92 ел. 27.01.21 електроматеріалознавство № 17

 

Урок № 17.    27. 01 2021    92 ел.

Тема програми.  Магнітні матеріали.

Тема уроку. Магнітотверді сплави.

 

1. Основні властивості магнітних матеріалів.

 

Магні́тні матеріа́ли — речовини, що істотно змінюють значення магнітного поля, у якому вони знаходяться, і застосування яких у техніці обумовлене їхніми магнітними властивостями.

Серед поширених елементів високими феромагнітним властивостями характеризуються залізо, кобальт і нікель,серед рідкісноземельних  диспрозій, тербій, гадоліній, гольмій. Магнітні матеріали переважно є сплавами (феромагнетики), хоча існують й кераміки (ферити), які не проводять електричний струм. До складу майже всіх магнітних сплавів входять залізо, кобальт і нікель. Існують також сплави з немагнітних елементів, які мають невеликі феромагнітні властивості, — так звані сплави Гейслера.

Ще в старовину був відомий природний намагнічений мінерал магнетит, з якого в Китаї виготовляли стрілки магнітного компаса вже більше 2 тисяч років тому. Магнетит — слабкий магнетик; значно сильнішим магнетиком виявилося залізо.

Практичне застосування заліза як магнітного матеріалу почалося у 19-му столітті після відкриття Г. К. Ерстедом, М. Фарадєєм, Г. А. Лоренцом законів електромагнетизму й винайдення машин постійного струму, трансформатора і генераторів змінного струму та трифазного струму. З 1900 в електротехніці почали застосовувати кремнисті сталі, дещо пізніше — Fe-Ni сплави, що легко намагнічуються в слабких полях і набули поширення у техніці зв'язку. Значно прискорив процес розробки нових магнітних матеріалів розвиток теорії феромагнетизму. В середині 20 століття з'явилися оксидні магнітні матеріали — ферити, що слабко проводять електричний струм, їх стали використовувати в техніці високих і надвисоких частот.

Характеристики магнітних матеріалів

 

1. Крива намагнічування. Процес намагнічування феромагнітного матеріалу під впливом зовнішнього магнітного поля
2. Петля гістерезису – це крива зміни індукції магнітного поля.
3. Магнітна проникність (відносна магнітна проникність) це величина яка визначає здатність матеріалу до намагнічування.
4. Втрата енергії при перемагнічуванні – це невідновні втрати електричної енергії, яка виділяється у вигляді теплоти.

2. Класифікація магнітних матеріалів.

Магнітні матеріали широко використовують у сучасній промисловості. Більшу їх частину за величиною коерцитивної сили поділяють на дві великі групи:

·         магнітно-тверді (понад 1кА/м)

·         магнітно-м'які і входять вони до переважно групи прецизійних сплавів (високолеговані сплави з точним хімічним складом).

Хоча до магнітно-м'яких і магнітно-твердих матеріалів належить переважна більшість магнітних матеріалів, в окремі групи інколи виділяють:

·                    термомагнітні сплави — феромагнітні сплави, що мають різко виражену температурну залежність намагніченості в заданому магнітному полі, використовуються у різноманітних реле;

·                    магнітострикційні матеріали — магнітно-м'які матеріали, в яких досить великий ефект магнетострикції;

·                    магнітодіелектрики — магнітні матеріали, що є зв'язаною в єдиний конгломерат сумішшю феромагнітного порошку і зв'язки-діелектрика (наприклад, бакеліту, полістиролу, гуми) та ін.

Відомі магнітні рідини, у яких завдяки поверхневому натягненню перебувають у зваженому стані дрібні порошки (нанопорошки) магнітно-твердих матеріалів і поводяться як суцільне середовище з несучою рідиною (розчинником). Проте такі рідини є складними і дорогими у виробництві та зберігають свої магнітні властивості значно менше, ніж справжні магнітні матеріали. Водночас, використовуючи магнітні рідини, можна вдосконалити низку приладів і пристроїв.

 

3. Магнітотверді сплави.

 

Магнітно-твердим матеріалам властиві мала магнітна проникність та великі гістерезисні втрати.

Магнітно-твердими є магнітна сталь, сплави на основі систем Fe-Co-Mo-W, Fe-Ni-Al-Co, Fe-Ni-Al, сплав Pt-Co, барієві, стронцієві і кобальтові ферити, сплави кобальту з рідкісноземельними елементами і магнітно-тверді магнітодіелектрики. Вони відзначаються значними коерцитивною силою (5·10³…7·10⁵ А/м), залишковою магнітною індукцією (0,2…1,2 Тл) і магнітною енергією (10³…10⁵ Тл·А/м).

Металеві магнітотверді матеріали можна поділити на три основні групи:

·         мартенситні високовуглецеві сталі;

·         сплави на основі заліза- алюмінію-нікелю;

·         металокерамічні матеріали.

3.1. Мартенситні сталі. Мартенситна структура у високовуглецевих сталях отримується за допомогою їх гартування – нагрівання до температури, при якій сталь становить собою розчин вуглецю у залізі (аустеніт), і наступного різкого охолодження у воді або маслі. При мартенситній структурі кристали заліза різко змінюються – витягуються у довжину, а частина розчину вуглецю, яка залишилася, спричинить внутрішнє напруження. Все це забезпечує магнітну твердість постійним магнітам, виготовленим із мартенситних сталей.

В якості мартенситних сталей застосовують хромисті, вольфрамові і кобальтові сталі. В хромисті сталі в якості легуючого компонента вводять хром (1,3…3,6%), у вольфрамові – вольфрам (5,5…6,5%) і хром (0,3…0,5%), в кобальтові сталі – кобальт (5…17%), молібден (1,2…1,7%) і хром(6…10%). Всі ці сталі також містять 0,9…1,1% вуглецю, решта – залізо.

Кращими матеріалами є кобальтові сталі, але вони значно дорожчі хромистих і вольфрамових. Всі сталі знаходять обмежене використання в зв'язку із невисоким рівнем їх магнітних характеристик.

3.2. Залізо-нікель-алюмінієві сплави. Сплави цього складу, леговані кобальтом, титаном або ніобієм після особливої термічної обробки мають високий рівень магнітних характеристик: Вr = 0,9…1,38 Тл; Нс = (42…97)·103 А/м.

Альні – сплав алюмінію нікелю та заліза. Ці сплави мають в 4,5 рази більшу магнітну енергію (до 26 кДж/м3) ніж загартовані на мартенсит сталі.

Альнісі – сплав алюмінію нікелю із доданням кремнію.

Альніко, магніко – сплав алюмінію нікелю із доданням кобальту (магніко – більш значна частка кобальту). Такі сплави мають магнітну енергію в 15 разів більшу ніш у загартованих на мартенсит сталей.

Ці сплави позначаються марками: ЮНД12 (альні); ЮНДК15, ЮНДК24, ЮНДК24Б (альніко); ЮНДК35Т5 (магніко) та ін.

Літерами вказують компоненти, які входять до складу сплавів на основі заліза.

Ю – алюміній, Н – нікель, Д – мідь, К – кобальт, Т – титан, Б – ніобій.

Постійні магніти із цих не ковких сплавів можна отримувати тільки методом лиття з пода-

льшою обробкою їх шліфуванням.

Високий рівень характеристик магнітної твердості магнітів із цих сплавів досягається спеціальною термообробкою. Спочатку нагрівають магніти до температури 900…1200°С з подальшим охолодженням на повітрі або в воді. При цьому всі складові частини сплаву (алюміній, нікель та ін.) будуть розчинені в залізі, утворюючи пересичений розчин. Через деякий час розчинені в залізі компоненти сплаву починають випадати у вигляді дрібнодисперсних частинок. Останні спричинюють внутрішні напруження в кристалах заліза, що забезпечує матеріалу високий рівень магнітної твердості.

Щоб прискорити цей процес проводять відпускання загартованого магніту, тобто його нагрівають до температури 500…600°С, при якій починають випадати розчинені в залізі компоненти. При цьому витримують критичну швидкість охолодження: 15…20°С в секунду. Описаний процес теплової обробки магнітів з цих сплавів називається дисперсійним твердінням і складається з двох етапів – гартування і відпускання.

Рівень магнітних характеристик у сплавів з вмістом кобальту від 15% і вище можна підвищити з допомогою термомагнітної обробки відлитих магнітів. Для цього магніт нагрівають до 1300°С і охолоджують в сильному магнітному полі зі швидкістю 10..15°С в секунду. Внаслідок орієнтації магнітних доменів у напрямку дії зовнішнього магнітного поля, охолоджені магніти набувають магнітну текстуру. Внаслідок цього їх магнітна енергія зростає в середньому на 60…80% за рахунок різкого збільшення залишкової магнітної індукції. Після гартування магнітів у зовнішньому магнітному полі їх піддають відпусканню, тобто повторному нагріванню до 600°С і охолодженню з оптимальною швидкістю (15…20°С/с).

Магніти з цих сплавів більш стійкі до старіння, ніж мартенситні сталі.

Недоліком цих сплавів є те, що вони не піддаються звичайним методам механічної обробки внаслідок великої твердості і крихкості. Магніти з цих сплавів можна обробляти тільки шліфуванням.

Домашнє завдання. Вивчити матеріал та створити опорний конспект.

Викладач                 Максимова Т. В.