2. Стали и сплавы для постоянных магнитов (магнитнотвердые сплавы)

От материалов для постоянных магнитов требуется высокое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции, а также их постоянство во времени. Остальные магнитные характеристики для этой группы сплавов практического значения не имеют. Рассмотрим высококоэрцитивные сплавы, используемые для постоянных магнитов.

Углеродистая сталь применяется для изготовления небольших по размеру магнитов. Обычно для этой цели используется сталь которая после закалки имеет

Хромистая сталь или (табл. 93) имеет приблизительно такие же магнитные свойства, что и углеродистая.

Эти стали обладают большой прокаливаемостью, и поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров.

Кобальтовые стали (содержащие наряду с хромом 5 или обладают наиболее высокими магнитными свойствами по сравнению с другими сталями.

Однако дефицитность кобальта и то обстоятельство, что более высокие магнитные свойства достигаются в сплавах

Таблица 93. (см. скан) Состав стали для постоянных магнитов, % (ГОСТ 6862-71)

(менее дефицитных), крайне ограничили применение кобальтовых сталей.

Сплавы остальное — железо так называемого сплава «Альнико» или в них можно получить коэрцитивную силу 400—500 Э при остаточной индукции . Столь высокое значение магнитных свойств позволяет изготавливать мощные магниты весьма малых габаритов и массы, что имеет большое значение для приборостроения (рис. 383).

Рис. 383. Размеры магнитов из различных магнитных материалов одинаковой магнитной мощности

Рассмотрим подробнее конкретные марки магнитных сталей и сплавов, применяемых промышленностью для изготовления магнитов, и режимы термической обработки, обеспечивающие структурное состояние, обладающее наилучшими магнитными характеристиками.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из предварительной нормализации (воздушной закалки), закалки с обычной температуры в воде или масле и низкого отпуска (желательно с предварительной обработкой холодом).

Режимы термической обработки и гарантируемые магнитные свойства приведены в табл. 94.

Первая, высокая воздушная закалка (или нормализация), необходима для растворения крупных включений карбидных фаз, которые могли образоваться при предшествующем отжиге и которые при нормальном нагреве под закалку (указывается в третьем столбце табл. 94) могут не растворяться в аустените, что не обеспечит получения высоких магнитных свойств.

Обработка холодом устраняет парамагнитный остаточный аустенит и тем самым повышает магнитные свойства; отпуск при хотя немного и снижает коэрцитивную силу, но стабилизирует ее величину во времени.

Стальные магниты изготавливают таким же образом, как и другие стальные детали, т. е. ковкой с последующим отжигом и механической обработкой.

Как уже отмечалось, более высокие магнитные свойства можно получить в сплавах однако эти сплавы не поддаются механической обработке, и поэтому их следует изготавливать или отливкой или методами порошковой металлургии.

Таблица 94. (см. скан) Термическая обработка и магнитные свойства магнитных сталей (ГОСТ 6862-71)

Экспериментально было показано, что коэрцитивная сила для сплавов с разным содержанием имеет максимум примерно при причем чем выше содержание никеля в сплаве, тем выше абсолютное значение коэрцитивной силы: у сплавов с оно достигает 650 Э.

Остаточная индукция с увеличением содержания никеля уменьшается, хотя максимальная магнитная энергия (произведение наибольшая при Поэтому практически применяют сплавы и с различным (в зависимости от требуемых значений магнитных свойств) содержанием никеля. Составы промышленных сплавов приведены в табл. 95.

Таблица 95. (см. скан) Состав и свойства литых магнитных сплавов

Исключительно высокую коэрцитивную силу сплавов и их необычное поведение при термической обработке изучали неоднократно. В ряде случаев сплавы достигают максимальной коэрцитивной силы уже в литом состоянии или после нагрева между и точкой плавления и последующего охлаждения с регламентированной скоростью (например, 10-20 °С в секунду) (рис. 384, а). В то же время в результате резкой закалки получается пониженная коэрцитивная сила, которую не удается повысить отпуском до значений, получаемых при закалке со средней скоростью охлаждения (рис. 384, б). Скорость охлаждения, обеспечивающая получение максимальной коэрцитивной силы, называется критической скоростью охлаждения.

Согласно современным представлениям, получение высокой коэрцитивной силы при закалке следует связывать с процессом распада однофазного твердого раствора, существующего у сплавов при высоких температурах (после нагрева под закалку).

Рис. 384. Коэрцитивная сила сплава в зависимости от: а — скорости охлаждения при закалке с 1250 °С; б — температуры отпуска

Исходный однофазный сплав (-фаза) с решеткой объемноцентрироваиного куба в процессе охлаждения с высокой температуры полностью распадается с образованием высокодисперсных ферромагнитных фаз также имеющих объемно-центрированные, кристаллические решетки. По химическому составу фазы существенно различны: Рх-фаза близка к железу, -фаза представляет собой твердый раствор на основе химического соединения Обе фазы имеют упорядоченную кристаллическую структуру.

Так как решетки обеих фаз однотипны, а параметры их близки друг к другу, то между ними сохраняется прочная когерентная связь и свойственное такому роду связи напряженное состояние по поверхностям раздела фаз.

Подобного типа гетерогенная структура, состоящая из и -фаз с ненарушенной когерентной связью, обладает наиболее высокой коэрцитивной силой.

Магнитные свойства сплавов в сильной степени зависят от массы магнита и его химического состава. Чем массивнее магнит, тем при данном химическом составе медленнее приходится его охлаждать, чтобы не образовывались трещины. Но при этом скорость охлаждения может оказаться меньше «критической» и магнитные свойства не достигнут своего максимального значения.

Наивысшие магнитные свойства достигаются при (остальное железо). Никель увеличивает критическую скорость охлаждения, а алюминий ее уменьшает.

Применяют также сплавы с добавками кремния Такие сплавы обладают очень высокой коэрцитивной силой (до 640 Э) при умеренной индукций и пониженной критической скоростью охлаждения, что очень существенно при изготовлении массивных магнитов. Добавка меди к сплавам позволяет частично заменить дорогой никель и улучшить свойства сплава. Введение в сплав с до повышает без снижения

Наиболее высокие магнитные свойства достигаются при одновременном введении меди и кобальта. Последний повышает коэрцитивную силу и остаточную индукцию. Особое внимание следует уделить высококобальтовым сплавам Со), которые подвергаются так называемой закалке в магнитном поле. Сущность этой закалки заключается в том, что нагретый до температуры закалки (около 1300 °С) магнит быстро помещают между полюсами электромагнита (напряженность поля должна быть не менее и так охлаждают до температуры ниже

Дальнейшее охлаждение проводят обычно на воздухе. После такой обработки магнит обладает резкой анизотропией магнитных свойств. Магнитные свойства очень высоки только в том направлении, в котором действовало внешнее магнитное поле в процессе закалки.

Рассмотрим явления, происходящие при термической обработке в магнитном поле. Как известно, процесс перехода сплава из парамагнитного состояния в ферромагнитное (в точке Кюри) заключается в возникновении в нем областей спонтанного намагничивания. Если в это время на сплав подействовать сильным магнитным полем, то в микрообъемах сплава произойдет пластическое деформирование, вызванное поворотом этих областей, стремящихся ориентироваться вдоль силовых линий внешнего магнитного поля.

Поворот областей спонтанного намагничивания (т. е. пластическая деформация) может произойти тем легче, чем выше в это время температура сплава, т. е. чем выше его точка Кюри. Присадка кобальта сильно повышает эту температуру. Поэтому термомагнитная обработка сплавов с большими добавками кобальта дает значительный эффект.

В последнее время начинают применять различные магнитные деформируемые текстурованные сплавы. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются резанием, и их выпускают главным образом в виде полос, лент и т. д. В качестве такого сплава можно указать, например, на викаллой. Один из типов викаллоя ( — остальное) дает остаточную индукцию около при коэрцитивной силе около

Получили также применение высококоэрцитивные сплавы на основе соединений редкоземельных металлов.