Загальні відомості

Лекція № 7

Тема: Магітотверді матеріали

Мета:Вивчити магнітотверді матеріали

Методи:словесний

План:

1 Литі висококоерцитивні сплави

2 Магнітотверді ферити

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Магнитотвердые материалы в отличие от магнитомягких имеют существенно большие коэрцитивную силу, которая расположена в пределах от 5*10³ до 5*10⁶ А/м, и площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы применяются для изготовления по­стоянных магнитов — источников постоянных магнитных полей, которые практически во многих случаях выгоднее, чем электро­магнитные.

Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор; следова­тельно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Н_d, снижающее индук­цию внутри магнита до B_d, которая меньше остаточной индукции В_г. Остаточная индукция В _г характеризует материал в том слу­чае, если магнит находится в замкнутом состоянии и предваритель­но намагничен до насыщения в сильном внешнем магнитном поле.

На рис. 3.11 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов: кривая размагничивания (1) — участок гистерезисной петли, расположенный во втором квадрате; кривая энергии магнита в зазоре (2). Удельная магнитная энергия поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита, определяется выраже­нием

W_d= B_d * H_d / 2. (3.6)

Индукция разомкнутого магнита B_d уменьшается с увеличе­нием зазора. При замкнутом магните B_d = В_г, магнитная энергия равна нулю, так как Н_d = 0, если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе материала Н_с, а В _d=0; следовательно, и в этом случае маг­нитная энергия W _d = 0. При некоторых значениях B_d и H_d энер­гия достигает максимального зна­чения

Wmах = B_{d max} * H_{d max} / 2. (3.7)

Величина Wmax является важ­нейшей при оценке качества ма­териала. Форма кривой размагни­чивания характеризуется коэффи­циентом выпуклости g = ВН_тях /(В_r H_c).

Коэффициент выпуклости при­ближается к единице с увеличе­нием прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия магнита тем больше, чем больше остаточная индукция В_r коэрци­тивная сила H_c и коэффициент выпуклости g.

Магннтотвердые материалы по составу и способу получения под­разделяют на следующие группы: 1) литые высококоэрцитивные сплавы; 2) металлокерамические материалы; 3) магнитотвердые ферриты; 4) сплавы на основе редкоземельных элементов; 5) прочие магнитотвердые материалы (мартенситные сплавы, пластически деформируемые сплавы и др.).

Литые высококоэрцитивные сплавы. Наибольшее распростра­нение получили магнитотвердые материалы на основе железоникель-алюминиевых и железоникель-кобальт-алюминиевых сплавов, ле­гированных различными добавками.

Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливается механизмом дисперсионного твердения (иногда такие сплавы назы­ваются сплавами дисперсионного твердения). Для улучшения магнитных свойств сплавы обязательно легируются, легирование медью повышает коэрцитив­ную силу и улучшает механические свойства, но приводит к Сни­жению остаточной индукции. Легирование кобальтом позволяет существенно улучшить коэрцитивную силу и повышает индукцию насыщения и коэффициент выпуклости. В качестве легирующих элементов используются также титан, кремний и ниобий. Коэрци­тивная сила Н_с сплавов достигает 50 кА/м, а магнитная энергия (ВН)мах~12 кДж/м³.

Для улучшения магнитных свойств сплавы подвергают кристал­лической текстуре, которая создается при направленной кристал­лизации сплава (особые условия охлаждения сплава), в результате возникает микроструктура в виде ориентированных столбчатых кристаллов. При этом наблюдается увеличение всех магнитных параметров. Магнитная энергия (ВН)мах повышается на 60—70 % по сравнению с обычной кристаллизацией и достигает 40 кДж/м⁸.

Магнитные свойства ряда сплавов приведены в табл. 3.6. Марки сплавов обозначаются буквами: Б — ниобий, Д — медь, К — кобальт, Н — никель, Т — титан, Ю — алюминий, А — столбчатая структура. Цифры указывают процентное содержание элемента.

Изделия из сплавов получают в основном методом литья. Не­достатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твер­дость, поэтому обработка их на металлорежущих станках затрудне­на. Механической обработке в виде грубой обдирки резанием с при­менением твердосплавных резцов поддаются сплавы, не содержащие кобальта: Детали из всех сплавов можно шлифовать на плоскошли­фовальных или круглощлнфовальных станках в два приема: грубая шлифовка — до термической обработки, чистовая — после терми­ческой обработки. Для грубой обработки применяют также электро­искровой метод обработки.

Металлокерамические и металлопластические магниты. Они со­здаются методами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать процесс производства, получать изделия по стро­го выдержанным размерам.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодисперсионных порошков сплавов ЮНДК, а также сплавов Си—Ni—Со, Си—Ni—Fe путем прессования и дальнейшего спека­ния при высоких температурах. Такой способ выгодно применять для производства мелких деталей или магнитов сложной конфигу­рации.

Так как металлокерамические магниты содержат поры, то их магнитные свойства уступают литым материалам. Как правило, пористость (3—5 %) уменьшает остаточную индукцию В_rи магнит­ную энергию Wmax (на 10—20 %) и практически не влияет на коэр­цитивную силу Н_с. Механические свойства их выше, чем литых маг­нитов. Металлопластические магнитыизготовлять проще, чем ме­таллокерамические, но свойства их хуже. Металлопластические магниты получают из порошка сплавов ЮНД или ЮНДК, сме­шанного с порошком диэлектрика (например, фенолоформальдегид-ной смолой). Процесс изготовления магнитов подобен процессу прессования пластмасс и заключается в прессовании под давле­нием 500 МПа, нагреве заготовок до 120—180 °С для полимериза­ции диэлектрика.

Механические свойства металлопластических магнитов лучше, чем у литых, но магнитные свойства хуже, так как они содержат до 30 % по объему неферромагнитного связующего диэлектрического материала: В_r меньше на 35—50%, Wmax — на 40—60%.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение полу­чили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронцие­вого) феррита BaFe₁₂O_l9 (BaO*6Fe₂О₃) и кобальтового феррита CoFe₂O₄ (CoO*Fe₂O₃). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый феррит— структуру природного минерала магнетоплюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая наряду с мел­козернистой структурой приводит к повышенным значениям ко­эрцитивной силы до 350 кА/м. Промышленность выпускает барие­вые магниты двух типов: изотропные (маркировка БИ)и анизотроп­ные (БА). Технология производства магнитов БИ не отличается от технологии магнитомягких ферритов.

Основные параметры магнитов из бариевых и кобаль­товых ферритов приведены в табл. 3.7.

Бариевые магниты обладают высокой стабильностью при воздей­ствии магнитных полей, вибрации и ударного воздействия, их мож­но использовать в магнитных цепях, работающих в высокочастот­ных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 10⁶—109 Ом*м). Бариевые магниты не содержат дефицитных мате­риалов и примерно в 10 раз дешевле магнитов из ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов нужно отнести низкую оста­точную индукцию, высокую хрупкость и твердость, а также зна­чительную зависимость магнитных свойств от температуры. Кобаль­товые ферриты более температуростабильны.

Література:

1 Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 2 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 3 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 4 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983