МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ

Мартенситом называется особый вид микроструктуры, воз­никающей при закалке стали. Образование мартенсита сопро­вождается значительными объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений решетки и возникновением больших значений коэрцитивной силы. Мартенситная структура характеризуется также наивысшими значениями твердости и электросопротивления.

Опытные исследования показали, что оптимальные магнит­ные свойства могут быть получены в том случае, если структура состоит не из одного мартенсита, а включает в себя высокодис­персные карбиды. Такое состояние, условно названное диспер­сионным твердением мартенсита, обеспечивается термообработ­кой, при которой часть карбидов переводится в твердый рас­твор, а другая часть выделяется в высокодисперсном виде. Это способствует не только увеличению коэрцитивной силы, но и увеличению остаточной индукции, так как при меньшем раство­рении карбидов мартенсит содержит меньше углерода и, следо­вательно, имеет более высокое магнитное насыщение.

Отсюда следует сделать важный практический вывод о том, что качество термообработки в значительной степени определя­ет магнитные свойства материала. При некоторых температур­ных воздействиях, например при отжиге стали для уменьшения твердости с целью облегчения механической обработки, может произойти магнитная «порча», т. е. резкое ухудшение магнит­ных свойств после закалки. Это явление объясняется процесса­ми, возникающими в карбидной фазе стали. Для восстановле­ния свойств в результате «порчи» необходимо применять исправ­ляющую термообработку.

Мартенситные стали начали применять раньше всех других материалов для постоянных магнитов. В настоящее время они используются сравнительно мало из-за их низких магнитных свойств. Однако полностью от их применения не отказываются, так как они дешевы и могут обрабатываться на металлорежу­щих станках.

Состав и свойства мартенситных сталей нормируются ГОСТ 6862—54. Интересно отметить, что указанный ГОСТ, предусмат­ривающий выпуск пяти марок сталей, был принят взамен ОСТ НКТП 3543, который предусматривал выпуск десяти марок ста­лей. Это говорит об уменьшении роли этой группы материалов для современной техники. Некоторые данные мартенситных ста­лей приведены в табл. 24.

Таблица 24

Состав и свойства мартенситных сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862—54)

* В состав всех сталей входят также 0,2—0,4% Мп; 0,17—0,4% Si и не более 0,3% Ni, 0,03% Р, 0,02% S.

** Магнитные свойства гарантируются при условии соблюдения техноло­гической инструкции поставщика по термообработке и после 5 ч структурной стабилизации при 100°С (в кипящей воде).

Величина (ВН) шах для мартенситных сталей составляет (0,25—1,0) • 106 гс-э.

На заводы электротехнической промышленности мартенсит - ные стали поставляются металлургическими заводами в основ­ном в виде проката различного сортамента: прутков или полос. В редких случаях магниты из кобальтовых сталей изготовляют литьем в земляные формы.

Рассмотрим свойства - применяемых в промышленности ма­рок мартенситных сталей.

Хромистые стали ЕХ и ЕХЗ. Эти марки сталей являются ос­новными марками мартенситных сталей как дешевые и не содержащие дефицитных материалов. Сталь ЕХ, магнитные свойства которой несколько хуже, чем стали ЕХЗ, является зато более мягкой в механическом отношении и применяется в тех случаях, когда требуется сложная обработка магнитов резанием.

Хромистые стали в интервале температур 650—900° С под­вержены магнитной порче. Порча может возникнуть, например, при изготовлении магнитов путем гибки полос в горячем состоя­нии. Для устранения порчи технологический процесс предусмат­ривает двойную термообработку [64]:

Нормализация при 1050—1100° С с пятиминутной выдерж­кой с момента прогрева и последующее охлаждение в масле или на воздухе; этой операцией устраняется магнитная порча стали;

Закалка на мартенсит при 850° С с десятиминутной вы­держкой с. момента прогрева и последующее охлаждение в масле.

В ряде случаев оптимальные магнитные свойства получают­ся только в результате более сложной термообработки, чем ука­занная.

Стабильность свойств хромистых сталей можно охарактери­зовать следующими данными: после кипячения в течение 6 ч коэрцитивная сила уменьшается на 3—5%; для стали, размаг­ниченной на 5%, изменение свойств за 10 лет составляет не­сколько процентов, без размагничивания Вт уменьшается за тот же срок на 35%.

Вольфрамовая сталь Е7В6. Магнитные свойства этой стали несколько выше, чем хромистой. Однако высокая стоимость и дефицитность вольфрама почти полностью исключают примене­ние стали Е7В6.

Вольфрамовая сталь подвержена порче как в результате от­пуска при 750—900° С, так и в результате увеличения времени выдержки при закалке сверх оптимальной. Восстановление свойств достигается нормализацией при температуре 1200— 1250° С. Закалка производится в воде или в масле при 820— 860° С.

Структурное старение вольфрамовой стали весьма велико, что требует ее остаривания путем кипячения в воде в течение 15—20 ч. Магнитная стабильность стали высокая, после размаг­ничивания на 5—10% она в дальнейшем теряет не более 0,5— 1 % потока.

Кобальтовые стали ЕХ5К5 и ЕХ9К15М. Кобальтовые - стали обладают наилучшими из мартенситных сталей магнитными свойствами. Однако они весьма дороги, требуют сложной (трой­ной) термической обработки, трудно обрабатываются из-за зна­чительных твердости и хрупкости, и поэтому не находят широко­го применения.

Кобальтовые стали более подвержены порче, чем вольфра­мовая и хромистые стали. После нормализации при 1150— 1250° С кобальтовая сталь подвергается промежуточному отжи­гу при 750—800° С и только после этого закалке. Такая «трой­ная» обработка обеспечивает получение структуры с оптималь­ными магнитными свойствами.

Для структурной стабилизации кобальтовые стали требуют длительности выдержки 25—30 ч при 100° С, т. е. в несколько раз больше, чем хромистые и вольфрамовые стали. Магнитная стабильность кобальтовых сталей очень высокая.

§ 25. ПРОЧИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Выше были рассмотрены наиболее широко применяемые в настоящее время материалы для постоянных магнитов. Кроме них находят применение пластически деформируемые сплавы и сплавы на основе благородных металлов.

Пластически деформируемые сплавы. Эти сплавы обладают высокими в отношении механической обработки свойствами. Они хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на всех металлорежущих станках. Из пластически деформируе­мых сплавов можно изготовить ленты, пластины, листы, прово­локу. В отдельных случаях (при изготовлении мелких магнитов сложной конфигурации) целесообразно применять металлокера - мическую технологию. Марок пластически деформируемых сплавов много, и физические процессы, которым они обязаны высокими магнитными свойствами, различны.

Наибольшее распространение имеют сплавы кунифе (Си— Ni—Fe), кунико (Си—Ni—Со) и викаллой (Со—V—Fe).

Рекомендуемая технология сплавов кунифе и кунико заклю­чается в следующем [Л. 27]. Сплавы выплавляют в высокочас­тотной вакуумной печи и отливают в малые слитки диаметром около 70 мм. Слитки проковывают до размера 35 мм с нагревом до 1000° С и после этого прокатывают до толщины 6 мм. Затем сплав подвергают термической обработке, которая состоит в нагреве в водородной печи до 1400° С в течение 8 ч с охлажде­нием в воде и в отпуске при 650° С в течение 3 ч.

Далее следует протяжка со степенью деформации в 80—90% и отпуск^при 600° С. Очевидно, что такая технология является доступной только для заводов с высокой степенью оснащенно­сти оборудованием.

Сплав кунифе в зависимости от химического состава имеет разные названия и свойства. Наибольшее распространение по­лучил сплав кунифе I (магнетофлекс), состоящий из 60% Си, 20% Ni и 20% Fe. Сплавы кунифе анизотропны, намагничивают­ся в направлении прокатки, часто применяются в виде проволо­ки малых толщин, а также штамповок.

Сплавы кунико изотропны. Ввиду большого значения Нс и относительно малого Вг их следует применять при изготовлении 6* магнитов сложной конфигурации в разомкнутых цепях. Кунико дороже сплава Al—Ni—Со в 5—6 раз.

Викаллоем называются сплавы, содержащие около 50% Со, 8—15% V и остальное Fe. В зависимости от химического соста­ва, термической и механической обработок свойства этих спла­вов меняются в очень широких пределах, приближаясь (в ряде случаев) по величине (ВЙ)тах к сплаву ЮНДК24. До оконча­тельной термической обработки механические свойства викал - лоев приблизительно аналогичны свойствам меди, а после тер­мической обработки — стали. Основной недостаток этих спла­вов — большая стоимость.

Викаллои применяют для изготовления очень мелких магни­тов сложной или ажурной конфигурации (викаллой I), а также для изготовления высокопрочной магнитной ленты или проволо­ки (викаллой II).

Некоторые данные пластически деформируемых сплавов приведены в табл.25.

Таблица 25

Некоторые свойства пластически деформируемых сплавов для постоянных магнитов

* В направлении прокатки. ** Остальное железо.

Сплавы на основе благородных металлов. К таким сплавам относятся сплавы серебра с марганцем и алюминием (силма - нал) и сплавы платины с железом (77,8% Pt и 22,2% Fe) или платины с кобальтом (76,7% Pt и 23,3% Со). Материалы этой группы, особенно платиновые, отличаются очень высокой стои­мостью и находят применение только в виде сверхминиатюрных магнитов весом в несколько миллиграммов. Для изготовления магнитов из всех сплавов этой группы широко применяется ме - таллокерамическая технология.

Сплавы на основе драгоценных металлов характеризуются чрезвычайно высокими значениями коэрцитивной силы. Для сплава Pt—Со jHc = 5000 э; для сплава силманал jHc=6000 э. По величине (ВН)тах сплав Pt—Со можно сравнивать со сплавом ЮНДК24, т. е. (Јtf)max « 3,8- 10s гс-э. В литературе[65] имеют­ся данные о том, что получен кобальтплатиновый сплав, у кото­рого (ВН)тах=9ДЫ06 гс-э. У сплава силманал Вг~520 гс, поэтому (BH)max ~ 0,075-106 гс-э, что приблизительно в де­сять раз меньше, чем у самого дешевого сплава Fe—Ni—Al.

Очень высокие значения jHc сплавов из благородных метал­лов приводят к тому, что магниты из этих материалов являются чрезвычайно стабильными. Это определяет и области примене­ния данных сплавов. Они используются в точных электроизме­рительных приборах с подвижными магнитами в качестве «магнитных» пружинок и т. п.