Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдыми материалами называются магнитные материалы с коэрцитивной силой по индукции не менее 4кА/м, используемые для изготовления постоянных магнитов. Следует подчеркнуть существенность второй части определения – те материалы, у которых высокое значение коэрцитивной силы является не основным, а лишь побочным параметром, и которые вследствие этого не используются для изготовления постоянных магнитов, к магнитотвердым материалам не относятся.

Основными параметрами, характеризую­щими магнитотвёрдые материалы, являются остаточная магнитная индукция, коэрцитив­ная сила по индукции, коэрцитивная сила по намагниченности, максимальная удельная магнитная энергия. Все основные свойства магнитотвёрдых материалов наглядно иллю­стрируются на предельной петле магнитного гистерезиса, точнее на её участке, распо­ложенном во втором квадранте и называемом кривой размагничивания.

На рисунке 5.6 приведена кривая намагничи­вания и предельная петля магнитного гисте­резиса магнитотвердого материала. Для магнитотвёрдых материалов в отличие от осталь­ных групп магнитных материалов характерно существенное отличие коэрцитивной силы по намагниченности Н_смот коэрцитивной силы по индукции Н_св. У современных высококоэр­цитивных марок магнитотвердых материалов эти параметры могут отличаться в несколько раз. Существенное значение для магнитотвердых материалов имеет также релаксационная коэрцитивная сила Н_{с r} , определяющая напря­жённость магнитного поля, необходимую для приведения предварительно намагниченного материала в статически размагниченное со­стояние.

Как известно, петля магнитного гисте­резиса материала строго может быть измерена только на образце замкнутой формы типа тороида или в замкнутой магнитной цепи. При этом на материал образца воздействуют внешним магнитнымполем   Н.

Рисунок 5.6 – Предельная петля магнитного гистерезиса магнитотвёрдого материала

В то же время, как уже указывалось, магнитотвердые мате­риалы используются для изготовления по­стоянных магнитов, которые после намагничи­вания до насыщения помещаются в разомкну­тую магнитную цепь без приложения к пос­ледней, как правило, внешнего магнитного поля. Полюсные поверхности постоянного магнита или магнитной системы с постоянным магнитом образуют в окружающем простран­стве собственное магнитное поле, ради кото­рого постоянные магниты и используются. Часть магнитного потока замыкается непосредственно через материал постоянного маг­нита в направлении, обратном (в общем слу­чае под некоторым углом) направлению на­магниченности. Таким образом, постоянный магнит находится в собственном размагничи­вающем поле, при этом для материала маг­нита в любой его точке это равносильно при­ложению эквивалентного внешнего размагни­чивающего поля.

Высококоэрцитивное состояние магнит­ных материалов целиком обусловлено магнит­ной анизотропией. В любой точке кристаллической решетки вектор самопроизвольной намагниченности имеет лишь несколько (2–8) в зависимости от природы анизотропии и типа симметрии кристаллической решетки) устой­чивых положений вдоль так называемых осей легкого намагничивания. Процесс перемагничивания (или размагничивания) для каждого микрообъёма материала связан с переходом вектора самопроизвольной намагниченности из одного устойчивого положения в другое, при этом каждый элементарный магнитный момент должен перейти через направление трудного намагничивания, преодолев некоторый энергетический барьер. Энергия, необ­ходимая для преодоления этого потенциаль­ного барьера, в целом по объёму материала и определяет напряженность магнитного поля, перемагничивающего образец.

Наиболее целесообраз­ной представляется классификация, в основе которой лежат различия в химическом составе, приро­де высококоэрцитивного состояния и техно­логии изготовления В соответствии с этой классификацией магнитотвёрдые материалы делятся на следующие группы:

1 Стали, закаливаемые на мартенсит, – углеродистые стали, легированные хромом Cr, вольфрамом W, кобальтом Co. Это самые первые материалы, применявшиеся в качестве магнитотвердых материалов. Магнитные свойства относительно невысоки, особенно по коэрци­тивной силе и максимальной удельной маг­нитной энергии. Высококоэрцитивное состоя­ние обеспечивается неоднородной двухфазной структурой после закалки на мартенсит (наи­более мелкодисперсные пластинки цементита, равномерно распределенные в феррите) и обусловлено сочетанием магнитокристаллической и магнитострикционной анизотропии.

2 Дисперсионно – твердеющие сплавы, подвергающиеся холодной или горячей механической обработке давлением. К этой группе относятся сплавы систем железо – никель – медь, железо – никель – медь – кобальт, железо – кобальт – ванадий, железо – кобальт – молибден, железо – хром – кобальт и др. Магнитные свойства несколько выше, чем у материалов первой группы, а физически эти сплавы близки к углеродистым сплавам. Оптимальные магнитные свойства получаются путём создания мелкодисперсной, как правило, неравновесной при комнатной температуре структуры при выделении избыточной фазы, отличающейся от матрицы намагниченностью насыщения. Аналогично материалам первой группы высококоэрцитивное состояние обусловлено задержкой смещения доменных границ. Преобладающие типы ани­зотропии – магнитокристаллическая и магнитострикционная.

3 Диффузионно – твердеющие сплавы на основе системы железо – никель – алюминий с добавками кобальта, меди, титана, ниобия и др. Внешне механизм магнитного твер­дения, т.е. образования высококоэрцитивного состояния этих сплавов, аналогичен механиз­му дисперсионно-твердеющих сплавов. Од­нако принципиальное отличие состоит в том, что в этих сплавах основную роль играет анизотропия формы выделений сильномагнитной фазы, когерентно связанных со слабомагнитной, почти немагнитной матрицей. Фактически эти сплавы представляют собой в термообработанном состоянии совокупность однодоменных анизотропных по форме частиц, разделенных немагнитными прослойками, что и определяет механизм перемагничивания. Другой отличительной особенностью сплавов этой группы является возможность наведения в некоторых из них одноосной магнитной анизотропии с помощью термомагнитной обработки, что весьма существенно повышает основные магнитные свойства.

4 Прессованные магниты из порошков. Магнитотвердые материалы этой группы разрабатывались на основе мелкодисперсных порошков железа и сплава железо – кобальт с однодоменными размерами частиц преимущественно с анизотропией формы. Физически эти материалы моделировали структуру диффузионно – твердеющих материалов, уступая последним по свойствам. В настоящее время почти не применяются.

5 Сплавы с участием благородных ме­таллов типа платина – кобальт, платина – железо, серебро – марганец – алюминий и др. Высококоэрцитивное состояние материа­лов этой группы связано со структурными нап­ряжениями (магнитострикционная анизотро­пия), возникающими при переходах неупоря­доченной фазы в упорядоченную (сплавы платины с кобальтом и железом), или с магнитокристаллической анизотропией мелкодис­персных выделений магнитной фазы (сплав серебро – марганец – алюминий). Сплавы отличаются высокими значениями коэрцитив­ной силы, а сплав платина – кобальт и по магнитной энергии находится на уровне луч­ших диффузионно-твердеющих сплавов. Ос­новным фактором, определяющим область применения материалов этой группы, не­смотря на их высокую стоимость, является высокая пластичность, допускающая вытяж­ку в тонкую проволоку. Однако и в этом случае применение ограничивается изготовле­нием сверхминиатюрных магнитов.

6 Интерметаллическое соединение марганец – висмут. Очень высокая магнитокристаллическая анизотропия этого соединения обеспечивает достаточно хорошие магнитные свойства при изготовлении магнитов из мел­кодисперсного (близкого к однодоменному) порошка. Однако как магнитный материал это соединение имеет лишь историческое зна­чение. Практического применения он не на­шёл из-за плохой коррозионной стойкости, неудовлетворительной температурной ста­бильности в области отрицательных темпера­тур и дефицита висмута. Известны так­же и другие высококоэрцитивные соединения марганца, пока не нашедшие применения.

7 Магнитотвёрдые ферриты бария, строн­ция и кобальта. Природа высококоэрцитивного состояния этих ферримагнитных материалов также обусловлена большой магнитокристаллической анизотропией и мелкозернистой структурой, обеспечиваемой методами порошковой металлургии. Эти материалы отличаются высокой коэрцитивной силой, сравнительно небольшой остаточной магнитной индукцией и удовлетворительным уровнем мак­симальной удельной магнитной энергии. Эти свойства воспроизводятся на ферритах с од­ноосной анизотропией, получаемых текстурированием заготовок внешним магнитным полем во время формообразования.

8 Сплавы металлов группы железа с редкоземельными металлами, представляющие собой интерметаллические соединения с исключительно высокой кристаллографической анизотропией. На сплавах Rco₅ и R₂Co₁₇ разработаны магнитотвердые материалы с рекордными значениями всех основных магнитных свойств при удовлетворительных характеристиках температурной и временной стабильности. Практическое применение нашли материалы с одноосной анизотропией, изготовляемые методами порошковой металлургии.

9 Композиционные магнитотвёрдые материалы, изготовляемые на основе порошков магнитотвердых материалов одной из групп и полимерной связки. Если применяют в ка­честве связки пластмассы, то эти материалы называются магнитопластами, при использовании связки типа каучука – магнитоэластами. Несмотря на ухудшение параметров, эти материалы имеют преимущества, связанные с технологичностью их изготовления, обработ­ки, пластичностью, малой трудоёмкостью изготовления магнитов сложной формы. В качестве наполнителя, как правило, используются порошки магнитотвердых ферритов, реже порошки диффузионно-твердеющих спла­вов и сплавов кобальта с редкоземельными элементами.