Общие сведения о магнитных свойствах материалов

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Намагничивание вещества характеризуют: магнитная индукция В (Тл), напряженность магнитного поля Н (А/м), намагниченность J (А/м), магнитная восприимчивость k_m, магнитная проницаемость μ, магнитный поток Ф (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей:

где μ₀ = 4π·10⁷ – магнитная постоянная, Гн/м.

Объединив выражения, получим:

где μ_r = 1 + k_m или μ_r = В/(μ₀Н) – относительная магнитная проницаемость.

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), антиферромагнитные (антиферромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетики - вещества, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т.е. имеют k_м< 0 (от 10^-4 до 10^-7). Диамагнетизм присущ всем веществам, но выражен слабо, к диамагнетикам относятся все инертные газы, переходные металлы (бериллий, цинк, свинец, серебро), полупроводники (германий, кремний), диэлектрики (полимеры, стекла), сверхпроводники.

Парамагнетики - вещества, которые имеют k_м> 0 (от 10^-2 до 10^-5) и слабо намагничиваются внешним магнитным полем. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (калий, натрий, алюминий), переходные металлы (молибден, вольфрам, титан, платина) с недостроенными электронными оболочками атомов.

Ферромагнетики - вещества между атомами которых возникает обменное взаимодействие. В результате такого взаимодействия энергетически выгодным в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) или антипараллельная (антиферромагнетизм). Пол действием обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствии внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие длится только до определенной температуры, которая называется температурой точки Кюри. Выше этой температуры домены разрушаются, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные материалы легко намагничиваются в слабых магнитных полях,характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (до 10⁶), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний относятся к ферромагнитным металлам.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетоков. При температуре выше некоторой критической, которая получила название температуры Нееля (аналогична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается, и он переходит в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако магнитные моменты ионов не полностью компенсируются, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру. Ферримагнетики наряду с ферромагнетиками относятся к сильномагнитным материалам.

4.2. Процессы технического намагничивания и перемагничивания ферромагнитных материалов

В ферромагнитных материалах реализуется такая доменная структура, для которой полная свободная энергия системы является минимальной. Полная свободная энергия состоит из следующих основных видов энергий: магнитостатической, магнитной анизотропии, магнитострикции, обменной. Минимум магнитостатической энергии, связанной с полями рассеивания или с возникновением полюсов на концах магнита, имеет место в том случае, когда магнитный поток замкнут внутри материала. Однодоменное состояние является невыгодным, так как приводит к возникновению магнитных полюсов, которые создают внешнее поле (поле рассеивания) Магнитостатическая энергия уменьшается, если тело состоит из нескольких доменов, и становится равной нулю при образовании замыкающих доменов (рис.18: 1 – замыкающие домены; 2 – основные домены), магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.

Рис.18

Деление образца на домены ограничивается энергией, затрачиваемой на образование границ между доменами. Линейный размер доменов от 10^-2 до 10^-5 см. Толщина доменной границы составляет несколько сотен нанометров.

При действии внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, совпадающее или близкое к направлению напряженности поля. Зависимость магнитной индукции ферромагнитного вещества от напряженности внешнего магнитного поля называют основной кривой намагничивания (рис.19).

Рис.19

Основную кривую намагничивания можно разделить на несколько учатков, которые характеризуются определенными процессами намагничивания для ферромагнетиков. В области слабых полей (область I) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в основном из-за обратимых процессов, которые обусловлены смещением границ доменов.

Кривая намагничивания в области II характеризуется тем, что происходит неупругое смещение границ доменов, т.е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (область III) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопроизвольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует техническому насыщению (конец области III). Последний участок кривой (областьIV) соответствует слабому росту индукции с увеличением напряженности поля. В этом случае увеличение индукции происходит благодаря росту намагниченности домена, т.е. ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направление которых не совпадает с направлением внешнего поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения.

Используя основную кривую намагничивания можно определить различные виды магнитной проницаемости (рис.20).

Рис.20

Различают абсолютную магнитную проницаемость μ_а = В/Н, относительную

μ = В/μ₀Н, начальную μ_rн, максимальную μ_max магнитную пронициемость. Начальная и максимальная магнитные проницаемости определяются как тангенсы угла наклона касательной к основной кривой намагничивания на участках I и III.

Зависимость магнитной проницаемости от напряженности поля представлена на рис.21.

Рис.21

Начальная магнитная проницаемость материала возрастает с увеличением температуры и при температуре Кюри имеет максимум.

Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменения магнитной индукции от напряженности магнитного поля (рис.22).

Рис.22

При уменьшении Н до нуля в образце имеется остаточная индукция B_r. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае Н_с называется коэрцитивной (задерживающей) силой. По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением коэрцитивной силы и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвердые (с большой коэрцитивной силой и относительно небольшой магнитной проницаемостью). Значение индукции насыщения принято определять в поле Н_s равным 5Н_с. Кривая изменения индукции при изменении напряженности магнитного поля от +Н_s до –H_s и обратно называется предельной петлей гистерезиса, по ней определяют коэрцитивную силу Н_с, индукцию насыщения В_s, остаточную индукцию B_r.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна. Кристалл железа в направлении (100) ребра куба намагничивается до насыщения при значительно меньшей напряженности магнитного поля по сравнению с направлением (111) диагонали куба. Удельная энергия, которую необходимо затратить на перемагничивание из направления легкого намагничивания в направление трудного намагничивания называется константой кристаллографической магнитной анизотропии - К.

В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Намагничивание в полях напряженностью меньше Н_S называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью - истинным намагничиванием, или парапроцессом.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание.

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н < Н_S) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (Н > Н_S) - объемный.

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется. В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов), и вызывает большие магнитострикционные явления.

При техническом намагничивании ( Н < Н_S ) размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину l = ± Dl / l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Величина и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях Н > Н_S увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции парапроцесса l_S. Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин (сплавы железо - никель). Явление магнитострикции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магнитострикционных приборов.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля, что внешне проявляется в нагревании материала. Потери в магнитном поле характеризуются удельными магнитными потерями Р_уд или тангенсом угла магнитных потерь tgδ_m.

По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного поля. Мощность потерь, расходуемая на гистерезис: ,

где η – коэффициент, зависящий от свойств материала; В_max – максимальная индукция в течение цикла, Тл; n =1,6…2,0 – показатель степени, значение которого зависит от В; f – частота; v – объем образца, см³.

Динамические потери, которые учитывают в слабых магнитных полях, обусловлены вихревыми токами, а также отставаниеммагнитной индукции от изменения напряжености магнитного поля. Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, и сильно зависят от электрического сопротивления материала (с увеличением сопротивления потери уменьшаются). Мощность потерь на вихревые токи:

где ξ – коэффициент, зависящий от типа магнитного материала и его формы.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики М_S, Н_S , l_S, К и температура Кюри зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики m, Н_С, В_r, Н_S зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение Н_S) химически чистые ферромагнитные материалы и однофазные сплавы на их основе. Количество дефектов должно быть минимальным (например границы кристаллов), что обеспечивается крупнокристаллической структурой. Если размер кристалла ферромагнетика приближается к размерам доменов, то петля гистерезиса принимает прямоугольную форму. Нежелательны остаточные напряжения, применяется термическая обработка - отжиг.

Магнитомягкие материалы

Намагничиваются в слабых полях (Н< 5 10⁴ А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (m_Н < 88 мГн/м и m _мах < 300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание. Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, листов статоров и роторов электрических машин.

По величине потерь на перемагничивание определяются допустимые рабочие частоты магнито-мягких материалов и они подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные в свою очередь подразделяются на низкочастотные с высокой индукцией насыщения В_S и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью m (начальной и максимальной).

Материалы с высокой индукцией насыщения: железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Их применяют для магнитных полей напряженностью от 10² до 10⁴ А/м. Наиболее чистое от углерода и примесей - карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Fе(СО)₅ - карбонила, с последующим спеканием порошка железа. Электролитическое железо и карбонильное - дорогие и используются только в небольших изделиях. Техническое железо содержит больше примесей, получают его прокатом, а затем отжигают в вакууме или в среде водорода.

Стали нелегированные электротехнические имеют низкое удельное электрическое сопротивление и большие тепловые потери при перемагничивании. Электрическое сопротивление электротехнических сталей повышают легированием кремнием, предельное содержание кремния не выше 5,1%, так как при его большем содержании стали становятся более хрупкими и непригодны для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, с последующим отжигом в среде водорода, снимающего остаточные напряжения и способствующего укрупнению зерна. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (сталь приобретает текстуру).

Наибольшее значение магнитной индукции насыщения имеют высоколегированные кобальтовые сплавы (железо - кобальт - ванадий), например, сплав 50КФ2 обладает индукцией насыщения 2,3 Тл в магнитном поле напряженностью 8 кА/м; железо - 1,5 Тл.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (меньше 100 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью – пермаллои. Это железо – никелевые сплавы и характеризуются тем, что значения магнитной анизотропии и магнитострикции равны нулю; это является причиной особенно легкого намагничивания пермаллоев. В пермаллоях содержание никеля от 45 до 80% , m_н больше 80 мГн/м; m_мах больше 300 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях; повышенное удельное электрическое сопротивление (по сравнению с чистыми металлами) позволяет их использовать при частотах до 25 кГц; малая Н_с, меньше 16 А/м, уменьшает потери на гистерезис. Пермаллои отличаются хорошей пластичностью - прокатываются в тонкие листы и проволоку. Магнитные свойства сильно зависят от деформации - магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает, поэтому обязательна термическая обработка. Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (большая остаточная индукция, близкая к индукции насыщения). Существует два способа создания материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается холодной пластической деформацией при прокатке с высокими степенями обжатия. Магнитная текстура создается в результате охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка), при этом векторы напряженности ориентируются вдоль поля и при последующем намагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, уменьшает чувствительность к механическим напряжениеям и снижает индукцию насыщения. Недостатками пермаллоев является их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

Альсиферы – тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа. Альсиферы дешевле пермаллоев, но обладают высокая твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсиферов изготавливают методами литья или прессования из порощков.

Магнитные сплавы с особыми свойствами.В ряде случаев требу­ются материалы с повышенным постоянством магнитной прони­цаемости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свой­ствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнитным потоком, в частности в некоторых дросселях, транс­форматорах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборов и др. Магнитная проницаемость может быть обусловле­на обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость постоянна при обратимых процессах намагничи­вания, следовательно, такие материалы должны обладать обрати­мой проницаемостью в различных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемо­сти обладают материалы на основе Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co спла­вов. Тройной сплав (25% Со, 45% Ni, остальное - Fe) называют перминваром. Магнитная проницаемость перминвара после специ­альной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остается постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Для различных типов сердечников, полюсов электромагнитов, работающих в магнитных полях с напряженностью 24000 А/м и выше, необходимы материалы с особо высокой индукцией насы­щения. Такими свойствами обладает Fe-Co - сплав пермендюр, который состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (осталь­ное - железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл). К числу недостатков пермендюра относится малое удельное электрическое сопротивление, кото­рое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимос­тью магнитной проницаемости от температуры для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изго­тавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность свойств магнитных цепей с постоян­ным магнитом. С увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре основного магнита снижается. Это изменение ком­пенсируется возрастанием магнитного сопротивления шунта. Тер­момагнитный материал шунта должен иметь магнитную проница­емость, которая сильно зависит от температуры в рабочем диапа­зоне от -70 до +80 °С, и точку Кюри, близкую к рабочей температуре установки. В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый - кальмаллой, железо-никелевый - термаллой, железо-никель-хромовый - компен­сатор.

Аморфные магнитные материалы (АММ).Особенностью АММ является от­сутствие в них дальнего порядка в расположении атомов. Однако, несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных мо­ментов. АММ во многом подобны стеклам и металлическим рас­плавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществиться.

Аморфная структура получа­ется при скорости охлаждения расплава до 10⁵... 10⁸ K/c, в изделиях в виде проволоки или ленты.

Для повышения характеристик термическую обработку АММ проводят во внешнем магнитном поле, что обеспечивает более высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления. Производ­ство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Металлические магнитомягкие АММ состоят из 75...85% смеси (или одного) из металлов - железа, ко­бальта, никеля и 15... 25% неметаллов (легкоплавкого компонента-стеклообразующего). Перспективными высокопроницаемыми ма­териалами являются аморфные сплавы железа и никеля и кобальта. Для улучшения отдельных свойств АММ дополнительно ле­гируют хромом, молибденом, алюминием, марганцем, ванадием и др. Неметаллы ухудшают магнитные и температурные параметры АММ, но увеличивают удельное электрическое сопротивление.

Аморфные магнитные материалы используются в технике маг­нитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразо­вателях постоянного напряжения на частотах до нескольких мега­герц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с вы­сокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД.

Магнитодиэлектрики. Эти материалы состоят из конгломерата мелкодисперсных частиц ферро- или ферримагнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком - связующим элементом. Благодаря тому, что час­тицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики облада­ют высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вих­ревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницае­мости. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечива­ется жидким стеклом, различными смолами, например полистиро­лом, фенолформальдегидной смолой.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибдено­вого пермаллоя.

Высокочастотные, при высоких частотах растут тепловые потери, что сопровождается ухудшением магнитных свойств, уменьшением магнитной проницаемости. Эффективный способ снижения тепловых потерь - применение материалов с высоким электрическим сопротивление - диэлектриков. К таким материалам относятся - ферриты.

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочета­ние высоких магнитных параметров с большим электрическим со­противлением, которое превышает сопротивление ферромагнит­ных металлов и сплавов в 10³... 10¹³ раз, и, следовательно, они име­ют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнит­ной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe₂O₃, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мп²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺ и др. Кристаллическая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала - благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку.

Удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 10¹² Ом/м. Относительная магнитная проницаемость изменяется в диапазоне - от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения - меньше 0,4 Тл; относительно большая коэрцитивная сила - до 180 А/м; невысокая температура точки Кюри; большая чувствительность к остаточным напряжениям; обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, трудны в обработке.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) применяются в устройствах автоматического управления и вычислительной техники. Важным показателем является коэффмцмент прямоугольности k_пу, который определяется отношением остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

k_пу = B_r / B_max . В качестве ферритов с ППГ используются магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели, легированные ионами цинка, кальция, меди, натрия. Коэффициент прямоугольности для них - k_пу = 0,9…0,94; остаточная индукция B_r B_r = 0,15…0,25 Тл, температура Кюри Т_к = 110…250⁰С (для магниевых ферритов),Тк = 550…630⁰С (для литиевых ферритов).

Ферриты, применяемые для устройств, работающих на высоких частотах имеют сложный состав из четырех и более оксидов: оксида лития, бария. Ферриты -гранаты имеют кристаллическую решетку минерала граната, их формула 3Ме₂О₃ 5Fе₂О₃ , в качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ), применение находят поли- и монокристаллы. Поликристаллические ферриты-гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния, самария. Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготавливают из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формуле R FeO₃, R - редкоземельный металл (иттрий, гадолиний, самарий), они имеют орторомбическую кристаллическую структуру. У них обнаружена специфическая доменная структура - цилиндрические магнитные домены, которые при намагничивании образуют лабиринтовую структуру доменов с высокой подвижностью, что повышает скорость обращения информации в запоминающих устройствах.

4.4. Магнито-твердые материалы

Используют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей. Они намагничиваются в сильных полях Н больше 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию 0,5 - 1 Тл и коэрцитивную силу до 560 кА/м.

Постоянные магниты имеют рабочий зазор; следовательно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью H_d , снижающее индукцию внутри магнита до B_d, котрая меньше остаточной индукции B_r . На рис.23 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов.

Рис.23

Удельная магнитная энергия (Дж/м³) поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита: . Индукция разомкнутого магнита B_d уменьшается c увеличением зазора. При замкнутом магните B_d = B_r – магнитная энергия равна нулю, так как Н_d = 0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равнв коэрцитивной силе материала Н_с , а B_d = 0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия W_d = 0. При некоторых значениях B_d и Н_d энергия достигает максимального значения: Величина W_max является важнейшей характеристикой магнитотвердого материала.

Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости: Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B_r , коэрцитивная сила Н_с и коэффициент выпуклости γ.

Свойства магнитотвердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами, вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность ограничивает применение магнитотвердых материалов с неравновесной структурой.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на литые высокоэрцитивные сплавы, металлокерамические материалы, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных элементов.

Литые высококоэрцитивные сплавы. Наибольшее распростра­нение получили магнитотвердые материалы на основе железо-ни­кель-алюминиевых и железо-никель-кобальт-алюминиевых спла­вов, легированных различными добавками.

Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливает­ся механизмом дисперсионного твердения (иногда такие сплавы называются сплавами дисперсионного твердения). При высоких тем­пературах (1200... 1300°С) растворимость элементов не ограниче­на, и сплавы Fe-Ni-Al находятся в однородном состоянии (α-фаза). При медленном охлаждении до определенной температуры проис­ходит дисперсионный распад равновесной фазы на две (α₁ и α₂) фазы, причем α₁-фаза, по своему составу близкая к чистому желе­зу, является сильномагнитной, фаза α₂ состоит из Ni-Al и являет­ся слабомагнитной. Таким образом, сильномагнитная фаза α₁ в виде однодоменных включений распределена в немагнитной фазе α₂. Материалы, имеющие такую структуру, обладают большим значе­нием коэрцитивной силы.

Высококоэрцитивное состояние сплавов Fe-Ni-Al получается при концентрации 20... 33% никеля и 11... 17 % алюминия. Для улуч­шения магнитных свойств сплавы легируют. Легирование медью повышает коэрцитивную силу и улучшает механические свойства, но приводит к снижению остаточной индукции. Легирование ко­бальтом позволяет существенно увеличить коэрцитивную силу и по­вышает индукцию насыщения и коэффициент выпуклости. В каче­стве легирующих элементов используются также титан, кремний и ниобий. Коэрцитивная сила таких сплавов Н_с = 50 кА/м, а магнитная энергия W_max = 12 кДж/м³.

Магнитотвердые материалы типа Al-Ni-Co представляют со­бой сплав железа с никелем (12... 26 %), кобальтом (2...40%) и алю­минием (6...13 %), содержащий для улучшения магнитных свойств легирующие добавки меди (2...8 %), титана (О... 9%) и никеля (О...3%). Сплавы, содержащие более 15 % кобальта, подвергают тер­момагнитной обработке, которая заключается в охлаждении спла­ва от высоких температур 1250... 1300°С в сильном магнитном поле, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магнитоанизотропным. Изотропные сплавы имеют магнитную энергию W_max = 6 кДж/м³, анизотропные – W_max = 16 кДж/м³.

Для улучшения магнитных свойств в сплавах создают крис­таллическую текстуру, путем направленной кри­сталлизации сплава (особые условия охлаждения сплава). В ре­зультате возникает микроструктура в виде ориентированных стол­бчатых кристаллов. При этом наблюдается увеличение всех магнитных параметров. Магнитная энергия повышается на 60...70% по сравнению с обычной кристаллизацией и достигает 40 кДж/м³.

Изделия из сплавов получают в основном методом литья. Не­достатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твер­дость, поэтому обработка их на металлорежущих станках затруд­нена. Механической обработке в виде грубой обдирки резанием с применением твердосплавных резцов поддаются сплавы, не содер­жащие кобальта. Детали из всех сплавов можно шлифовать на плос­кошлифовальных или круглошлифовальных станках в два приема: грубая шлифовка до термической обработки, чистовая - после тер­мической обработки. Для грубой обработки применяют также элек­троискровой метод обработки.

Металлокерамические и металлопластические магниты. Они со­здаются методами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать процесс производства, получать изделия со стро­го выдержанными размерами.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодисперсных порошков сплавов ЮНДК (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К – кобальт), а также сплавов Сu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe применением прессования и дальнейшего спека­ния при высоких температурах.

Так как металлокерамические магниты содержат воздушные поры, то их магнитные свойства уступают литым материалам. Как правило, пористость (3...5%) уменьшает остаточную индукцию В_rи магнитную энергию W_max на 10... 20% и не влияет на коэрцитив­ную силу Н_c. Механические свойства их лучше, чем литых магни­тов. Металлопластические магниты изготовлять проще, чем метал­локерамические, но свойства их хуже. Металлопластические маг­ниты получают из порошка сплавов ЮНД или ЮНДК, смешанного с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смо­лой) путем прессования.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение полу­чили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронцие­вого) феррита BaFe₁₂O₁₉ (ВаО-6Fе₂О₃) и кобальтового феррита CoFe₂O₄, (CoO-Fe₂O₃). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый - структуру природного минерала магнито-плюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая на­ряду с мелкозернистой структурой приводит к повышенным зна­чениям коэрцитивной силы (до 350 кА/м).

Все магниты, на основе гексагональных ферритов обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, виб­раций и ударном воздействии, их можно использовать в магнит­ных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 10⁶...10⁹ Ом·м).

Сплавы на основе редкоземельных металлов. Интерметалличес­кие соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ) це­рием Се, самарием Sm, празеодимом Рr, лантаном La и иттрием Y - типа R_x Со_y, где соединение R-P3M обладает очень высокими зна­чениями коэрцитивной силы и магнитной энергии. Из этой группы наиболее важны соединения типа RCo₅ и R₂Co₁₇, которые облада­ют наибольшей магнитной анизотропией, значительной спонтан­ной намагниченностью и высокой температурой Кюри. Соедине­ния RCo₅ нестабильны и распадаются на две или большее количе­ство фаз. Многофазность, высокое значение магнитной анизотропии и магнитострикции являются причинами появления высокой коэр­цитивной силы.

Технология получения магнитов из РЗМ заключается в спека­нии порошков в присутствии жидкой фазы или литья. Жидкая фаза создается благодаря тому, что РЗМ берется в избытке.

Перспективы использования таких сплавов велики. Основные недостатки сплавов: плохие механические свойства (высокая хруп­кость), использование дефицитных материалов и высокая стоимость.