно получить в сплавах Fe-Ni-Al - Альни, однако эти сплавы не поддаются механической обра­ботке, и поэтому они изготавливаются литьем или методами порошковой металлургии, с последующим шлифованием. Экспериментально было показано, что коэрцитивная сила для сплавов Fe-Ni-Al с разным содержанием компонентов имеет максимум примерно при 13 % Аl. При этом, чем выше содержание никеля в сплаве, тем выше абсолютное значение коэрцитивной силы; у сплавов с 30 % Ni оно достигает 650 Э. Остаточная индукция с увеличением содержания никеля уменьшается, хо­тя максимальная магнитная энергия (произведение Н×В) наибольшая при 28 % Ni. Поэтому практически применяют сплавы Fe-Ni-Al с 12-13 % Аl и с различным (в зависимости от требуемых значений магнитных свойств) со­держанием никеля. Составы промышленных сплавов приведены в таблице 13.3.

Исключительно высокую коэрцитивную силу сплавов Fe-Ni-Al и их не­обычное поведение при термической обработке изучали неоднократно. В ряде случаев сплавы достигают максимальной коэрцитивной силы уже в литом состоянии или после нагрева между 1000 °С и точкой плавления и, последующе­го охлаждения с регламентированной скоростью (например, 10-20 °С в се­кунду) (рисунок 13.4а). В то же время в результате резкой закалки получается пониженная коэрцитивная сила, которую не удается повысить отпуском до значений, получаемых при закалке со средней скоростью охлаждения (рисунок 13.4б). Скорость охлаждения, обеспечивающая получение максимальной коэрцитивной силы, называется критической скоростью охлаждения.

Таблица 13.3 - Состав и свойства литых магнитных сплавов Fe-Ni-A1

Название	Марка	Содержание элементов1, %	Магнитные свойства (не менее)
Ni	Al	Co	Cu	Si	остаточ-ная ин-дукция, Гс	коэрци-тивная сила, Э	макси-мальная магнит-ная энер-гия, Гс·Э·10–6
Ални 1	ЮН1			—	—	0,15			0,7
Ални 2	ЮН2	24,5	13,0	—	3,5	0,15			0,35
Ални 3	ЮН3	23,5	15,5	—		0,15			0,9
Алниси	ЮНС		13,5	—	—	1,0			1,0
Алнико	ЮНДК12					0,15			1,4
Алнико 15	ЮНДК15					0,15			1,5
Алнико 18	ЮНДК18					0,15			1,7
Магнико	ЮНДК24	13,5				0,15			1,9
1 Остальное – железо.

Согласно современным представлениям, получение высокой коэрцитивной силы при закалке следует связывать с процессом распада однофазного твер­дого раствора, существующего у сплавов Fe-Ni-Al при высоких темпера­турах (после нагрева под закалку).

Рисунок 13.4 – Коэрцитивная сила сплава Fe-Ni-A1 (27,4 % Ni; 14,7 % Al): а – в зависимости от скорости охлаждения при закалке с 1250 °C; б – в .зависимости от температуры отпуска

Исходный однофазный сплав (β-фаза) с решеткой объемноцентрированно­го куба в процессе охлаждения с высокой температуры полностью распада­ется с образованием высокодисперсных ферромагнитных фаз β₁ и β₂, также имеющих объемноцентрированные кристаллические решетки. По химическому составу фазы существенно различны: β₁-фаза близка к железу, β₂-фаза пред­ставляет собой твердый раствор на основе химического соединения NiAl. Обе фазы имеют упорядоченную кристаллическую структуру. Так как решетки обеих фаз однотипны, а параметры их близки друг к другу, то между ними сохраняется прочная когерентная связь и свойствен­ное такому роду связи напряженное состояние по поверхностям раздела фаз. Подобного типа гетерогенная структура, состоящая из β₁- и β₂-фаз с не­нарушенной когерентной связью, обладает наиболее высокой коэрцитивной силой.

Таким образом, получение высококоэрцитивного состояния сводится к разделению исходной β-фазы на когерентные высокодисперсные β₁- и β₂-фазы, что приво­дит к возникновению больших напряжений и к искажению кристаллических решеток фаз, к дроблению блоков мозаичной структуры. Для наиболее ус­пешного проведения этого процесса необходим ступенчатый распад β-фазы. Существуют два температурных интервала ступенчатого распада. В верхнем интервале (900–800 °С) происходит подго­товительный процесс, а в нижнем (700-600 °С) с достаточной полнотой за­канчивается процесс дисперсионного распада. Такое состояние сплава не может быть достигнуто резкой закалкой и отпуском, так как закалка полностью фиксирует состояние β-фазы и не дает протекать подготовительным процессам; следовательно, при последующем от­пуске (700-600 °С) может наблюдаться лишь вторая ступень распада, и ко­эрцитивная сила не достигает максимального значения.

Магнитные свойства сплавов Ni–Al в сильной степени зависят от массы магнита и его химического состава. Чем массивнее магнит, тем при данном химическом составе медленнее приходится его охлаждать, чтобы не получились трещины. Но при этом скорость охлаждения может оказаться меньше «критической» и магнитные свойства не достигнут своего максимального зна­чения. Наивысшие магнитные свойства реализуются при 27–32 % Ni и 12–14 % Аl (остальное железо). Никель увеличивает критическую скорость охлажде­ния, а алюминий ее уменьшает.

Применяют также сплавы Ni–Al с добавками кремния (1–2 %). Такие сплавы обладают очень высокой коэрцитивной силой (до 640 Э) при умерен­ной индукции (400–500 Гс) и пониженной критической скоростью охлажде­ния, что очень существенно при изготовлении массивных магнитов. Добавка меди к сплавам Fe-Ni-Al позволяет частично заменить дорогой никель и улучшить свойства сплава. Введение в сплав с 22 % Ni до 6 % Cu повышает Н_c без снижения B_r. Наиболее высокие магнитные свойства достигаются при одновременном введении меди и кобальта. Последний повышает коэрцитивную силу и остаточную индукцию.

Особое внимание следует уделить высококобаль­товым сплавам (15–24 % Со), которые подвергаются так называемой закалке в магнитном поле. Сущность этой закалки заключается в том, что нагретый до температуры закалки (около 1300 °С) магнит быстро помещают между по­люсами электромагнита (напряженность поля должна быть не менее120000 А/м) и так охлаждают до температуры ниже 500 °С. Дальнейшее охлаждение проводят обычно на воздухе. После такой обработки магнит обладает резкой анизотропией магнитных свойств. Магнитные свойства очень высоки только в том направлении, в котором действовало внешнее магнитное поле в процессе закалки.

Явления, происходящие при термической обработке в магнитном поле.Как известно, процесс перехода сплава из парамагнитного состояния в ферромагнитное (в точке Кюри) заключается в возникновении в нем облас­тей спонтанного намагничивания. Если в это время на сплав подействовать сильным магнитным полем, то в микрообъемах сплава произойдет пластиче­ское деформирование, вызванное поворотом этих областей, стремящихся ори­ентироваться вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. Поворот областей спонтанного намагничивания (т. е. пла­стическая деформация) может произойти тем легче, чем выше в это время температура сплава, т. е. чем выше его точка Кюри. Присадка кобальта сильно повышает эту температуру. Поэтому термомагнитная обработка сплавов Ni–Al с боль­шими добавками кобальта дает значительный эффект.

В последнее время начинают применять различные магнит­ные деформируемые текстурованные сплавы. Эти сплавы срав­нительно легко обрабатываются резанием, и их выпускают глав­ным образом в виде полос, лент и т. д. В качестве такого спла­ва можно указать, например, викаллой. Один из типов викаллоя (52 % Со, 14 % V, Fe – остальное) дает остаточную индукцию около 10000 Э при коэрцитивной силе около 400 Гс. Получили также применение высококоэрцитивные сплавы на основе соединений редкоземельных металлов

Рекомендуемая литература

Основная 1 [303-306, 318-325], 2 [540-546]

Контрольные вопросы