Металлические магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления по­стоянных магнитов, используемых в радиоаппаратуре. Основное требова­ние, предъявляемое к постоянным магнитам, заключается в том, что они должны создавать в воздушном. зазоре между своими полюсами магнит­ное поле с постоянными напряженностью и магнитной индукцией. Для этого постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т. е. магнитно-твердые материалы должны иметь возможно большие коэр­цитивную силу и остаточную' магнитную индукцию.

У всякого постоянного магнита с течением времени уменьшается маг­нитный поток, а следовательно, удельная магнитная энергия. Этот про­цесс, называемый старением магнита, может быть обратимым и необра­тимым. Один вид старения наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры магнита. Такому магниту можно возвра­тить прежние магнитные свойства повторным намагничиванием. Другой вид старения связан с изменением структуры магнитно-твердого материа­ла и является необратимым. Итак, вторым требованием к магнитно-твердым материалам является устойчивость их к старению.

Металлические магнитно-твердые материалы можно разделить на три основные группы: мартенситные высокоуглеродистые легированные стали; сплавы на основе железа — алюминия — никеля; металлокерамические маг­нитно-твердые материалы.

Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях образуется за­калкой — нагревом до температуры, при которой сталь переходит в раствор углерода в железе (аустенит), и последующим резким охлаждением в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа резко искажаются — вытягиваются в длину, а мельчайшие (высокодисперсные) частицы карбида (Fe₃C), рассеиваясь в микроструктуру стали, увеличивают внутренние напряжения в ее кристаллах. Это обеспечивает магнитную твердость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных сталей. Постоянные магниты из закаленной легированной стали обладают сравни­тельно большой коэрцитивной силой и остаточной магнитной индукцией.

В качестве мартенситных сталей применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые. В хромистых сталях легирующим компонентом являются хром (1,3—3,6%), в вольфрамовых—вольфрам (5,5—6,5%) и хром (0,3—0,5%), в кобальтовых—кобальт (5—17%), молибден (1,2—1,7%) и хром (6- 10%). Эти стали содержат 0,9- 1,1 % углерода, остальное - же­лезо.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мар­тенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают 6а мартенсит, а затем намагничивают. Для ста­билизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусствен­ному старению — многочасовой выдержке их в кипящей воде.

Основные магнитные характеристики стальных магнитов следующие:

хромистых Вr = 0,90 Тл; Hс = 4600 А/м; W_м = 2,4 кДж/м³; вольфрамовых

Вr = 1 Тл; Hс = 5000 А/м; W_м = 5,5 кДж/м³; кобальтовых Вr =0,95 -1,1 Тл; Н_с= 80QO - 13 600 А/м; W_м =11,0 кДж/м³. Лучшими являются ко­бальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых. Все стали являются доступными и легко обрабатываемыми материалами, но применение их ограничено из-за относительно невысоких магнитных характеристик.

Более высокими магнитными характеристиками обладают магнитно-твердые сплавы на основе железа — алюминия — никеля, легированные ко­бальтом, медью, титаном и ниобием, например ЮНД12, ЮНДК15, ЮНДК18, ЮН13ДК14 и др. Буквы в марках сплавов обозначают: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Б — ниобий, Т — титан. Цифры, стоящие за соответствующей буквой, показывают содержание данного компонента сплава в процентах (по массе). Магниты из этих спла­вов могут быть получены только методом литья и имеют высокие маг­нитные. характеристики: В_r =0,5 -1,4 Тл; Hс=(42-145)-10³ А/м;

W_m =14—32 кДж/м³. Такого уровня магнитных характеристик достигают благодаря процессу дисперсионного отверждения, который заключается в следующем. Магнит нагревают до 1100—1200 °С, при этом составные ча­сти сплава растворяются в железе. Затем при быстром охлаждении магни­та в его материале образуется перенасыщенный твердый раствор компо­нентов сплава.

Растворенные в избыточном количестве в железе компоненты сплава с течением времени начинают выпадать в виде высокодисперсных частиц, которые, рассеиваясь по объему магнита, вызывают внутреннее напряжение

в кристаллах железа. Это обеспечивает сплаву большие коэрцитивную силу и остаточную магнитную индукцию. Чтобы ускорить этот процесс, производят отпуск магнита, соблюдая критическую скорость охлаждения (15—30°С в 1 с). Такая обработка магнитов называется дисперсионным

•твердением.

Магнитные характеристики сплавов с содержанием кобальта от 12% и выше можно повысить термомагнитной обработкой отлитых магнитов. 'Для этого магнит нагревают до 1300°С и охлаждают в сильном магнит­ном поле (скорость охлаждения 10—15 "С в 1 с). Вследствие ориентации доменов в направлении действия внешнего магнитного поля охлажденные магниты приобретают магнитную текстуру, в результате этого их энергия возрастает на 20—30% за счет резкого увеличения остаточной магнитной индукции. Магниты из этих сплавов значительно более стойки к старению, чем мартенситные стали. Недостатком этих сплавов является то, что они не поддаются обычным методам механической обработки из-за большой твердости и хрупкости. Магниты из кобальтовых железоникельалюми-ниевых сплавов можно обрабатывать шлифованием.

Металлокерамические маг­ниты

Магниты очень малых размеров или сложной формы в массовом про­изводстве стараются изготовлять из металлокерамических материалов, которые получают из металлических порошков. Металлокерамические маг­ниты изготовляют на основе порошков железо — никель — алюминий или железо — никель — алюминий — кобальт, которые берут в соотношениях, обеспечивающих твердость магнитам после их прессования и последующе­го спекания при высоких температурах. Металлы и их сплавы измельчают до частиц размером не менее 10 мкм. Из порошкообразной исходной массы магниты прессуют при давлении 1,0—1,5 МПа. Отпрессованные магниты спекают в защитной атмосфере или вакууме при 1100—1300°С. Спеченные магниты закаливаьот, а затем производят отпуск, охлаждая их с заданной скоростью. Для улучшения магнитной твердости магнитов, в состав которых входит кобальт, их подвергают термомагнитной обра­ботке под действием внешнего магнитного поля.

Металлокерамичёские магниты в готовом, виде имеют небольшую по­ристость (2—5%), которая несколько снижает их магнитные характеристи­ки. Достоинствами металлокерамических магнитов являются чистота их поверхности, не требующая дополнительной обработки, и точность за­данных размеров. Магниты, из металлокерамических материалов можно обрабатывать только шлифованием. Магнитно-твердые материалы на ос­нове редкоземельных металлов и кобальта отличаются большими коэрци­тивной силой и удельной объемной энергией. Эти сплавы представляют собой интерметалличсские соединения типа RCO₅, в которых R — редкозе­мельный металл (иттрий, самарий или цезий), остальное — кобальт. По­стоянные магниты из этих веществ могут быть получены методом холод-

ного прессования из порошкообразных масс с последующим спеканием или методом литья. Полученные образцы постоянных магнитов этих составов обладают следующими характеристиками: Вr = 0,80 — 95 Тл;

H_c == (10- 13) • 103 А/м; W_м =60-90 кДж/м^З.

Ферриты

Ферриты представляют собой соединения оксида железа Fе₂Оз с окси­дами других металлов ZnO; NiO и др. Ферриты изготовляют из порош­кообразной смеси оксидов этих металлов. Отпрессованные ферритовые из­делия подвергают спеканию при высоких температурах. Название феррита определяется названием двухвалентного или (реже) одновалентного метал­ла, оксид которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит оксид цинка ZnO, то феррит называется ферритом цинка, если ок­сид никеля NiO — ферритом никеля и т.д.

Ферриты, в состав которых кроме оксида железа Fе₂Оз входит только один оксид другого металла, называются простыми. Химическая формула простого феррита в общем виде - записывается так: МеО * Fe₂O₃ или MeFe₂0₄, где Me — обозначение металла, оксид которого входит в состав феррита. Химические формулы ферритов цинка и никеля записываются так: ZnFe₂0₄ или NiFe₂0₄.

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так, фер­риты цинка и кадмия CdFe₂0₄ являются немагнитными, веществами. На­личие или отсутствие магнитных свойств у простых ферритов определяет­ся их составом и распределением ионов в кристаллической решетке. Перечисленные выше простые ферриты имеют кубическую решетку типа шпинели. Такая решетка представляет собой плотную упаковку двухва­лентных отрицательно заряженных ионов кислорода, между которыми распределены положительно заряженные ионы металлов, окруженные четырьмя или шестью ионами кислорода. Ионы металлов в кубической

ре­шетке шпинели могут распределяться, образуя нормальную либо обра­щенную шпинель. Ферриты цинка и кадмия, кристаллизующиеся в

нор­мальную шпинель, не обладают магнитными свойствами, а ферриты, кри­сталлизующиеся в обращенную шпинель, обладают магнитными свойствами.

Наилучшими магнитными характеристиками обладают сложные или смешанные ферриты, представляющие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы и немагнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами. Например, твердый раствор двух простых ферритов цинка и никеля образует смешанный никель-цинковый феррит, химическую формулу которого за­писывают так: Ni_хZn(_{1 - х})*Fe₂0₃. В приведенной формуле х обозначает молярную долю* оксида никеля в материале, а (1- х) — молярную долю оксида цинка, причем сумма этих долей равна единице. (* Молярная доля — количество данного оксида в феррите).

Ферриты изготовляют по технологии производства керамики, т. е. ис­ходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соот­ношении, измельчают в мельницах. Из этой смеси тонкопомолотых

по­рошков прессуют брикеты, которые подвергают первоначальному обжигу в печи. Спекшиеся брикеты размалывают и в полученный

тонкодисперсный порошок вводят какой-либо пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изде­лия (сердечники, кольца), которые обжигают при 1000 — 1400 ^оC. Полу­ченные твердые хрупкие изделия (преимущественно черного цвета) можно обрабатывать только шлифованием.

Наиболее широко применяют в РЭА смешанные магнитно-мягкие фер­риты: никель-цинковые, марганец-цинковые, литий-цинковые. Условные обозначения ферритов: НН — никель-цинковые; НМ — марганец-цинковые; ВЧ — литий-цинковые высокочастотные; СЧ — сверхвысокочастотные; ВТ — с прямоугольной гистерезисной петлей. Цифры, стоящие впереди буквенных обозначений, указывают среднее значение начальной магнитной проницаемости. В марках сверхвысокоча­стотных ферритов эти цифры обозначают среднюю длину волны (см), в марках ферритов с прямоугольной гистерезисной петлей — коэрцитив­ную силу (А/м). Например: 4000НМ — марганец-цинковый феррит с на­чальной магнитной проницаемостью, равной 4000; 150ВЧ — высокоча­стотный феррит с начальной магнитной проницаемостью 150.

Магнитные характеристики широко применяемых магнитно-мягких ферритов приведены в табл. 18.

Таблица 18. Основные характеристики магнитно-мягких ферритов

Марка феррита	Начальная магнитная проницае- мость (среднее	Коэрци- ­тивная сила, А/м	Удельное электрическое сопротивление, Ом • м	Граничная частота *, МГц	Темпера­тура Кюри, °С
	значение)
6000НМ	6000	12	0,1	0,01	130
4000НМ	4000	16	0,5	0,7	130
З000НМ	3000	24	0,5	0,8	140
2000ИМ	2000	20	0,5	1,5	200
1000НМ	1000	80	0,5	J,6	200
1000НН	1000	32	20	' 0,4	110
600НН	600	56	102	1,2	110
400НН	400	80	103	2,0	120
200НН	200	160	103	3,0	120
150ВЧ	150	640	106	25	400
100ВЧ	100	720	104	35	400
50ВЧ2	50	800	106	70	450
10ВЧ1	10	560	108	250	500

* Граничной называют частоту, при превышении которой начинается резкое, падение магнитной проницаемости и увеличение потерь энергии в феррите.

Дополнительными характеристиками ферритов являются: плотность 3800-5000 кг/м³; КТР=(5-12).1(Г⁶ 1/°С; пористость 1-15%.

Из рис. 9 следует, что приведенные здесь ферриты по сравнению с ме­таллическими магнитно-мягкими материалами обладают малой индукцией насыщения, поэтому в сильных полях их применять не рационально. Имеются ферриты, например НМС, которые обладают большой индук­цией насыщения. Из табл. 18 видно, что чем меньше начальная магнитная

проницаемость феррита, тем в более широ­ком диапазоне частот он может быть ис­пользован.

Рис. 9. Кривые намагничи­вания марганец-цинковых (НМ) от

никель-цинковых (НН) фер­ритов:

1 - 4000 НМ, 2 - 3000 НМ, 3 -2000 НМ, 4 - 1000 НМ, 5 -2000 НН, 6 - 600 НН, 7 - 400 НН; 8 - 200 НН.

Достоинствами ферритов являются ста­бильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые по­тери на вихревые токи, малый коэффици­ент затухания электромагнитной волны, а также простота изготовления ферритовых деталей. Как все магнитные материалы, ферриты сохраняют свои магнитные свой­ства только до температуры Кюри Тк. У различных по составу ферритов значения Тк колеблются в широких пределах: от 70 до 500 °С. В радиоаппаратуре СВЧ металлические магнитные материалы и низкочастотные ферриты (никель-цинковый и др.) не могут применяться из-за мало­го удельного электрического сопротивления, которое приводит к большим потерям на вихревые токи.

В технике СВЧ применяют поликри­сталлические и монокристаллические ферриты. К поликристаллическим относятся литиевый (10СЧ9), магниевые, никелевые и другие ферриты. Эта группа ферритов обладает большим удельным электрическим сопротивлением (10⁸ —- 10¹⁰ Ом-м) и стабильностью магнитных характеристик в диапазоне СВЧ. Широкое применение в технике СВЧ получили ферриты-гранаты, отличающиеся повышенным удельным электрическим сопротивлением и малыми диэлектрическими потерями.

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитно-твердые ферриты, наибольшее применение из которых получили ферриты бария ВаО-6Fe₂Оз. В отличие от магнитно-мягких бариевые ферриты имеют не кубическую, а гексагональную кристаллическую структуру, обладающую магнитной анизотропией, которая увеличивает коэрцитивную силу этих ферритов. По своей структуре ферриты бария представляют собой поли­кристаллические материалы, состоящие из множества кристаллических ча­стиц, ориентированных произвольно, что определяет однородность свойств феррита во всех направлениях. Эти ферриты являются изотропны­ми (марка БИ).

Если же в процессе прессования магнитов порошкообразную массу подвергнуть воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности (Н ≈ 800 кА/м), кристаллические частицы будут ориентированы в одном направлении. Изготовленные таким образом бариевые магниты являются анизотропными (марка БА), которые после обжига в печах и на­магничивания обладают более высокими магнитными характеристиками по сравнению с изотропными. Магниты, изготовленные из бариевых фер­ритов, обладают большим удельным электрическим сопротивлением (10³— 10⁶Ом • м). Для лучшего использования бариевым магнитам при­дают форму, при которой их длина мала по сравнению с сечением.

Бариевые ферриты отличаются хорошей стабильностью своих

характе­ристик, но чувствительны к резкому изменению температуры. Их изгото­вляют из недефицитпых порошкообразных материалов — оксидов железа Fe₂0₃ и углекислого бария ВаСО₃; методами керамической технологии. Магниты из бариевых ферритов значительно дешевле магнитов из железоникельалюминиевых сплавов и других металлических материалов.

Недостатками всех ферритов являются хрупкость, а также резко выра­женная зависимость магнитных свойств от температуры и механических воздействий. Ферриты являются магнитными полупроводниками, и, следо­вательно, с ростом температуры их удельное сопротивление уменьшается, что вызывает увеличение потерь на вихревые токи. Широко применяемые бариевые ферриты приведены в табл. 19.

Таблица 19. Основные характеристики магнитно-твердых бариевых ферритов

				Удельное
Марка феррита *	Остаточная магнитная индукция, Тл	Коэрцитив- ная сила, кА/м	Максималь- ная магнитная энергия, кДж/м3	электриче­ское сопро­тивление**, мкОм-м	Температура Кюри, °С
6БИ240	0,19	240	6
7БИЗ00	0,20	300	7
16БА190	0,30	190	16
15БАЗ00	0,30	300 .	15
18БА220	0,33	220	18
22БА220	0,36	220	22	103 - 106	450
24БА210	0,37	210	24
25БА150	0,38	150	25
28БА170	0,38	170	25
28БА190	0,39	190	28

* В марках ферритов, первые цифры обозначают (ВН)_maх ; цифры, стоящие после букв,—значения Н_c; буквы — Б — бариевые ферриты, И—изотропная структура. А—анизо­тропная структура.

** Неконтролируемые ГОСТом параметры.