Магнитотвёрдые материалы

Основными техническими параметрами магнитотвёрдых материалов, характеризующими их свойства, являются ${\displaystyle H_{\text{сВ}}}$ (или нормальная коэрцитивность), коэрцитивная сила по намагниченности ${\displaystyle H_{\text{сM}}}$ (или внутренняя коэрцитивность), остаточная индукция ${\displaystyle B_{\text{r}}}$, остаточная намагниченность ${\displaystyle M_{\text{r}}}$, максимальное энергетическое произведение ${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$, область рабочих температур, температура Кюри ${\displaystyle T_{\text{C}}}$, а также температурные коэффициенты ${\displaystyle \alpha }$ обратимых изменений величин ${\displaystyle B_{\text{r}}}$, ${\displaystyle H_{\text{сВ}}}$, ${\displaystyle H_{\text{сM}}}$ и т. д.

Магнитотвёрдые материалы – материалы с большими величинами ${\displaystyle H_{\text{сВ}}}$, ${\displaystyle H_{\text{сM}}}$ и ${\displaystyle M_{\text{r}}}$. Параметры ${\displaystyle H_{\text{сВ}}}$, ${\displaystyle H_{\text{сM}}}$, ${\displaystyle B_{\text{r}}}$, ${\displaystyle M_{\text{r}}}$ и ${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$ определяют из кривых размагничивания магнитотвёрдых материалов ${\displaystyle M(H)}$ и ${\displaystyle B(H)}$ (рис. 1). Зависимость намагниченности от напряжённости магнитного поля ${\displaystyle M(H)}$, как правило, используют в физике, а зависимость индукции магнитного поля от напряжённости ${\displaystyle B(H)}$ – в технике. Петля магнитного гистерезиса ${\displaystyle B(H)}$ является геометрической суммой петли ${\displaystyle \mu _{0}M(H)}$ и ${\displaystyle \mu _{0}H}$ (с учётом знака поля) в соответствии с формулой ${\displaystyle B(H)=\mu _{0}(M(H)+H)=\mu _{0}\mu H}$, где ${\displaystyle \mu _{0}=4\pi \cdot 10^{-7}}$ Гн·м^–1 – магнитная постоянная. Величину ${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$ определяют из зависимости ${\displaystyle B(H)}$ как максимальное произведение ${\displaystyle BH}$ при изменении ${\displaystyle H}$ и устанавливают наиболее энергетически выгодные условия эксплуатации изделий из магнитотвёрдых материалов c индукцией ${\displaystyle B_{\text{d}}}$ в поле ${\displaystyle H_{\text{d}}}$ (рис. 1).

В таблице 1 представлены основные параметры некоторых магнитотвёрдых материалов. Природа высоких значений коэрцитивной силы ${\displaystyle H_{\text{c}}}$ в них определяется одним из трёх основных механизмов задержки процессов перемагничивания в магнетиках: необратимым вращением вектора их спонтанной намагниченности ${\displaystyle M_{\text{s}}}$; задержкой образования и/или роста зародышей перемагничивания (зародышей магнитной фазы с иным направлением вектора спонтанной намагниченности ${\displaystyle M_{\text{s}}}$); 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, % по массе	${\displaystyle B_{\text{r}}}$, Тл	${\displaystyle H_{\text{сВ}}}$, кА/м	${\displaystyle H_{\text{сM}}}$, кА/м	${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$, кДж/м3	${\displaystyle \alpha (H_{\text{сВ}})}$, %/℃	${\displaystyle T_{\text{C}}}$, ℃	Плотность, г/см3
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.

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 ${\displaystyle {\text{SmCo}}_{5}}$ и ${\displaystyle {\text{Sm}}_{2}{\text{Co}}_{17}}$, магнитотвёрдые материалы на основе соединения ${\displaystyle {\text{Nd}}_{2}{\text{Fe}}_{14}{\text{B}}}$. 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 ${\displaystyle H_{\text{с}}}$, чем у литых магнитотвёрдых материалов. Стронциевый феррит ${\displaystyle {\text{SrFe}}_{12}{\text{O}}_{19}}$ – практически единственный материал, величина ${\displaystyle H_{\text{сM}}}$ которого не убывает, а возрастает при увеличении температуры (рис. 2).

Магнитотвёрдые материалы типа ${\displaystyle {\text{Sm}}}$–${\displaystyle {\text{Cо}}}$ разработаны в конце 1960-х гг. К их достоинствам относятся высокие магнитные свойства (уступают только ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$), высокая температурная стабильность, позволяющая использовать их при температуре до 500 ℃, и высокая коррозионная стойкость.

Магнитотвёрдые материалы типа ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$ разработаны в середине 1980-х гг. Их преимущества: самые высокие значения ${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$ (до 440 кДж/м³ ) и более низкая по сравнению с ${\displaystyle {\text{Sm}}}$–${\displaystyle {\text{Cо}}}$ 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 ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$ 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 ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$ – 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 ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$ и проведено их сопоставление с максимальными значениями по группам материалов ГОСТ Р 52956.

Таблица 2. Значения магнитных параметров современных магнитотвёрдых материалов марок ${\displaystyle {\text{Nd}}_{2}{\text{Fe}}_{14}{\text{B}}}$

Марка материала магнита	${\displaystyle B_{\text{r}}}$, Тл	${\displaystyle H_{\text{cВ}}}$, кА/м	${\displaystyle H_{\text{cМ}}}$, кА/м	${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$, кДж/м3
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
${\displaystyle B_{\text{r}}}$ (Тл)	0,6	0,77
${\displaystyle H_{\text{сВ}}}$ (кА/м)	350	490
${\displaystyle H_{\text{сM}}}$ (кА/м)	700	1100
${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$ (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^[1]).

При совокупности внешних воздействующих факторов (внешние электромагнитные поля, температура, соляной туман, влага) наилучшую стойкость имеют магнитотвёрдые материалы типа ${\displaystyle {\text{Sm}}_{2}{\text{Co}}_{17}}$ (${\displaystyle {\text{КС25}}}$ в российской терминологии). В большинстве магнитотвёрдых материалов параметры ${\displaystyle (BH)_{\text{макс}}}$ и ${\displaystyle H_{\text{сM}}}$ убывают с ростом температуры; наиболее сильно это проявляется в материалах ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$ и ${\displaystyle {\text{Nd}}}$–${\displaystyle {\text{Dy}}}$–${\displaystyle {\text{Fe}}}$–${\displaystyle {\text{Co}}}$–${\displaystyle {\text{B}}}$ (рис. 2).

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.