МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАГНИТЫ ИЗ ПОРОШКОВ

К достоинствам порошковой металлургии относятся высокая производительность и возможность автоматизации производ­ства, почти полное отсутствие потерь металла, а также получе­ние изделий по высоким классам точности, не требующих (в большинстве случаев) механической обработки.

Следует отметить, что необходимость изготовления дорогих пресс-форм и наличия специализированного оборудования (прессов, печей с защитной атмосферой и др.) приводит к тому, что экономически выгодно применять порошковые методы лишь в условиях массового производства мелких (весом до несколь­ких сот граммов) магнитов или магнитов сложной конфигу­рации.

В § 17 было указано, что магниты, получаемые методами по­рошковой металлургии, можно разделить на металлокерами - ческие, металлопластические, оксидные и из микропорошков.

Для первых двух групп магнитов физические процессы обра­зования высококоэрцитивного состояния объясняются теми же причинами, что и для монолитных магнитов; для двух других групп измельченное состояние материала является необходи­мым условием получения высококоэрцитивных свойств.

Металлокерамические магниты. В настоящее время металло - керамические магниты изготовляют из Fe—Ni—Al сплавов, а также из деформируемых сплавов Си—Ni—Со, Си—Ni—Fe, Fe—Со—Mo, Pt—Co и Ag—Mn—Al (см. § 25), которые можно обрабатывать давлением и резанием. Однако металлокерамиче- ская технология даже для этих сплавов во многих случаях яв­ляется экономически более выгодной, чем обработка на стан­ках.

При изготовлении Fe—Ni—Al металлокерамических магни­тов алюминий вводится в виде железоалюминиевой лигатуры (сплав из 50% Fe и 50% А1), отлитой и размолотой в порошок. Измельчение литых сплавов или порошков элементов, входящих в сплав, не обеспечивает получения высоких магнитных свойств. Это объясняется тем, что в первом случае сильно снижается Вт из-за плохого сцепления частиц, а во втором происходит окисле­ние алюминия, и состав сплава произвольно меняется.

Размеры частиц порошков в своей основной массе не долж - иы быть менее 10 мк. К металлическим порошкам в небольшом количестве (0,3—0,5%) добавляют для улучшения спекаемости стеорит цинка.

Изменение магнитных свойств металлокерамических магни­тов по сравнению с монолитными объясняется главным образом повышенной пористостью материала. При этом коэрцитивная сила практически не изменяется, а Вт, у и Втах уменьшаются.

А. Б. Альтман[59] предложил следующие эмпирические форму­лы для оценки влияния пористости на магнитные свойства:

(63)

И

^ша* = ^шах0 - - 850) Р, (64)

Где Wmax[9pa/cM?] и ВТ[гс] — максимальная энергия и остаточ­ная индукция постоянных магни­тов из порошков;

Wmax„, Вг<1—те же характеристики для моно­литных магнитов;

Р, % — пористость.

Уменьшение пористости металлокерамических магнитов до­стигается введением легирующих присадок, выбором давления при прессовании и условий спекания, а также применением двухкратного прессования и спекания.

Можно указать следующий примерный режим производства металлокерамических магнитов из Fe—Ni—Al порошков:

А) предварительное прессование при давлении порядка 10 Т/см2;

Б) полуспекание при температуре 900 ± 100° С с выдержкой 2 ч и охлаждением до 400° С в водороде;

В) допрессовка при давлении 15 Т/см2;

Г) спекание при температуре 1280 + 5° С с выдержкой 4 ч и охлаждением до 400° С в водороде.

К качеству водорода и конструкции печи при этом предъяв­ляются очень высокие требования. Водород применяют не тех­нический, а тщательно очищенный и высушенный. Печи должны быть сконструированы так, чтобы в рабочей камере не образо­вывались пары воды и газы.

Изготовленные таким образом магниты подвергают терми­ческой, а для высококобальтовых сплавов и термомагнитной об­работкам.

Металлокерамические магниты имеют обычно пористость 3—5%, что вызывает снижение №тах и Вт на 10—20%. Однако в результате тщательной отработки технологии возможно полу­
чить металлокерамические магниты без понижения свойств. По механической прочности металлокерамические магниты пример­но в 3—6 раз превосходят литые. Каталог завода «Электрокон­такт» (1961 г.) рекомендует следующие предельные размеры, для которых изготовление металлокерамических магнитов яв­ляется рентабельным: высота h от 1 до 5 мм; сечение s от 0,1 до 50 см2; отношение й/l/s не более, чем 2:1; диаметр d отверстия (минимальный) 2 мм.

Отметим также, что металлокерамическая технология позво­ляет получать магниты с арма - в. кес тл турой (полюсными наконечни - ками, магнитопроводами и т. п.), т. е. целиком магнитные системы. Такие системы изготовляются совместным прессованием в од­ной пресс-форме смеси порошков магнитнотвердого материала и железа с последующим спека­нием.

Металлопластические магни­ты. Эти магниты имеют значи­тельно более простую техноло­гию, чем металлокерамические, но магнитные свойства их хуже. Наиболее часто применяемая технология изготовления метал - лопластических магнитов в об­щих чертах заключается в сле­дующем.

Порошок, полученный из литых заготовок сплавов Fe—Ni— Al или Fe—Ni—Al—Co, смешивают с твердым порошкообраз­ным диэлектриком[60], например с фенольной смолой, и прессуют под сравнительно невысоким давлением (около 5 Т/см2). Далее прессовки нагревают до 120—180° С и выдерживают при этой температуре несколько часов для полимеризации связки.

Вания и магнитной энергии металлопластического (кривая 1) и литого (кривая 2) магни­тов из сплава ЮНД4

Полученные таким образом магниты имеют точно выдержан­ные размеры, так как нагревание до невысокой температуры не вызывает деформаций и обеспечивает высокое качество поверх­ности. Механические свойства в несколько раз выше, чем у ли­тых магнитов.

Магнитные свойства металлопластических магнитов значи­тельно понижены. Уменьшение Нс происходит приблизительно на 10%, Вт — на 35—50%, Wmax— на 40—60%, выпуклость кри­вой размагничивания меньше, чем у литого материала. На рис. 70 показаны кривые размагничивания металлопластиче-
скдх магнитов из сплава следующего состава: 15% А1, 24% Ni, 4%Cu и литого магнита близкого состава (ЮНД4).

Понижение магнитных свойств объясняется большим содер­жанием (до 30% по объему) неферромагнитной компоненты.

Отметим некоторые особенности металлопластических маг­нитов. Снижение магнитных свойств до некоторой степени ком­пенсируется уменьшением плотности (5,0—5,5 г/см3 вместо 7,0—8,0 г/см3 для литых магнитов), поэтому разница в величине энергии при пересчете на единицу объема заметно уменьшается. Металлопластические магниты обладают большим удельным электрическим сопротивлением, что позволяет применять их в цепях с наличием переменного магнитного поля. Порошковая технология позволяет изготовлять магниты с запрессовкой раз­личных полюсных наконечников, втулок и т. п.

Оксидные магниты и магниты из микропорошков, В настоя­щее время для изготовления оксидных магнитов используют два соединения: феррит бария ВаО • бРегОз (бариевые магни­ты) и феррит кобальта СоО • БегОз (вектолит). Практическое применение имеют только бариевые магниты, так как вектолит обладает низкими магнитными свойствами и высокой стоимо­стью.

К магнитам из микропорошков относятся магниты из желе­за, железо— кобальта и интерметаллического соединения Мп — ВІ. Магниты из этих материалов применяют пока еще мало, но г:о мнению многих специалистов и на основании теоретических расчетов они являются весьма перспективными.

Природа высококоэрцитивного состояния оксидных магнитов и магнитов из тонких порошков в значительной степени объяс­няется процессами перемагничивания однодоменных частиц. Современная теория ферромагнетизма позволила установить количественные зависимости, определяющие магнитные свойст­ва однодоменных частиц.

Критический размер частицы, при котором ее можно считать однодоменной, подсчитывается по формуле:

П 9 / ТвК „

D 0=7-1/ —. (65)

JS Г о.

Где k — постоянная Больцмана;

К—константа кристаллографической анизотропии; а — междуатомное расстояние.

Формулу (65) нельзя считать универсальной. Например, для веществ с малым значением К (железо) Т. Пейн[61] рекомендует уточненную формулу. Однако для получения качественной кар­тины формула (65) является вполне пригодной.

Если по формуле (65) найти критический размер частиц трех материалов: железа, бариевого феррита и сплава Мп—ВІ, то будут получены следующие результаты: железо — 0,05 мк, бариевый феррит— 1,5 мк и Мп—Ві — от 5 до 8 мк. Очень ма­лый размер частиц железа объясняется высоким насыщением и низким значением К этого металла.

Для материалов, в которых каждая частица представляет один домен и отделена от других частиц немагнитной прослой­кой, намагничивание происходит без смещения границ, только за счет процесса вращения, что требует больших намагничива­ющих полей.

Причинами возникновения коэрцитивной силы при таком на­магничивании являются кристаллографическая анизотропия, анизотропия формы монодоменных частиц и анизотропия меха­нических напряжений (внешних или внутренних). Все три составляющие j#с могут быть подсчитаны по формулам.

Коэрцитивная сила от

А) кристаллографической анизотропии

TOC \o "1-3" \h \z jH = Щ-, (66)

К Js

Б) анизотропии формы частиц

JHCN = (Nb-Na)Js, (67)

В) анизотропии механических напряжений

>Н<.= Т7Г' (68)

Где Nb — коэффициент размагничивания по продольной оси частиц;

Na — он же в поперечном направлении;

К—константа магнитострикции;

О — величина механических напряжений, приложенных к образцу.

Практически для создания материалов с большой коэрци­тивной силой пока используются явление существования в ве­ществе кристаллографической анизотропии и создание монодо­менных частиц, обладающих анизотропией формы. Увеличение jHc созданием механических напряжений пока не используется.

Для получения материала с наибольшей энергией Wmax, кро­ме увеличения Не, надо стремиться к получению максимальных значений остаточной индукции Вт и коэффициента выпукло­сти Ї.

Остаточная индукция зависит от свойств вещества {Js), плотности упаковки монодоменных частиц и степени магнитной анизотропии материала.

Наибольшие значения Js имеют железо и сплавы железо — кобальт. С увеличением плотности упаковки индукция возраста­ет, но, начиная с некоторого значения, падает Нс. Оптимальный коэффициент заполнения составляет приблизительно 50—70%. Магнитная анизотропия материала, которая достигается, напри­мер, воздействием магнитного поля при прессовании, увеличи­вает Вт за счет уменьшения разницы между Вт и Bs (в пределе Br=inJs). Одновременно с этим возрастает Ї.

Итак, задачу получения материала для постоянных магни­тов из тонких порошков можно сформулировать следующим об­разом: необходимо создать систему из параллельно ориентиро­ванных монодоменных частиц, обладающих анизотропией фор­мы (например, в виде удлиненных эллипсоидов) при условии оптимальной плотности упаковки.

В табл. 22 приведены предельные значения магнитных пара­метров материалов из тонких порошков, вычисленные в предпо­ложении выполнения сформулированных условий. В этой же

Таблица 22

Свойства постоянных магнитов из микропорошков *

* Пейн Т. Магнитные свойства мелких частиц, металлов и сплавов». Изд-во иностр. лит-ры, 1961.

Сб. «Магнитные свойства

Таблице помещены сведения о практически достигнутых значе­ниях этих параметров.

Из рассмотрения данных таблицы можно сделать заключе­ние о том, что самыми перспективными материалами в отноше­нии получения наибольшей энергии являются порошки из желе­за и железо — кобальта. Однако возможности этих материалов использованы пока не больше, чем на 9—10%, в то время как воз­можности бариевых ферритов реализованы уже почти на 80%.

Объясняется это тем, что для бариевых ферритов К велико, a Js мало. Следовательно, на основании формулы (66) можно сделать вывод, что составляющая jHck от кристаллографиче­ской анизотропии имеет большое значение и именно она в ос­новном определяет значение jHc. Кроме того, критический раз­мер D0 монодоменных частиц для феррита бария составляет сравнительно, большую величину, равную 1,5 мк. Получение частиц таких размеров без выполнения условия их удлиненной формы является практически разрешимой задачей. Для железа и железо-кобальта К мало, a Js велико. Следовательно, состав­ляющая jHCKoi кристаллографической анизотропии мала и су­щественное увеличение коэрцитивной силы может быть достиг­нуто только в результате использования анизотропии формы частиц. Но это требует решения технологической задачи полу­чения частиц определенной формы, имеющих размеры 0,01— 0,1 мк, параллельном их расположении и оптимальной плотно­сти упаковки, что связано с большими трудностями.

Бариевые магниты. Феррит бария в отличие от магнитномяг­ких ферритов имеет не кубическую, а гексагональную кристал­лическую решетку с одноосной анизотропией. Наличие магнитных свойств объясняется нескомпенсированным антиферромагнетиз­мом (ферримагнетизмом), для которого характерным является низкое (по сравнению с металлическими магнитными материа­лами) значение остаточной индукции.

В настоящее время промышленность выпускает две группы бариевых магнитов: изотропные (БИ) и анизотропные (БА).

Технология производства магнитов БИ в принципе не отли­чается от описанной выше технологии производства магнитно­мягких ферритов. Примерную схему изготовления магнитов БИ можно представить следующим образом.

Исходные материалы: окись железа РегОз марки «ЧДА», углекислый барий ВаСОз или азотнокислый Ва(ЫОз)2 марки «Ч». Каолин высшего или первого сорта для тонкой керамики.

Расчет шихты соответствует соединению ВаО • бРегОз. Ка­олин добавляют в количестве 0,5% сверх 100% основного мате­риала. Каолин препятствует росту зерен и тем самым увеличи­вает Нс. Одновременно он в сотни и тысячи раз снижает элект­росопротивление.

После первого вибропомола производится обжиг массы при температуре 1250±30°С в течение 3 ч (для ВаСОз). Второй вибропомол имеет очень важное значение, так как он должен обеспечить размер частиц не свыше 1—2 мк. Перед помолом вторично в массу добавляют 0,5% каолина. Далее изделия прессуются и подвергаются окончательному обжигу при темпе­ратуре 1230 ± 50° С с выдержкой 3 ч.

Особенности производства магнитов БА заключаются в том, что после второго сухого помола производится мокрый помол (в течение 4 ч), после которого масса отстаивается не менее трех суток, и прессование в магнитном поле. Мокрый помол обеспе­чивает лучшее измельчение частиц. Для прессования в магнит­ном поле масса сметанообразной консистенции заливается в пресс-форму, которая помещается внутрь намагничивающей ка­тушки. Кратковременным включением и выключением тока про­изводится магнитная встряска массы. Включается намагничи­вающий ток, который должен иметь такую величину, чтобы в конце прессования поле составляло 8000—10 000 э. В начале прессования поле должно быть не менее 2000—3000 э. Именно это начальное поле является определяющим, так как оно прило­жено тогда, когда частицы находятся во взвешенном состоянии. Включается насос для откачки воды и путем медленной подачи давления производится прессование при давлении 0,2—0,5 Т/см2. Выключаются намагничивающий ток и отсос воды. Изделие размагничивается путем включения и выключения тока, имею­щего обратное, по сравнению с намагничивающим током, нап­равление. Изделие выпрессовывается [62].

Магнитные свойства магнитов БИ и БА приведены в табл. 23, а на рис. 71 показаны кривые размагничивания и магнитной энергии. Отметим некоторые особенности бариевых магнитов. По величине магнитной энергии БИ соответствуют ЮНД4 (АНЗ), а БА —ЮНДК15 (АНКо2). При этом они обладают очень большой коэрцитивной силой и малой величиной остаточ­ной индукции. Точка (В#)тах соответствует большому значе­нию коэффициента размагничивания, поэтому бариевые магни­ты целесообразно изготовлять в виде шайб, тонких дисков (с отношением l/d ж 5—10) и т. п. Вследствие большой величины Нс бариевые магниты обладают высокой стабильностью в отно­шении действия внешних магнитных полей, тряски, ударов и структурного старения. Бариевые магниты могут намагничи­ваться до сборки системы, поскольку у них кривая возврата практически совпадает с кривой размагничивания [63]. Коэффици­
ент возврата р-л для бариевых магнитов приблизительно равен единице (точнее р, д «=> 1,1—1,2), что позволяет упростить расче­ты, считая, что наличие магнитного материала не влияет на кар­тину магнитного поля в воздухе. Удельное сопротивление бари­евых магнитов р= 106—109 ом-см, т. е. в миллионы раз выше, чем у металлических материалов, что практически исключает возможность возникновения в них вихревых токов и позволяет использовать в магнитных цепях, подвергающихся действию по­лей высокой частоты. Большое достоинство бариевых магнитов

Состоит в том, что они не содержат дефицитных и дорогих материалов. Ба­риевые магниты прибли­зительно в 10 раз дешев­ле магнитов из ЮНДК24 (АНКо4).

К недостаткам барие­вых магнитов следует отнести плохие механиче­ские свойства (высокие хрупкость и твердость, что позволяет обрабаты­вать их только шлифов­кой) и, самое главное, Рис. 71. Кривые размагничивания и маг - большую зависимость нитной энергии бариевых магнитов: магнитных СВОЙСТВ от

/ —0.7БИ; 2 — 1Б1-І; 3 — 2БА; 4— ЗБА - г

3 2X10 1500 1S00 500 0 WW 24'Ю'гсэ

Ка/м

40

6,4 тг, в 'К? тл% *~8Н

ОО во Н —

Температуры. Іемпера - турный коэффициент магнитной индукции для бариевых магнитов не зависит от вели­чины коэффициента размагничивания и составляет приблизи-

Магнитные свойства бариевых магнитов

Таблица 23

Тельно 0,2%/1° С, т. е. в десять раз больше, чем у литых магни­тов. Кроме того, они обладают необратимостью свойств при охлаждении, т. е. после охлаждения и последующего нагрева до первоначальной температуры магнитные свойства не восста­навливаются, что иллюстрируется рис. 72. При повторном пони­жении температуры изменение В практически отсутствует. Для стабилизации свойств изделия выдерживаются в раздробленном сухом льде при температуре t = —60° С в течение 4 ч.

Магниты из микропорошков. Технология производства маг­нитов из микропорошков Мп—Ві в общих чертах заключается в следующем. Механическим дроблением марганецвисмутового

В,кгС тл

-40 -20

0,16 0,14 0,12 ЦЮ

Ofla о

20 _

Рис. 72. Температурная зависи­мость для магнитов БИ в разом­кнутой цепи (l/dm 1)

0,8 0,6 0,4 о? о

— железный порошок, сферические частицы:

— железокобальтовый порошок, сферические частицы; 3 — железный порошок, удлиненные частицы, плотность упаковки 50%; 4 — желез­ный порошок, удлиненные частицы, плотность

Упаковки 30%

Сплава (23% Мп и 77% Ві) получают частицы монодоменных размеров (5—8 мк). Затем порошок пропускают через магнит­ный сепаратор, который отделяет ферромагнитную фазу Мп— Ві от немагнитных частиц марганца и висмута. Прессовка по­рошка Мп—Ві производится при температуре около 300° С в магнитном поле напряженностью приблизительно 20 000 э, ко­торое создает одинаковую ориентацию осей легкого намагничи­вания отдельных частиц. Магнитные свойства Мп—Ві порошка соответствуют свойствам лучших металлических материалов для постоянных магнитов. Особенно большое значение имеет коэрцитивная сила (jHc до 6000 э). Однако эти свойства сохра­няются только для температур не ниже 20° С. При понижении температуры свойства быстро падают (для восстановления не­
обходимо повторное намагничивание), что существенно ограни­чивает применение этих материалов.

Железные и железо-кобальтовые магниты из микропорош­ков требуют применения химических способов получения частиц нужного размера (0,01—0,1 мк). Порошок получают восстанов­лением муравьинокислого железа в водороде при умеренной температуре. Из полученного таким образом порошка прессуют магниты и для повышения коррозионной устойчивости пропиты­вают раствором смолы. Иногда для повышения механической прочности и остаточной индукции прессовки до пропитывания отжигают в водороде. На рис. 73 приведены кривые размагни­чивания магнитов из микропорошка железа и железо-кобальта. Присадка кобальта (30% Со) существенно улучшает свойства материала.