Магнитотвёрдые материалы
Магнитотвёрдые материа́лы (магнитожёсткие материалы), материалы с коэрцитивной силой по индукции не менее 4 кА/м. Иначе их называют высококоэрцитивными материалами.
Основные характеристики магнитотвёрдых материалов
Основными техническими параметрами магнитотвёрдых материалов, характеризующими их свойства, являются (или нормальная коэрцитивность), коэрцитивная сила по намагниченности (или внутренняя коэрцитивность), остаточная индукция , остаточная намагниченность , максимальное энергетическое произведение , область рабочих температур, температура Кюри , а также температурные коэффициенты обратимых изменений величин , , и т. д. Магнитотвёрдые материалы – материалы с большими величинами , и . Параметры , , , и определяют из кривых размагничивания магнитотвёрдых материалов и (рис. 1). Зависимость намагниченности от напряжённости магнитного поля , как правило, используют в физике, а зависимость индукции магнитного поля от напряжённости – в технике. Петля магнитного гистерезиса является геометрической суммой петли и (с учётом знака поля) в соответствии с формулой , где Гн·м–1 – магнитная постоянная. Величину определяют из зависимости как максимальное произведение при изменении и устанавливают наиболее энергетически выгодные условия эксплуатации изделий из магнитотвёрдых материалов c индукцией в поле (рис. 1).
В таблице 1 представлены основные параметры некоторых магнитотвёрдых материалов. Природа высоких значений коэрцитивной силы в них определяется одним из трёх основных механизмов задержки процессов перемагничивания в магнетиках: необратимым вращением вектора их спонтанной намагниченности ; задержкой образования и/или роста зародышей перемагничивания (зародышей магнитной фазы с иным направлением вектора спонтанной намагниченности ); закреплением доменных стенок на различных локальных неоднородностях и структурных несовершенствах кристаллов.
Таблица 1. Характеристики различных магнитотвёрдых материалов
Основные параметры магнитотвёрдых материалов различных типов | |||||||||
Тип материала | Марка материала | Состав, | , | , | , | , | , | , | Плотность, |
Литой | ЮНДКТ5 (тиконал) | 7 % Al, 14 % Ni, 35 % Co, 3,5 % Cu, 5 % Ti, 0,8 % Nb, остальное Fe | 1,1 | 120 | 88 | –0,01 | 7,5 | ||
23Х15К5ФА | 23 % Cr, 15 % Co 5 % V, остальное Fe | 1,25 | 42 |
| 38 | 0,015 |
| 7,65 | |
Спечённый | КС37 | 38,5 % Sm, остальное Co | 0,77 | 540 | 1300 | 110 | –0,045 | 730 | 8,2 |
КС25ДЦ240
| 25 % Sm, 2,8 % Zr, 19 % Fe, 5,2 % Cu, остальное Сo | 1,1 | 780 | 900 | 240 | –0,03 |
|
| |
НмБ 320/120 | 30 % Nd, 0–20 % Co, 1–2 % B, 0–25 % Dy, Pr, Tb, остальное Fe | 1,35 | 940 | >1200 | 360 | –0,12 | 593 | 7,6 | |
28БА190 (бариевый феррит) | ВаО·6Fe2O3 | 0,39 | 185 | 190 | 28 | –0,2 | 450 | 5,1 |
Примечание. Материалы ЮНДКТ5, 23Х15К5ФА, КС25ДЦ240 двухфазны и имеют две температуры Кюри.
Из магнитотвёрдых материалов изготавливают постоянные магниты, эксплуатационные характеристики которых совпадают с вышеперечисленными основными параметрами магнитотвёрдых материалов. Постоянные магниты должны сохранять свои магнитные свойства длительное время, а любое намагниченное состояние магнитотвёрдого материала является метастабильным, поэтому микроструктура и химический состав магнитотвёрдых материалов формируются таким образом, чтобы максимально увеличить временну́ю стабильность величин коэрцитивной силы, гистерезиса и других магнитных свойств. При этом временна́я стабильность не связана с временем релаксации или магнитной вязкостью, а определяется термодинамикой физико-химических процессов. В настоящее время магнитные характеристики лучших магнитотвёрдых материалов (а следовательно, и постоянных магнитов на их основе) изменяются не более чем на несколько процентов за десятилетия эксплуатации в составе изделия или хранения изделия на открытых площадках.
Классификация магнитотвёрдых материалов
Основные типы магнитотвёрдых материалов: литые, спечённые и композиционные. Литые сплавы на основе систем железо – никель – алюминий – кобальт, легированные медью, титаном, ниобием, промышленно выпускаются с 1930-х гг. Эти сплавы могут быть изотропными и анизотропными. Изотропные литые магнитотвёрдые материалы имеют более низкие значения основных магнитных параметров, но являются более дешёвыми, чем анизотропные. Такие сплавы обрабатываются шлифовкой или электроэрозионной резкой. К их преимуществам относятся: высокая однородность свойств по объёму, высокая температурная стабильность, способность работать при высоких температурах (до 450 ℃), высокая радиационная стойкость. Эти материалы используются в магнитных системах измерительных приборов, сейсмодатчиках, прецизионных электродвигателях и в военной технике. К литым магнитотвёрдым материалам также относятся сплавы на основе системы железо – кобальт. Их преимущество – в наличии пластической деформации даже в высококоэрцитивном состоянии.
Спечённые магнитотвёрдые материалы изготавливают путём прессования порошков (размер частиц до 2–3 мкм) в магнитном поле с последующим спеканием. Различают следующие типы спечённых магнитотвёрдых материалов: ферритовые магнитотвёрдые материалы, материалы на основе соединений типа и , магнитотвёрдые материалы на основе соединения . В настоящее время применяют различные технологии для изготовления спечённых магнитотвёрдых материалов – измельчение сплава, текстурирование в магнитном поле, спекание, кристаллизация из аморфного состояния, горячая деформация аморфного материала, HDDR-технология (гидрирование – дегидрирование – деспропорционизация – рекомбинация). Основными достоинствами спечённых магнитотвёрдых материалов являются: наличие отработанных технологий для их массового производства, существенно более высокие характеристики магнитных свойств, чем у магнитотвёрдых материалов других типов. Магнитотвёрдые материалы этой группы, имея общую керамическую технологию изготовления, существенно различаются между собой по магнитным параметрам и стоимости.
Ферритовые магнитотвёрдые материалы могут быть изотропными и анизотропными; они самые дешёвые и распространённые. Кроме низкой стоимости к их достоинствам относятся более высокие значения , чем у литых магнитотвёрдых материалов. Стронциевый феррит – практически единственный материал, величина которого не убывает, а возрастает при увеличении температуры (рис. 2).
Магнитотвёрдые материалы типа – разработаны в конце 1960-х гг. К их достоинствам относятся высокие магнитные свойства (уступают только ––), высокая температурная стабильность, позволяющая использовать их при температуре до 500 ℃, и высокая коррозионная стойкость.
Магнитотвёрдые материалы типа –– разработаны в середине 1980-х гг. Их преимущества: самые высокие значения (до 440 кДж/м3) и более низкая по сравнению с – стоимость. Эти материалы имеют сильную зависимость свойств от температуры (применяют до 180 ℃) (рис. 2), низкую коррозионную стойкость и, как правило, требуют нанесения защитных покрытий (цинк, никель и т. п.). Особенно эта проблема значима при их использовании в среде углеводородов (нефть, бензин). В стоимостном выражении доля магнитотвёрдых материалов типа –– наибольшая из всех производимых магнитотвёрдых материалов и составляет примерно 15 млрд долл. США из общего объёма рынка магнитотвёрдых материалов (23 млрд долл. США в 2020). Это связано в том числе с постоянным прогрессом в технологии и параметрах производимых магнитотвёрдых материалов. В весовом выражении производство ферритов составляет 900 тыс. т, в то время как магнитотвёрдых материалов типа –– – только 156 тыс. т из общего объёма производства всех видов магнитотвёрдых материалов (1150 тыс. т в 2020).
В таблице 2 приведены значения магнитных параметров современных магнитотвёрдых материалов типа –– и проведено их сопоставление с максимальными значениями по группам материалов ГОСТ Р 52956.
Таблица 2. Значения магнитных параметров современных магнитотвёрдых материалов марок
Марка материала магнита | , Тл | , кА/м | , кА/м | , |
N54 | 1,47–1,5 | 836 | 876 | 406–438 |
N52H | 1,43 | 995 | 1350 | 390–422 |
N50SH | 1,4 | 995 | 1592 | 374–406 |
N48UH | 1,36 | 971 | 1990 | 358–390 |
N45EH | 1,32 | 955 | 2388 | 335–366 |
N38TH | 1,22 | 876 | 2627 | 287–310 |
К композиционным магнитотвёрдым материалам относят полимерные постоянные магниты, или магнитопласты. По технологии изготовления они могут быть литыми и прессованными. В таблице 3 приведены максимально возможные параметры промышленно выпускаемых литых и прессованных магнитопластов. Видно, что магнитные параметры прессованных магнитопластов выше, чем у литых. Достоинства литых магнитопластов – большая механическая прочность, возможность изготовления из них магнитов сложной формы без дополнительной механической обработки или даже сразу готового изделия с магнитом (например, ротор электродвигателя с валом и магнитом). Как правило, магнитопласты используются для изготовления многополюсных постоянных магнитов.
Таблица 3. Магнитные параметры современных литых и прессованных магнитопластов
Магнитные параметры магнитопластов | Литые магнитопласты | Прессованные магнитопласты |
(Тл) | 0,6 | 0,77 |
(кА/м) | 350 | 490 |
(кА/м) | 700 | 1100 |
(кДж·м3) | 60 | 92 |
При выборе прессованных магнитопластов для постоянных магнитов надо учитывать не только величины магнитных параметров магнитотвёрдых материалов разных типов, но и их временну́ю стабильность и стойкость к внешним воздействующим факторам. При отсутствии воздействия внешних размагничивающих полей лучшая временна́я стабильность у литых типа ЮНДК (Миткевич. 2015).
При совокупности внешних воздействующих факторов (внешние электромагнитные поля, температура, соляной туман, влага) наилучшую стойкость имеют магнитотвёрдые материалы типа ( в российской терминологии). В большинстве магнитотвёрдых материалов параметры и убывают с ростом температуры; наиболее сильно это проявляется в материалах –– и –––– (рис. 2).
Применение магнитотвёрдых материалов
Магнитотвёрдые материалы применяются для производства постоянных магнитов, записи магнитной информации и т. д. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике. Каждый автомобиль, компьютер, мобильный телефон имеет несколько (современные автомобили – несколько десятков) устройств, в состав которых входят постоянные магниты. В настоящее время производятся синхронные электромашины на постоянных магнитах мощностью до 65 МВт. Для низкооборотных электромашин (ветряков, морских приводов и т. п.) нормальным уровнем является масса в 800–1000 кг постоянных магнитов, выполненных из редкоземельных магнитотвёрдых материалов, приходящаяся на 1 МВт мощности.