Магнитотвердые материалы

К магнитотвердым материалам относится магнитные материа­лы с широкой гистерезисной петлей и большой коэрцитивной си­лой Н_с (рис. 6.3, г).

Основными характеристиками магнитотвердых материалов яв­ляются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_с, максималь­ная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее простран­ство .

Магнитная проницаемость магнитотвердых материалов зна­чительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т. е. чем выше его коэрцитивная силаН_с, тем меньше его магнитная проницаемость.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индук­ции В_r, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции для данного материала В_mах, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции (К^-1)

, (7)

где и- значения остаточной индукции материала при температурах Т₁ и Т₂ соответственно.

Максимальная удельная магнитная энергия является важней­шим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов. Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м²:

(8).

Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практичес­ки не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и маг­нитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования маг­нитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопрово­де создают воздушный зазор определенных размеров и конфигура­ции, магнитное поле в котором используют для технических целей.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старе­ние может быть обратимым и необратимым.

В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции В_r на 1...3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Если со временем в постоянном магните произошли структур­ные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необра­тимого старения.

По назначению магнитотвердые материалы подразделяют на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хра­нения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на налитые, порошковые и прочие.

Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют ос­новой сплавы железо-никель-алюминий (Fe-Ni-Al) и железо-ни­кель-кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к преци­зионным, так как их качество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.

Магнитотвердые литые материалы получают в результате дис­персионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуры начала рас­пада. В процессе твердения происходит высокотемпературный рас­пад твердого раствора на -фазу и-фазу.-фаза близка по соста­ву к чистому железу, которое обладает сильно выраженными маг­нитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины.-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель-алюминийNi-Al, обладающему низкими маг­нитными свойствами.

В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы с однодоменными сильномагнитными включениями фазы, ко­торая обладает большой коэрцитивной силойН_с. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибо­лее распространенными являются сплавы железо-никель-алюми­ний, легированные медью Сu и кобальтом Со.

Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, кото­рые соответствуют этим металлам, например, сплав системы желе­зо-никель-алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.

Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.

Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитны­ми свойствами и магнитной изотропностью.

Высококобальтовые сплавы представляют собой спла­вы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, со­держащие кобальта более 15%.

Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлажде­ния сплава в магнитном поле с напряженностью 160...280 кА/м от высоких температур 1250...1300°С до температуры приблизитель­но 500 °С. Полученный сплав приобретает улучшенные магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропным.

Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обра­ботка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20%, а для сплавов, содержащих 20...25% кобальта, - на 80% и более.

Термомагнитная обработка повышает температуру начала дис­персного распада с 950 °С в сплаве без кобальта до 800 °С в сплаве, содержащем 24% кобальта.

В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850 °С.

Кристаллическую текстуру получают в процессе особых усло­вий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с осо­бой макроструктурой в виде столбчатых кристаллов, ориентиро­ванных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов. Магнитная энергия повышается на 60...70%. Увеличиваются коэрцитивная сила Н_с, остаточная маг­нитная индукция В_r и коэффициент выпуклости кривой размагни­чивания материала:

(9)

Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных магнитных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.

Недостатками высококобальтовых материалов являются высо­кая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механи­ческую обработку.

Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготов­ления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свой­ствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.

Получают металлокерамические магниты в результате прессо­вания металлических порошков без связующего материала и спека­ния их при высоких температурах. Для порошков используют спла­вы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных ме­таллов.

Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обла­дают магнитными свойствами по параметрам В_r и на 10...20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спе­ченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3...6 раз превосходят литые.

Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы, которые в 1,5...2 раза выше Н_с бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной удельной магнитной энергии сравнимы со сплавом ЮНДК24.

Металлопластические магниты имеют пониженные маг­нитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотно­стью, меньшей стоимостью.

Получают металлопластичные магниты, как и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, не­обходимых для полимеризации связующего вещества.

Оксидными магнитами являются магниты на основе ферри­тов бария BO6Fe₂O₃ и кобальта CoOFe₂O₃

Бариевые магниты обладают следующими свойствами:

значения остаточной магнитной индукции в 2...4 раза мень­ше, чем у литых магнитов;

большая коэрцитивная сила, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;

плотность примерно в 1,5 раз меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;

удельное электрическое сопротивление в мил­лионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, по­этому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся дей­ствию высокочастотных полей;

не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по сто­имости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплавов ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов относят:

плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);

большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКB_r в 10 раз больше, чем ТКB_r литых магнитов);

эффект необратимой потери магнитных свойств после охлажде­ния магнита до температуры -60°С и ниже (после охлаждения и пос­ледующего нагревания до первоначальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

В отличие от технологии изготовления магнитомягких ферри­тов после второго сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнит­ном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравне­нию с намагничивающим током направление.

Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применя­ют также сухое прессование.

Промышленность выпускает бариевые изотропные БИ и барие­вые анизотропные БА магниты.

Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами: более высокая стабильность параметров, чем у бариевых; температурный гистерезис, т. е. зависимость магнитных свойств от температуры, который проявляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до темпе­ратуры выше 80 °С;

из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их часто крепят с помощью клея; высокая стоимость.

Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнит­ной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300...350°С в течение 1,5 ч и охлаждении в магнит­ном поле в течение 2 ч.

Магниты из микропорошков Mn-Bi получают прессова­нием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцевовисмутовый сплав (23% Мп; 77% Bi) подвергают механи­ческому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5...8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отде­ляют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц мар­ганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферро­магнитной фазы при температуре примерно 300 °С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одина­ковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют маг­нитные свойства только до температуры не ниже 20 °С (при пони­жении температуры свойства быстро ухудшаются и для их восста­новления необходимо повторное намагничивание), что существен­но ограничивает их применение.

Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов полу­чения частиц нужного размера (0,01...0,1). Из полученного порош­ка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозионную стойкость железосодержащих магнитов.

Прочие магнитотвердые материалы. К этой группе относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пласти­чески деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.

Пластически деформируемые сплавы обладают хорошими пластическими свойствами; хорошо поддаются всем ви­дам механической обработки (хорошо штампуются, режутся нож­ницами, обрабатываются на всех металлорежущих станках); име­ют высокую стоимость.

Кунифе - медь-никель-железо (Cu-Ni-Fe) обладают анизот­ропностью (намагничиваются в направлении прокатки).

Применяются в виде проволоки с малым диаметром и штамповок.

Викаллой - кобальт-ванадий (Co-V) получают в виде высоко­прочной магнитной ленты и проволоки. Из него изготавливают также очень мелкие магниты сложной конфигурации.

Эластичные магниты представляют собой магниты на резиновой основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего используют феррит бария. Они позволяют получать изделия любой формы, которую допускает технология изготовления деталей из ре­зины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами, штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость.

«Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной памяти для ЭВМ, для отклоняющих систем в телевидении, коррек­тирующих систем.

Магнитные носители информации при перемеще­нии создают в устройстве считывания информации переменное маг­нитное поле, которое изменяется во времени так же, как записыва­емый сигнал.

Магнитные материалы для носителей информации должны от­вечать следующим требованиям:

высокая остаточная магнитная индукция В_r для повышения уров­ня считываемого сигнала;

для уменьшения эффекта саморазмагничивания, приводящего к потере записанной информации, значение коэрцитивной силы Н_с должно быть как можно более высоким;

для облегчения процесса стирания записи желательна малая ве­личина коэрцитивной силы Н_с, что противоречит предыдущему требованию;

большие значения коэффициента выпуклости , что удовлетворяет сочетанию требований высокой остаточной магнитной индукцииB_r и минимальной чувствительности к самораз­магничиванию;

высокая температурная и временная стабильность магнитных свойств.

Материалы для магнитных носителей информации представ­ляют собой металлические ленты и проволоку из магнитотвердых материалов, сплошные металлические, биметаллические или пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносят­ся на ленты, металлические диски и барабаны, магнитную рези­ну и др.

Свойства лент, дисков и барабанов с покрытием магнитными порошками зависят:

от свойств исходных материалов (остаточная намагниченность порошка должна быть возможно более высокой);

степени измельчения частиц (размеры частиц колеблются от до­лей микрометра до единиц микрометров);

объемной плотности магнитного материала в рабочем слое; ориентации частиц с анизотропией формы; толщины рабочего слоя порошка (он должен быть максимально тонким);

свойств металлической ленты (она должна быть гладкой и гиб­кой для обеспечения максимального магнитного контакта между магнитными материалами ленты и устройствами считывания).

Несмотря на то, что ленты на пластмассовой основе обеспечи­вают меньший сигнал по сравнению с лентами на металлической основе, они находят наиболее широкое распространение. В каче­стве основы для таких лент используют ацетилцеллюлозную или лавсановую ленту толщиной 20...50 мкм, которую изготавливают гибкой и гладкой, так как шероховатость может быть причиной шумов при записи и воспроизведении сигнала.

В качестве магнитных порошков используют оксиды железа Fe₂O₃ и Fe₃O₄, магнитотвердые ферриты, железоникельалюминиевые спла­вы, которые являются доступными и дешевыми материалами.

Жидкие магниты представляют собой жидкость, напол­ненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жид­кие магниты на кремнийорганической основе не расслаиваются под действием даже сильных магнитных полей, сохраняют работоспо­собность в диапазоне температур от -70 до + 150°С.