11.4.2. Магнитотвердые материалы

Эти материалы отличаются от магнитомягких высокой коэрцитивной силой (Н_с > 4 кА/м) и остаточной индукцией (В_r > 0,1 Тл). Им соответствует широкая гистерезисная петля, они трудно размагничиваются. В намагниченном состоянии долго сохраняют магнитную энергию, т. е. служат источниками постоянного магнитного поля. Их применяют также для записи и длительного хранения звука, изображения и т. п. Материалы должны иметь высокую временную и температурную стабильность параметров, удовлетворительные прочность и пластичность. В разных магнитотвердых материалах природа высоких значений коэрцитивной силы определяется одним из трех механизмов задержки процессов перемагничивания: необратимым вращением магнитных доменов, задержкой образования и роста зародышей перемагничивания и закреплением доменных стенок на различных дефектах структуры кристалла.

По способу получения магнитотвердые материалы классифицируют на литые сплавы, деформируемые сплавы, магниты из порошков, ферриты и сплавы на основе редкоземельных элементов (РЗЭ).

Легированные стали, закаленные на мартенсит. По составу это высокоуглеродистые стали, легированные W, Mo, Cr или Co. Стали имеют низкие магнитные свойства. Их начали применять для изготовления постоянных магнитов раньше других материалов, поскольку они дешевы и допускают обработку на металлорежущих станках. Высокая коэрцитивная сила достигается в результате максимального деформирования кристаллической решетки. При закалке на мартенсит кристаллы вытягиваются, создаются большие внутренние напряжения решетки.

Литые высококоэрцитивные сплавы систем Fе–Ni–Аl (старое название альни) и Fe–Ni–Аl–Со (Ni – до 35 %, Al – до 16 %, Со – до 40 %), легированные медью (4–8 %), титаном (5–8 %), ниобием и другими элементами, являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Сплавы альни с добавкой кремния ранее называли альниси, с кобальтом – альнико (более 24 % кобальта – магнико). В маркировке после букв Ю (алюминий) и Н (никель) стоят буквы легирующих элементов: Д – медь, К – кобальт, С – кремний, Т – титан, Б – ниобий. Цифра указывает процентное содержание элемента. Буква А означает столбчатую кристаллическую структуру; АА – монокристаллическую.

Высококоэрцитивное состояние обусловлено дисперсионным распадом однородного твердого раствора на две фазы (₁ и ₂) с ОЦК решеткой. Мелкие однодоменные частицы ферромагнитного вещества (неупорядоченный твердый раствор на основе Fe) окружены прослойками парамагнитного вещества (упорядоченный твердый раствор, обогащенный никелем и алюминием). Особенность заключается в том, что при медленном охлаждении сплавы приобретают большую коэрцитивную силу, чем при оптимальном отпуске после закалки. Перемагничивание может быть осуществлено за счет вращения магнитных моментов доменов, что возможно только в сравнительно больших полях. Магнитные свойства сплавов значительно улучшаются, если создать кристаллическую и магнитную текстуру.

Кристаллическая текстура создается методом направленной кристаллизации сплава. При этом образуется столбчатая структура, длина кристаллов достигает 300 мм, ось кристалла совпадает с направлением легкого намагничивания.

Магнитная текстура создается термомагнитной обработкой – охлаждением сплава в сильном магнитном поле (Н > 1200 кА/м). После обычной обработки удлиненные пластинки ориентированы вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений [100] (рис. 11.11,а). После термомагнитной обработки достигается упорядоченное расположение пластинок сильномагнитной фазы, которые осями легкого намагничивания ориентируются в направлении поля (рис. 11.11,б). Рост пластинок, направленных под углом 90° к полю, подавляется. Материал обладает наведенной магнитной анизотропией. Для создания магнитной текстуры содержание кобальта в сплаве – не менее 24 %.

П орошковые магнитотвердые материалы получают прессованием мелкодисперсных порошков металлов Fe, Ni, Al с последующей термообработкой при 1300 °С в атмосфере аргона.

Металлокерамические магниты изготавливают прессованием металлических порошков (без связывающего материала) и спеканием при высоких температурах по аналогии с процессами обжига керамики. Изготовляют мелкие и точные по размеру магниты, по свойствам они уступают литым магнитам.

Металлопластические магниты прессуют вместе с изолирующей связкой и подвергают нагреву для полимеризации связующего. Процесс изготовления аналогичен процессу прессования деталей из пластмасс. Поскольку в порошке содержится наполнитель в виде более твердых зерен измельченного магнитотвердого сплава, то необходимы более высокие давления (до 500 МПа). Магниты имеют пористость 3–5 %, остаточная индукция у них на 10–20 % ниже, чем у литых магнитов, зато по механической прочности они превосходят литые магниты в 3–6 раз.

Пластически деформируемые сплавы. Эти сплавы хорошо штампуются, обрабатываются на металлорежущих станках. Из них можно изготовить ленты, пластины, листы, проволоку. Благодаря мелкодисперсной структуре, магнитные свойства этих сталей лучше, чем у легированных мартенситных сталей. Дисперсионно-твердеющие сплавы типа Fe–Со–Mo (комолы) приобретают высококоэрцитивное состояние при отпуске после закалки: из твердого раствора выделяется фаза, богатая молибденом. Для придания свойств магнитотвердых материалов сплавы типа Fe–Со–V (викаллой) подвергают холодной пластической деформации с большим обжатием и последующему отпуску. Высококоэрцитивное состояние сплавов типа Fe–Ni–Cu (кунифе) и Co–Ni–Cu (кунико) возникает за счет появления упорядоченной тетрагональной фазы. Сплавы кунифе анизотропны, намагничиваются в направлении прокатки, их часто применяют в виде проволоки малых толщин, штамповок. Викаллой применяют для изготовления магнитов сложной конфигурации, высокопрочной магнитной ленты или проволоки.

Магнитотвердые ферриты (оксидные магниты) – ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Применяются главным образом ферриты бария (BaO∙6Fe₂O₃), кобальта и стронция. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. Технология получения магнитотвердых ферритов аналогична технологии изготовления керамики. Для получения мелкокристаллической структуры осуществляют помол, спекание проводят при невысоких температурах, чтобы исключить процесс рекристаллизации. Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют путем формования массы в сильном магнитном поле (с напряженностью до 800 кА/м). Ферриты кобальта имеют кубическую структуру, их получают по той же технологии, что и ферриты бария. Отличие заключается в термомагнитной обработке спеченных магнитов. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением ( = 10⁴–10⁷ Омм). Недостатки ферритов – большая хрупкость и твердость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры.

Сплавы на основе редкоземельных элементов. Редкоземельные элементы (РЗЭ) образуют бинарные соединения с металлами переходной группы, которые обладают высокими магнитными свойствами. Наибольший интерес представляют интерметаллические соединения с гексагональной структурой: RCo₅ (рис. 11.12), R₂Co₇ и R₂Co₁₇, где R – редкоземельный металл (самарий, празеодим, неодим). Элементарная ячейка RCo₅ состоит из чередующихся слоев: одни слои состоят только из атомов кобальта, другие содержат атомы РЗЭ и кобальта. Решетку типа R₂Co₁₇ можно получить, если один атом РЗЭ заменить парой атомов кобальта, образующих гантельную пару:

3RCo₅ – R + 2Co R₂Co₁₇.

Атомы кобальта в паре расположены по обе стороны от атомного слоя, содержащего атомы РЗЭ, оси гантели – перпендикулярны этому слою. В зависимости от перераспределения гантельных пар решетка соединений может быть как гексагональной, так и ромбоэдрической.

Соединениям присуща сильная магнитная анизотропия и высокая температура Кюри. Наиболее высокую намагниченность имеют соединения кобальта с элементами первой половины ряда лантаноидов, т. е. с наименее магнитными и даже немагнитными элементами (иттрием, лантаном). Это обусловлено ферримагнитным упорядочением спинов атомов РЗЭ и кобальта. Ниже некоторой критической температуры соединения RСо₅ распадаются на две фазы. Нарушение фазовой однородности является одной из причин проявления высокой коэрцитивной силы в материале.

Т ехнология изготовления магнитов из соединений РЗЭ с кобальтом включает следующие операции: подготовка исходного материала; получение порошков; создание текстурированной заготовки; уплотнение заготовки и получение готового изделия.

Исходное сырье получают литьем сплавов заданного состава, либо термическим восстановлением из окислов, как правило, в среде инертного газа. Порошок получают измельчением в мельницах. Для предотвращения окисления помол ведут в жидких средах (спирте, бензине, толуоле). Получение текстуры осуществляется путем прессования в магнитном поле. Текстурированная заготовка имеет низкую плотность. Уплотнение достигается деформацией в условиях всестороннего сжатия. Например, магниты на основе SmCo₅ получают после прессования порошка спеканием при температуре 1100 °С в течение 30 мин в атмосфере чистого аргона. Магниты должны быть защищены от окисления. Основные недостатки – высокая хрупкость и высокая стоимость.