Марки матеріалів для постійних магнітів

В сучасній техніці застосовують десятки марок сталей і сплавів і композицій для виготовлення постійних магнітів.

У спеціальних електричних машинах найчастіше застосовують такі групи матеріалів як сплави альні, альніко, альніко з напрямленою кристалізацією, феритові і інтерметалеві з’єднання на основі рідко-земельних елементів і кобальту.

– сплави альні – на основі Fе-Nі-Al – відомі з 1932 р., і для того часу мали унікальні властивості Н_с = 35, 8 к А/м; В_r = 0, 7 Тл; (ВН)_max = 11, 1 Тл× кА/м.

Удосконалення сплаву полягало в підборі температур охолодження і додаткового легування. І сьогодні ці сплави (стандартизовані в 1972 р.) відомі під марками ЮНД4, ЮНД8, ЮНТС.

– Сплави альніко – отримані легуванням альні кобальтом, тобто на основі Fе-Nі-Al, Со) мають нижчу на 15 ¸ 20 % індукцію і (ВН)_max» 16 Тл× кА/м.

– Магніко – той же сплав альніко, але охолоджений в магнітному полі напруженістю 1200 ¸ 2400 А/см, що забезпечило магнітну анізотропію і значно підняло енергію до 30 ¸ 40 Тл× кА/м.

– Найновіші сплави альніко, створені на основі не тільки магнітної, але й кристалічної анізотропії в результаті напрямленої кристалізації при литті з додаванням титану, ніобію та деяких інших елементів з найкращими показниками для цієї групи (ВН)_max = 96 Тл× кА/м, включають 22 марки з рівновісьною, монокристалічною, стовп­частою напрямленою кристалізацією) структури.

Це, відповідно, ЮНДК15, ЮНДК18С, ЮН14ДК24Т2, ЮН13ДК25БА, ЮНДК35Т5АА та інші.

Зарубіжний аналог, відповідно, Альніко VII i VIII – США, Тикополь 750 – ФРГ, 100Х – Великобританія, та N KS-00 – Японія.

Магнітні властивості, вказані в стандартах, гарантуються при серійному виготовленні. В лабораторних умовах виготовлені сплави на базі альніко з (ВН)_max = 107 Тл× кА/м.

Ці сплави мають досить добрі характеристики і на сьогодні.

Вони можуть працювати при температурі до 500 °С без істотного зниження магнітних властивостей (всього на» 10 %).

Зміни індукції в інтервалі температур-70 ¸ +100 °С, є в межах = 0, 02 ¸ 0, 07 % / °С і не є незворотними.

Основні недоліки.

* Магніти альніко з найкращими магнітними характеристиками, зі стовпчастою структурою і монокристалічні, можуть виготовлятися тільки найпростіших форм – призм і циліндрів. Такі самі магніти з рівновісьною і полікристалічною структурою (з дещо гіршими характеристиками) можуть виготовлятися дещо складніших форм.

* Низькі магнітні властивості, низька міцність (межа текучості 5¸ 16 кг/мм².

* Схильність до утворення тріщин, тому виготовляються магніти або методом фасонного лиття з наступним шліфуванням. Допустима швидкість обертання ротора з ПМ до 50 м/с без арматури.

Для отримання надійного намагнічування необхідно створити поле» 6 Н_с. з врахуванням магнітної акамодації 6 ¸ 10 разів.

Магнітна проникність m = (5¸ 25)m₀. Для листової електротехнічної сталі m в сотні разів більше.

Питомий електричний опір знаходиться в межах (0, 5¸ 1, 8)× 10^-6 ОМ× м (для міді бли­зько 0, 02× 10^-6 ОМ× м, тобто великі значення і магнітних і електричних питомих опорів.

– Металокерамічні постійні магніти

– Платиново-кобальтові постійні магніти з = 400 кА/м, В_v = 0, 55 ¸ 0, 7 Тл; (ВН)_max = 65 ¸ 95 Тл кА/л, мають високу міцність, але й високу вартість і велику густину.

– Рідкоземельні магніти на базі інтерметалевих з’єднань виду R CoS, та на основі рідко-земельних металів (самарію Sm, празеодима Pr, тербію Tb, церію Се, гадолінію Gd) з кобальтом. Отримують ці магніти литтям або спіканням. Найчастіше використо­вують склад Sm – 36 %, CoS – 64 з Bv = 0, 7 ¸ 0, 9; H_c = 560 ¸ 640 кА/л; ВН)_max = 128 ¸ 176 Тл кА/л.

Пошук нових матеріалів ПМ з високою питомою W привів до розробки нових магнітів з інтерметалевих з’єднань типу RCo₅ на базі рідко-земельних металів (лантаноїдів), зокрема самарію Sm, празеодиму Pr, тербію Ти, цезію Се, гадолінію Gd та ін.) і Со.

Отримують ПМ з RCo₅ або литтям або спіканням. Ці матеріали мають прямоліній­ну спинку кривої розмагнічування і високі магнітні властивості: B_r=0, 7¸ 0, 9 Тл, H_c=560¸ 640 kА/м, (ВН)_max=128¸ 176 Тл× kА/м. Матеріали з рідко-земельних елементів (РЗМ) ма­ють унікальні значення коерцетивних сил, в 6 ¸ 7 разів вищі ніж в магнітів типу ЮНДК.

Магнітні характеристики в каталогах регламентовані стандартами. Фактичні властивості (отримані в лабораторіях) значно вищі (див. рис.3.).

Призначені для роботи в діапазонах температур –70 + 150°С; воло­гості 98 % умовах вібрацій з прискореннями до 150 м/с²; температурний коефіцієнт 0, 03 ¸ 0, 05 %/°C; міцність на злам 11 ¸ 15 кГс/мм²; твердість наближається до твердості кераміки.

Рис. 3. Магнітні характеристики ПМ

1 – стандартні, 2, 3 – експериментальні, 4 – ЮНДК35Т5 з спрямованою кристалізацією.

Точка Кюрі SmCo₅ – 740°C; PvCo₅ – 635°C; CeCo₅ – 460°C. Ці з’єднання допуска­ють застосування точкової дифузійної зварки.

Методом рідко-фазного спікання для SmCo₅ отримано (ВH)_max=176 Тл× kА/м; а в лабораторних умовах – 240 ¸ 254 Тл× kА/м.

Легуванням SmCo₅ іншими металами (празеодим Pr, лантан La, марганець Mn та ін.) також досягають високих (ВН)_max» до 200 Тл× kА/м.

Найновіші відомості про можливість отримання на монокристалічних магнітах властивостей з (ВH)_max = 320 Тл× kА/м магніти на базі Sn–Zr–Co з B_r = 1, 26 Тл, H_c = 560 kА/м, (ВН)_max» до 320 Тл× kА/м, а на отриманих спіканням – (ВH)_max до 240 Тл× kА/м.

Отримані магніти з наднизькими температурними коефіцієнтами на базі легких і важких R i Co типу (P_тР_л)Со: a = 0, 005 % °С; (ВН)_max = 80 ¸ 128 Тл× kА/м. Перспективним є отримання аморфних магнітів, які мають кращі механічні властивості – міцність, твердість, стійкість проти корозій.

Це ПМ на базі Sm₂(CoFe) з B_r = 0, 9 Тл, H_c = 495 kА/м, (ВН)_max» до 121 Тл× kА/м.

Металокерамічні магніти отримують запіканням порошків магніто-твердих сплавів Fe, Ni, Al, Co … Магнітні параметри їх на 15¸ 20 % нижчі, але вони не потребують додаткової обробки, більш міцніші і однорідні, зокрема з кращою текучістю, близько 67 кг/мм² (в 4 рази міцніші).

Найдешевші – оксидні ПМ на основі порошків феритів барію і стронцію, які виго­товляють як і керамічні ПМ.

Бувають анізотропні і ізотропні.

B_r = 0, 2 ¸ 0, 4 Тл× kА/м; H_c = 120 ¸ 270 kА/м; w_max = 5 ¸ 15 кДж/м³

m = (1, 3 ¸ 2, 0)m₀.

Їх недоліки – значна залежність В від t°: (0, 2 %/°C), тоді коли для литих ПМ – 0, 02 %/°C (ст.154, Л.10).

Останнім часом поширені інтерметалеві з’єднання Со з рідко-земельними металами самарій, празеодим, лантан.

Але вони дуже дорогі, хоч і мають надзвичайно високі показники

B_r = 0, 8 ¸ 0, 9 Тл× kА/м; H_c = 500 ¸ 560 kА/м; w_max = 55 ¸ 80 кОм/м³ , k_t = 0, 06 %/°C при t – t₁ = – 100 ¸ 200°C

Вже в останні роки розроблена технологія менш дорогих магнітів на основі –залізо-неодим-бор з найкращими магнітними властивостями B_r ==1 ¸ 1, 2 Тл× kА/м; H_c = 600 ¸ 900 kА/м; w_max = 75 ¸ 135 кДж/м³.

Основні дані наведені в таблиці.

В марках литих магнітів буквами, відповідно, позначають:

Ю – алюміній, Н – Ni, Д – Cu, K – Co, T – Ti, Б – ніобій структура А – рівновісьна, стовпчаста, АА – монокристалічна, ММК – металокерамічні.

У феритах Б – барій, С – стронцій, А – анізотропні, (цифри – добуток В_dН_d).

Пошук матеріалів з принципово новою природою високо-коерцетивного стану дали нові матеріали. Це Dy₃Al з ВН = 585 Тл× kА/м і Тв₃Со₆ з ВН = 817 Тл× kА/м (Bv = 2, 36 Тл× kА/м; Hc = 960 kА/м отримані при температурі 4, 2 К на монокристалах). Отже має місце великий резерв при створенні нових матеріалів.

Сферу застосування ПМ розширили так звані магніто-пласти – суміш гуми, або термо-резистивної пластмаси 6 ¸ 10 %. І порошку барієвого фериту: ВН_max = 12 Тл× kА/м; B_r = 2, 5 Тл× kА/м; H_c = 120 kА/м.

Основний недолік практично всіх магнітів – більша чи менша крих­кість, недостатня механічна міцність, відсутність пластичності.

В останні роки розроблені сплави на базі Fe–Co–Cr з магнітними влас­тивостями типу ЮНДК24, але з набагато вищими пластичними властивос­тями:

– межа міцності – 71 ¸ 73 кГ/м²,

– межа текучості – 36 ¸ 38 кГ/мм,

– видовження – 10 ¸ %.

– a = 0, 17 ¸ 0, 031 %/°C.

Потенційні можливості великі і ще не використані, а відомі магніти з (ВН)_max = 62, 5 Тл× kА/м; Bv = 1 Тл; Hc = 74 kА/м.