какие сплавы называют магнитными

Магнитные стали и сплавы, характеристика и виды

Главными характеристиками магнитных сталей и сплавов являются: коэрцитивная сила и остаточная индукция.

В зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости магнитные сплавы разделяют на:

— магнитотвердые сплавы (имеют большую коэрцитивную силу и малую магнитную проницаемость;

— магнитномягкие сплавы (обладают малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью.

Давайте рассмотрим поподробней эти два типа магнитных сплавов.

Магнитномягкие стали и сплавы.

Как уже было сказано выше в данную категорию относятся стали и сплавы с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью. К данному виду сплавов относятся: техническое железно, электротехническая сталь, а так же другие специальные сплавы).

Что касается технического железа (низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая сталь) то здесь содержание углерода находится на уровне ниже 0,04%, а магнитная проницаемость достигает больших величин 3500-4000 гс/э, коэрцитивная сила всего 1,2-0,8 э. Техническое железо применяется в качестве полюсных наконечников электромагнитов, для сердечников и другого.

Электротехническая сталь имеет в своём составе большое количество кремния, который растворён в феррите, именно благодаря нему увеличивается магнитная проницаемость (6000-8000 гс/э), а так же снижает коэрцитивную силу до 0,6-0,4 э.

Магнитотвердые стали и сплавы.

Данная категория магнитных сталей и сплавов применяются для производства постоянных магнитов, и имеют большую и устойчивую коэрцитивную силу. К таким сталям относятся высокоуглеродистые, легированные стали, а также специальные стали.

Так углеродистые стали, У10-У12, после проведения закалки обладают достаточно высокой коэрцитивной силой (60-65 э.), так как их прокаливание осуществляется на небольшую глубину, из них изготавливают магниты небольшого сечения 4-7 миллиметров.

Что касается хромистых сталей, которые прокаливаются значительно глубже, нежели углеродистые, то их используют для изготовления магнитов с большим сечением, нежели предыдущие.

Хромистые, как и углеродистые стали обладают высокими магнитными свойствами, что касается хромокобальтовых сталей то их магнитные свойства находятся ещё на боле высоком уровне.

Если говорить о специальных магнитных сплавах то их магнитные свойства ещё выше, что позволяет мощные магниты, имеющие небольшие размеры, при этом магнитные сплавы обладают высокой твёрдостью, но при этом достаточно хрупкие.

Для изготовления магнитов данных сплавов используют спекание из порошка или же литьё.

Источник

Стали и сплавы с магнитными и электрическими свойствами

Стали и сплавы с магнитными свойствами. Магнитные стали и сплавы делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н_с и остаточной индукции В_r. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей УЮ-У12.

Коэрцитивная сила углеродистых сталей резко возрастает после закалки на мартенсит вследствие появления больших напряжений.

У стали У12 после закалки в воде Н_с = 4800 А/м, В_r = 0,8 Тл. Однако низкая прокаливаемость, малая стабильность остаточной ин­дукции привели к вытеснению углеродистых сталей легированными.

Легирование металла вызывает повышение магнитной твердо­сти (т.е. коэрцитивной силы). Коэрцитивная сила возрастает при образовании в твердом растворе второй фазы, с повышением дис­кретности второй фазы, при возникновении напряжений в крис­таллической решетке, при из­мельчении зерна.

В настоящее время для из­готовления постоянных маг­нитов широко используют стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими эле­ментами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Буквой Е обозначает­ся магнитная сталь.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, за­калки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100°С в течение 10-24 ч).

Высокое содержание углерода и легирующих элементов в этих сталях придает им повышенную твердость, поэтому перед холодной механической обработкой их подвергают смягчающему отжигу при 700—850 °С. При отжиге происходит образование карбидов, что ухуд­шает магнитные свойства («магнитная порча»). Поэтому перед за­калкой для устранения «магнитной порчи» проводят нормализацию, при которой происходит растворение крупных карбидных фаз.

Во избежание «магнитной порчи» при закалке нагрев должен быть кратковременным (не более 15 мин). Охлаждение можно про­водить в воде или в масле, но обычно охлаждают в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя при этом не­сколько снижаются магнитные свойства.

Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как ус­траняет немагнитный (парамагнитный) аустенит.

Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечива­ет стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Высокие магнитные свойства имеют железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнит (8% А1, 24% Со, 14% Ni, 3% Си, остальное железо).

Магниты из этого сплава получают литьем, так как сплав не под­дается деформации и обработке резанием. Сплав подвергают закалке в магнитном поле. Сущность закалки в следующем. Нагретый до 1300°С сплав помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до температуры ниже 500°С, дальнейшее ох­лаждение проводят на воздухе. После такой обработки сплав облада­ет анизотропией магнитных свойств.

Магнитные свойства достигают высокого уровня в том направ­лении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закал­ке. Затем сплав подвергают отпуску при 600 °С. Магнитные свой­ства: Я = 40 000 А/м, В_г = 1,2 Тл.

Последнее время находят применение сплавы на основе кобаль­та (52% Со, 14% V, остальное железо). Сплав поставляется в виде лент, полос и т.д.

Магнитомягкие сплавы и стали имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Их применя­ют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работаю­щих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы дол­жны иметь однородную (гомогенную) структуру, крупное зерно.

Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницае­мость и повышает коэрцитивную силу. Поэтому магнитомягкие сплавы для снятия напряжений и искажений структуры подверга­ют рекристаллизационному отжигу.

Широкое применение получило чистое железо, в котором со­держание углерода и всех примесей строго ограничено. Железо при­меняют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др.

Широкое применение в промышленности нашла электротех­ническая сталь — сплав железа с кремнием (0,05—0,005% С, 1,0— 1,8% Si). Легирование кремнием повышает электросопротивление стали и тем самым уменьшает потери на вихревые токи, повыша­ет магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и по­тери на гистерезис, способствует росту зерна, улучшает магнит­ные свойства за счет графитизирующего действия.

Электротехническую сталь для снятия наклепа после прокатки и для укрупнения зерна подвергают отжигу при 1100-1200 °С в атмосфере водорода.

При рубке листов, резке, штамповке, гибке магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств электротехни­ческой стали рекомендуется отжиг при 750—800 °С в течение 2 ч с медленным (- 50 град/ч) охлаждением до 400 °С. При этом необхо­димо исключить окисление и науглероживание стали.

Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщи­ной от 1 до 0,05 мм.

Железоникелевые сплавы (от 40 до 80% Ni) — пермаллои — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для прибо­ров, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Маг­нитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обра­ботки.

Для улучшения магнитных свойств после механической обра­ботки пермаллои подвергают отжигу при 1100—1200 «С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняют­ся остаточные напряжения и удаляются примеси углерода.

Охлаждение в магнитном поле также ведет к повышению маг­нитных свойств.

Немагнитные стали. В электромашиностроении и приборост­роении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Рань­ше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает ме­ханические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в элек­троаппаратуре.

Применение марганцовистой аустенитной износоустойчивой стали (11ОГ13Л) в качестве немагнитной ограничивается ее пло­хой обрабатываемостью резанием, что обусловлено высокой склон­ностью ее к наклепу, а также нестабильностью прочностных свойств.

Кроме того, применяются более дешевые стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен мар­ганцем.

Стали и сплавы с электрическими свойствами. Элементы электросопротивления должны иметь низкую электропроводность или вы­сокое электросопротивление. Так как образование твердых раство­ров при легировании сопровождается повышением электросопро­тивления, то все сплавы высокого сопротивления, как правило, представляют собой твердые растворы.

Различают сплавы реостатные (для изготовления реостатов) и окалиностойкие сплавы высокого электросопротивления (для нагре­вательных элементов печей и электроприборов).

Сплавы высокого электросопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь большое удельное электросопротивление;

иметь малый температурный коэффициент электросопротивле­ния (т.е. электросопротивление должно мало изменяться при изме­нении температуры);

обладать высокой окалиностойкостью, т.е. способностью проти­востоять образованию окалины при высоких температурах.

В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли спла­вы меди с никелем — константан и никелин. Константан содер­жит 40% Ni, 1—2% Мn, остальное медь; никелин — 45% Ni, ос­тальное медь.

В качестве сплавов высокого электросопротивления применяют сплавы Ni — Сг (нихромы), Fe — Ni — Cr (ферронихромы) и Fe — Cr — А1 (фехраль) и др.

На свойства сплавов высокого электросопротивления вредное влияние оказывают такие примеси, как углерод, сера, фосфор и т.д. Примеси способствуют окислению границ зерен и тем самым уменьшают окаливаемость и повышают хрупкость.

В приборостроении часто требуются сплавы с определенным ко­эффициентом линейного расширения, например таким же, как у стекла, равным нулю. Для удовлетворения этих требований в каж­дом конкретном случае изготавливают сплавы строго определен­ного состава.

Износостойкие стали. Износ деталей в процессе эксплуатации может быть вызван двумя причинами: трением деталей друг о друга и царапанием твердых частиц о поверхность деталей (абразивный износ).

При обычном трении поверхность металла наклёпывается и со­противление износу возрастает. Следовательно, износостойкость определяется способностью металла к наклепу.

В случае абразивного износа, когда твердые частицы, абразивы, вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа определяется сопротивлением металла отрыву и твердостью.

Высокая износостойкость стали 110Г13Л при трении с давлени­ем и ударами объясняется повышенной способностью к наклепу.

Если при эксплуатации наблюдается только абразивный износ без значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то сталь не обнаруживает повышенной износостойкости.

Источник

Магнитные материалы

Магнитные материалы широко используются в электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении. К магнитным материалам относят:

Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы должны иметь высокую начальную и максимальную магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. Кроме этого, они должны обладать незначительными потерями при перемагничивании на вихревые токи, обладать малой площадью петли гистерезиса и сравнительно высоким электрическим сопротивлением.

Изготовление магнитно-мягких изделий литьём трудоёмко и связано с большими потерями материала. Себестоимость магнитно-мягких спеченных деталей гораздо ниже себестоимость тех же деталей, изготовленных путём обработки на металлорежущих станках из компактного материала. При этом в ряде случаев требования промышленности настолько высоки, что выполнение их на базе существующей технологии изготовления магнитно-мягких материалов невозможно.
Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и другими. Порошок железа, применяемый как основа магнитно-мягких материалов, должен содержать углерода не более 0,07%. Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов

При изготовлении магнитно-мягких материалов из железного порошка необходимое количество его смешивают с определенной дозой стеротекса (цинковая соль стеариновой кислоты) для улучшения прессуемости порошка. Затем проводят прессование и спекание в атмосфере водорода. Охлаждение после спекания осуществляют в холодильнике печи также в атмосфере водорода. После спекания изделия подвергают допрессовке, после которой проводят повторное спекание в водороде (отжиг).

В результате такой обработки получают изделия, имеющие характеристики:

Чистое железо имеет низкое электросопротивление. Поэтому для изделий из него характерны большие потери на вихревые токи. Для снижения этих потерь применяют сплавы железа с кремнием, кремнием и алюминием или другими легирующими добавками. Лучшие свойства достигаются при содержании кремния 4–6 %. Сплавы с большим содержании кремния имеют высокую твердость, повышенную хрупкость и плохую обрабатываемость.

В настоящее время разработан электролитический метод получения порошковых магнитно-мягких сплавов типа тройного пермаллоя (Ni–Fe–Mo) и четверных супермаллоев ( Ni–Fe–Mo–Mn и Ni–Fe–Mo–Cu) с высокими магнитными свойствами. Из-за высокой твердости частиц такие порошки плохо прессуются. Для улучшения прессуемости в состав вводят определенное количество пластмассы, которая при спекании в водороде полностью удаляется и не влияет на магнитные свойства.
В ряде случаев для улучшения свойств магнитно-мягких материалов проводят термомагнитную обработку, которая заключается в нагреве магнитных изделий до температуры порядка 710 °С с выдержкой при этой температуре и последующем охлаждением в магнитном поле. Магнитная проницаемость после такой обработки повышается.

Магнитно–твердые материалы

Магнитно–твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов, обладающих высокими значениями коэрцитивной силы и большой остаточной магнитной индукцией.

За последние годы появились новые виды магнитно-твердых материалов, которые могут быть получены только из порошков. К ним можно отнести магниты на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами, магниты на основе ферритов, на основе высокодисперсных порошков железа и его сплавов с кобальтом, магниты на основе сплавов марганца с висмутом и алюминием.

Постоянные магниты характеризуются высокими магнитными свойствами, получаемыми в результате образования гетерогенной структуры, которая достигается в процессе спекания или последующей термической обработки.

В качестве исходных материалов для производства постоянных магнитов используют чистые порошки железа, никеля, кобальта и меди. Обычно это порошки, полученные электролизом или карбонильным методом. Алюминий вводят в виде порошка железоалюминиевой или никельалюминиевой лигатуры,
который получают размолом литого сплава или распылением расплава. Использование лигатур дает возможность снизить температуру спекания за счет образования жидкой фазы. При производстве постоянных магнитов в качестве исходных материалов могут использоваться и порошки сплавов металлов. При использовании порошков сплавов уровень достигаемых магнитных свойств бывает выше. Широкое распространение получили сплавы на основе железа типа Fe –Ni –Al –Co с добавками различных элементов.

При получении магнитов исходные порошки смешивают и из смеси прессуют заготовки. Для улучшения прессуемости в смесь вводят в качестве смазки незначительное количество стеротекса. Прессовки спекают в атмосфере очищенного от кислорода и азота водорода. Температуру спекания выбирают в зависимости от состава, формы и размера спекаемых заготовок. Обычно она составляет 1280–1350 °С. Структура спеченного материала зависит от скорости охлаждения и последующей термической обработки, которую проводят по режимам обычным для литых магнитов из сплавов аналогичного состава. Магниты типа альни ( Fe –Ni –Al –Cu) подвергают закалке на воздухе, типа альнико (Fe –Ni –Al –Co –Cu) – закалке на воздухе и отпуску, типа магнико ( Fe –Ni –Al –Co –Cu ) – закалке на воздухе с одновременным наложением магнитного поля и отпуску. Для сплавов альни и магнико термическая обработка после спекания обязательна. Свойства порошковых магнитно–твердых материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Свойства порошковых магнитотвердых материалов

При легировании сплавов альни кобальтом повышается остаточная индукция и коэрцитивная сила. Сплавы в зависимости от содержания кобальта получили название альнико или магнико. В силовых магнико содержание никеля и алюминия уменьшено, а содержание кобальта увеличено до 20 –25%. В этих сплавах за счет термомагнитной обработки, сущность которой состоит в том, что магнит, нагретый до температуры около 1300 °С, охлаждают в магнитном поле с определенной напряженностью, достигается коэрцитивная сила величиной 40 – 48 кА/м при магнитной индукции 1,2 –1,5 Тл.

Большой интерес представляют магнитнотвердые материалы, полученные из мелкодисперсных порошков, имеющих размер частиц 0,05 –0,50 мкм. Порошки железа или смесь порошков железа и кобальта прессуют, прессовки пропитывают раствором бакелитовой смолы и нагревают для полимеризации.

В тонкодисперсном железном порошке содержатся оксиды, которые способствуют значительному повышению коэрцитивной силы.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой металлопластические магнитные материалы, состоящие из многокомпонентных композиций на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами.

Они характеризуются постоянством магнитной проницаемости, большим удельным электросопротивлением, низкими потерями на вихревые токи и на гистерезис и широко используются в электро – и радиотехнике.

В качестве исходных магнитных материалов применяются карбонильные или электролитическое железо, пермаллой, железокремнийалюминиевые (альсифер) и железоникелькобальтовые сплавы и другие ферромагнетики. В качестве диэлектриков, изолирующих ферромагнитные частицы порошков, используют различные искусственные смолы типа бакелита стирола, аминопласта. А также силиконы, пластмассы, силикаты, жидкое стекло и другие материалы, хорошо покрывающие частицы ферромагнетика и образующие сплошную изолирующую пленку.

Смешивание ферромагнетика со связующим в виде твердого порошка осуществляют в обычных смесителях, а с жидким –в подогреваемых реакторах при непрерывном перемешивании до осаждения изоляционной пленки на частицах сплава. Иногда с целью повышения механической прочности проводят многослойную изоляцию, нанося на частицы ферромагнетика несколько слоев диэлектрика.

Некоторые свойства магнитодиэлектриков приведены в таблице 3.

Параметрами, характеризующими структуру магнитодиэлектрика, являются коэффициент объемного заполнения ферромагнитной фазой, общая поверхность частиц ферромагнетика, средняя толщина прослоек между частицами или толщина диэлектрической пластинки и объемная концентрация диэлектрической фазы.

Ферриты

Ферриты представляют собой класс магнитных материалов, состоящих из оксидов железа (Fe2O3) и других металлов (NiO, MgO, ZnO, MnO, CuO, BaO и др.). Состав ферритов можно записать формулой

Me –двухвалентный металл.

Компоненты, входящие в ферриты, образуют между собой обширные области твердых растворов, в которых присутствуют магнитные материалы с очень широким диапазоном свойств. Эти материалы могут быть магнитно-твердыми и магнитно-мягкими.

Процесс производства ферритов

Процесс производства ферритов представляет собой сложный комплекс технологических операций, так как электромагнитные свойства ферритов изменяются при незначительных отклонениях от состава шихты, зернистости порошков, удельного давления при прессовании, температуры и времени спекания.

Процесс производства ферритов состоит из следующих этапов:

В зависимости от состава ферритов их спекание проводят при температурах от 900 до 1400 °С в воздушной среде. Однако в некоторых случаях применяют инертную среду. После обжига изделия проверяют на отсутствие трещин, сколов, сохранение конфигурации и размеров, а также на электромагнитные параметры.

Магнитные свойства ферритов зависят от химического состава, условий спекания и режима последующего охлаждения. В зависимости от этих условий ферриты могут иметь начальную магнитную проницаемость от единицы до 4000. Индукция насыщения ферритов бывает не высокой. Так при полях в 8–12 кА/м индукция насыщения составляет не более 0,4 Тл. Ферриты трудно намагничиваются, и полное магнитное насыщение у них наступает при очень сильных полях.

Ферриты применяют для изготовления деталей радиоприемников, телевизоров, запоминающих и вычислительных устройств, систем магнитной записи и в качестве конструкционного материала для построения элементов связи.

Новыми перспективными магнитными материалами являются постоянные магниты на основе редкоземельных металлов, и аморфные магнитные материалы. Магниты на основе редкоземельных металлов представляют собой соединения редкоземельных элементов с кобальтом типа:

Они имеют высокую магнитную энергию ( 250 – 290 мДж/м 3 ) и применяются в микроволновых устройствах, авиационной, космической и других отраслях техники.

Аморфные магнитные материалы имеют состав, который можно описать формулой:

Аморфные материалы не имеют границ зерен, и величина коэрцитивной силы в них исчезающе мала ( порядка 0,5 А/м). Они используются для изготовления магнитных экранов, головок магнитнозаписывающих устройств, сердечников реле и других изделий.

Источник