Металл в магнитных сплавах

Обновлено: 05.05.2024

Важную роль в жизни каждого занимает металлургическая промышленность, потому что ежедневно приходится сталкиваться с различными изделиями из металла. А сделаны они из всевозможных сплавов, которые получены благодаря выплавке. При производстве этих материалов используют как минимум два металла, а для улучшения свойств - специальные присадки. В этой статье будет рассмотрено несколько сплавов железа с никелем, их свойства и применение.

О свойствах железа

Чистое железо - серебристо-серого цвета, обладает пластичностью и ковкостью. Самородные слитки, встречающиеся в природе, имеют ярко выраженный металлический блеск и значительную твердость. На высоте и электропроводность материала, он с помощью свободных электронов легко передает ток. Металл обладает средней тугоплавкостью, размягчается при температуре +1539 градусов по Цельсию и теряет ферромагнитные свойства. Это химически активный элемент. При нормальной температуре легко вступает в реакцию, а при нагревании эти свойства усиливаются. На воздухе покрывается пленкой оксида, которая мешает продолжению реакции. При попадании во влажную среду появляется ржавчина, которая уже не препятствует коррозии. Но, несмотря на это, железо и его сплавы находят широкое применение.

Немного истории

Инвар – это сплав железа с никелем, в состав которого входит 36 % легирующей добавки. Впервые он был открыт во Франции в 1896 году физиком Шарлем Гийомом. В это время он вел работы по поиску недорогого металла для эталонов мер массы и длины, которые изготовляли из очень дорогостоящего платиноиридиевого сплава. Благодаря этому открытию ученый в 1920 году получил Нобелевскую премию в области физики.

Слово «инвар» в переводе с латинского означает неизменный. Это значит, что у сплава железа с никелем коэффициент теплового расширения остается постоянным при широком диапазоне изменения температур - от -80 до 100 градусов по Цельсию. Этот сплав имеет и несколько других названий: нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл. Invar является торговой маркой компании Imphy Alloys Inc., которая принадлежит сталелитейному концерну Arcelor Mittal.

Сплав железа с никелем

Для улучшения свойств железа, используя различные добавки, получают сплавы. Ученые считали, что получить железоникелевый сплав, учитывая термодинамические свойства металлов, не составит никакого труда. Но на практике они столкнулись с проблемами. При взаимодействии металлов, во время получения сплава железа с никелем, в результате побочного окислительного процесса железо из двухвалентного состояния переходит в трехвалентное.

В результате снижается выход сплава и ухудшаются определенные физические свойства. Для решения этой проблемы в электролит добавляют амины и органические кислоты, которые образуют с трехвалентным железом соединения, обладающие малой растворимостью. В связи с этим эластичность осадка становится лучше, а для его равномерного распределения электролиты перемешивают. Полученный сплав железа с никелем называется инвар.

Применение сплава инвар

Незначительный температурный коэффициент расширения позволяет использовать его для производства:

деталей контрольно-измерительных приборов;
лент и проволоки для геодезических работ;
несущих конструкций лазера;
деталей часовых механизмов, маятников хронометров;
проката: горячекатаного прутка и листа, холоднокатаной ленты, бесшовных труб, кованых прутков.

Для увеличения прочности производят холодную пластическую деформацию сплава железа с никелем, а затем делают низкотемпературную термообработку. Для большей стойкости к коррозии при обычных атмосферных условиях его поверхность полируют и наносят защитный слой, если изделие предназначается для использования в агрессивных средах. Антикоррозийные свойства инвара также повысятся при добавлении в его состав около 12 % хрома, при этом он сохраняет постоянную упругость при нагревании до 100 градусов.

Магнитные сплавы

Эти сплавы находят широкое применение в электротехнике. Из них изготовляют постоянные магниты, сердечники трансформаторов, электроизмерительные приборы, электромагниты. Людям давно известно, что железо обладает магнитными свойствами и в результате этого оно находит множество применений.

Много позже было обнаружено, что такое же свойство присуще никелю и некоторым другим металлам. Изделия, изготовленные из магнитного сплава железа с никелем, также обладают способностью сохранять собственное магнитное поле, когда внешнее уже отсутствует. Причем это личное поле снова способно воздействовать на другие магнитные тела.

Никель, кобальт и их сплавы

Кобальт и никель являются элементами подгруппы железа. Все три элемента имеют схожие свойства, но есть и существенные различия. Оба металла обладают большей плотностью, чем железо, и значительно тверже и прочнее его. Они менее активны в химическом плане, отличаются коррозийной устойчивостью. Кроме этого, металлы ценят за большую стойкость по отношению к газовой коррозии.

Недостатками кобальта и никеля является их высокая токсичность и значительная стоимость относительно железа. Свое применение они находят для антикоррозийного наружного покрытия изделий из углеродистых сталей и железа путем электрохимических реакций. А также они применяются для изготовления узлов и деталей, требующих усиленной прочности и твердости. Следует отметить особое значение сплавов железа, никеля и кобальта, которые носят названия коинвар, инвар, супермаллой, пермаллой и маллой. Основное их достоинство заключается в высоких магнитных свойствах. Эти сплавы используют для производства магнитопроводов различных электромагнитных устройств.

Сплав ковар

Смесь состоит из металлов, обладающих отличными механическими свойствами. Их легко обрабатывать, они без труда подвергаются прокатке, протяжке, ковке и штамповке. А сплав кобальта, никеля и железа иначе называется ковар. Удачно подобранное сочетание химических элементов обеспечивает материалу отличные характеристики. Данный сплав имеет хорошую теплопроводность, высокий коэффициент удельного электрического сопротивления и близкие к нулю показатели линейного расширения в большом интервале температур. Единственным недостатком является низкая коррозийная стойкость в сырой среде, поэтому часто используют защитные покрытия из серебра. Ковар широко применяется в промышленности для производства:

труб, лент и проволоки;
конденсаторов;
корпусов оборудования в приборостроении;
деталей в радиоэлектронике;
корпусов в электровакуумной отрасли.

Содержание в сплаве дорогого кобальта и никеля увеличивает стоимость материала, но хорошие характеристики и продолжительная эксплуатация покрывают первоначальные вложения.

Сплавы ални

Ални – это групповое название магнитных сплавов "железо-никель-алюминий". При увеличении концентрации алюминия и никеля в определенных пределах остаточная индукция уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает. Чаще всего применяются сплавы, в которых алюминия от 11 до 18 %, а никеля - 20–34 %. Основными свойствами таких сплавов является электропроводность, теплопроводность и пластичность. Все они характеризуются хорошим свариванием.

Для использования сплавов при изготовлении магнитов их легируют кобальтом и медью. В этом случае материал приобретает твердость и хрупкость и имеет крупнозернистую структуру. Сплавы ални применяют как конструкционный материал для деталей газотурбинных и реактивных двигателей, работающих под воздействием высоких температур более 1000 градусов Цельсия продолжительное время, сохраняя металл без повреждений.

Заключение

Все металлы, интенсивно используемые в современной промышленности, являются сплавами. Например, практически все железо, которое получают в мире, используется для производства чугунов и сталей. Объяснить это можно тем, что сплавы характеризуются лучшими свойствами, чем те металлы, из которых их получают. Следует отметить, что выпускаемые промышленностью сплавы имеют общие для них свойства: прочность, твердость, упругость и пластичность. А железоникелевые еще обладают и магнитными свойствами, которые при производстве усиливаются с помощью дополнительного легирования.

Стали и сплавы с магнитными и электрическими свойствами

Стали и сплавы с магнитными свойствами. Магнитные стали и сплавы делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Н_с и остаточной индукции В_r_. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей УЮ-У12.

Коэрцитивная сила углеродистых сталей резко возрастает после закалки на мартенсит вследствие появления больших напряжений.

У стали У12 после закалки в воде Н_с = 4800 А/м, В_r = 0,8 Тл. Однако низкая прокаливаемость, малая стабильность остаточной индукции привели к вытеснению углеродистых сталей легированными.

Легирование металла вызывает повышение магнитной твердости (т.е. коэрцитивной силы). Коэрцитивная сила возрастает при образовании в твердом растворе второй фазы, с повышением дискретности второй фазы, при возникновении напряжений в кристаллической решетке, при измельчении зерна.

В настоящее время для изготовления постоянных магнитов широко используют стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими элементами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Буквой Е обозначается магнитная сталь.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, закалки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100°С в течение 10-24 ч).

Высокое содержание углерода и легирующих элементов в этих сталях придает им повышенную твердость, поэтому перед холодной механической обработкой их подвергают смягчающему отжигу при 700—850 °С. При отжиге происходит образование карбидов, что ухудшает магнитные свойства («магнитная порча»). Поэтому перед закалкой для устранения «магнитной порчи» проводят нормализацию, при которой происходит растворение крупных карбидных фаз.

Во избежание «магнитной порчи» при закалке нагрев должен быть кратковременным (не более 15 мин). Охлаждение можно проводить в воде или в масле, но обычно охлаждают в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя при этом несколько снижаются магнитные свойства.

Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как устраняет немагнитный (парамагнитный) аустенит.

Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечивает стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Высокие магнитные свойства имеют железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнит (8% А1, 24% Со, 14% Ni, 3% Си, остальное железо).

Магниты из этого сплава получают литьем, так как сплав не поддается деформации и обработке резанием. Сплав подвергают закалке в магнитном поле. Сущность закалки в следующем. Нагретый до 1300°С сплав помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до температуры ниже 500°С, дальнейшее охлаждение проводят на воздухе. После такой обработки сплав обладает анизотропией магнитных свойств.

Магнитные свойства достигают высокого уровня в том направлении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закалке. Затем сплав подвергают отпуску при 600 °С. Магнитные свойства: Я = 40 000 А/м, В_г = 1,2 Тл.

Последнее время находят применение сплавы на основе кобальта (52% Со, 14% V, остальное железо). Сплав поставляется в виде лент, полос и т.д.

Магнитомягкие сплавы и стали имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Их применяют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работающих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы должны иметь однородную (гомогенную) структуру, крупное зерно.

Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Поэтому магнитомягкие сплавы для снятия напряжений и искажений структуры подвергают рекристаллизационному отжигу.

Широкое применение получило чистое железо, в котором содержание углерода и всех примесей строго ограничено. Железо применяют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др.

Широкое применение в промышленности нашла электротехническая сталь — сплав железа с кремнием (0,05—0,005% С, 1,0— 1,8% Si). Легирование кремнием повышает электросопротивление стали и тем самым уменьшает потери на вихревые токи, повышает магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис, способствует росту зерна, улучшает магнитные свойства за счет графитизирующего действия.

Электротехническую сталь для снятия наклепа после прокатки и для укрупнения зерна подвергают отжигу при 1100-1200 °С в атмосфере водорода.

При рубке листов, резке, штамповке, гибке магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств электротехнической стали рекомендуется отжиг при 750—800 °С в течение 2 ч с медленным (- 50 град/ч) охлаждением до 400 °С. При этом необходимо исключить окисление и науглероживание стали.

Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщиной от 1 до 0,05 мм.

Железоникелевые сплавы (от 40 до 80% Ni) — пермаллои — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Магнитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обработки.

Для улучшения магнитных свойств после механической обработки пермаллои подвергают отжигу при 1100—1200 "С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняются остаточные напряжения и удаляются примеси углерода.

Охлаждение в магнитном поле также ведет к повышению магнитных свойств.

Немагнитные стали. В электромашиностроении и приборостроении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Раньше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает механические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в электроаппаратуре.

Применение марганцовистой аустенитной износоустойчивой стали (11ОГ13Л) в качестве немагнитной ограничивается ее плохой обрабатываемостью резанием, что обусловлено высокой склонностью ее к наклепу, а также нестабильностью прочностных свойств.

Широкое применение находят аустенитные коррозионно-стойкие стали 12Х18Н9, 12Х18Н9Т. Желательно, чтобы содержание никеля в них соответствовало верхнему пределу, так как в противном случае при больших степенях холодной деформации возможно частичное протекание γ→α - превращения, ведущего к появлению феррита, обладающего ферромагнитными свойствами.

Кроме того, применяются более дешевые стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен марганцем.

Стали и сплавы с электрическими свойствами. Элементы электросопротивления должны иметь низкую электропроводность или высокое электросопротивление. Так как образование твердых растворов при легировании сопровождается повышением электросопротивления, то все сплавы высокого сопротивления, как правило, представляют собой твердые растворы.

Различают сплавы реостатные (для изготовления реостатов) и окалиностойкие сплавы высокого электросопротивления (для нагревательных элементов печей и электроприборов).

Сплавы высокого электросопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь большое удельное электросопротивление;

иметь малый температурный коэффициент электросопротивления (т.е. электросопротивление должно мало изменяться при изменении температуры);

обладать высокой окалиностойкостью, т.е. способностью противостоять образованию окалины при высоких температурах.

В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли сплавы меди с никелем — константан и никелин. Константан содержит 40% Ni, 1—2% Мn, остальное медь; никелин — 45% Ni, остальное медь.

В качестве сплавов высокого электросопротивления применяют сплавы Ni — Сг (нихромы), Fe — Ni — Cr (ферронихромы) и Fe — Cr — А1 (фехраль) и др.

На свойства сплавов высокого электросопротивления вредное влияние оказывают такие примеси, как углерод, сера, фосфор и т.д. Примеси способствуют окислению границ зерен и тем самым уменьшают окаливаемость и повышают хрупкость.

В приборостроении часто требуются сплавы с определенным коэффициентом линейного расширения, например таким же, как у стекла, равным нулю. Для удовлетворения этих требований в каждом конкретном случае изготавливают сплавы строго определенного состава.

Износостойкие стали. Износ деталей в процессе эксплуатации может быть вызван двумя причинами: трением деталей друг о друга и царапанием твердых частиц о поверхность деталей (абразивный износ).

При обычном трении поверхность металла наклёпывается и сопротивление износу возрастает. Следовательно, износостойкость определяется способностью металла к наклепу.

В случае абразивного износа, когда твердые частицы, абразивы, вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа определяется сопротивлением металла отрыву и твердостью.

Для изготовления деталей, работающих на износ в условиях трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцовистую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 1,0-1,3% С и 11,5-14,5% Мn. Сталь применяют в литом и реже в горячедеформированном состоянии. Структура литой стали состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Mn)₃C, выделяющихся по границам зерен и снижающих прочность и вязкость стали. Для повышения прочности и вязкости сталь подвергают закалке с температуры 1050— 1100°С в воде. При такой температуре карбиды растворяются, а быстрое охлаждение в воде полностью задерживает их выделение. После закалки сталь имеет аустенитную структуру и обладает следующими механическими свойствами: σ_в= 800-900 МПа, σ_0,2 = 310. 350 МПа, δ=15 . 25%, ψ= 20 . 30%, 180 . 220 НВ.

Высокая износостойкость стали 110Г13Л при трении с давлением и ударами объясняется повышенной способностью к наклепу.

Если при эксплуатации наблюдается только абразивный износ без значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то сталь не обнаруживает повышенной износостойкости.

Магнитные материалы различного назначения

Магнитотвёрдые материалы. Металлокерамические и металлопластические магниты. Магнитотвердые ферриты. Сплавы на основе редкоземельных материалов.

К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой Н_с.

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_с, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство w_мах.

Магнитная проницаемость m магнитотвердых материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т.е. чем выше его коэрцитивная сила Н_с, тем меньше его магнитная проницаемость.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции B_r, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции B_max, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции

где (Br)1 и (Br)2 –значения остаточной индукции материала при температурах Т1 и Т2 соответственно.

Максимальная удельная магнитная энергия w_мах является важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов.

Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м2:

Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и магнитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации, магнитное поле в котором используют для технических целей.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.

В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции B_r на 1…3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Если со временем в постоянном магните произошли структурные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необратимого старения.

По назначению магнитотвердые материалы подразделяются на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хранения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на налитые, порошковые и прочие.

Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют основой сплавы железо- никель- алюминий (Fe-Ni-Al) и железо- никель- кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к прецизионным, так как их количество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.

Магнитотвердые литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуре начала распада. В процессе твердения происходит высокотемпературный распад твердого раствора на b-фазу и b₂-фазу. b-фаза близка по составу к чистому железу, которое обладает выраженными магнитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. b₂-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель- алюминий Ni-Al, обладающему низкими магнитными свойствами.

В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы b₂ с однодоменным сильномагнитным включениями фазы b, которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибольшее распространенными являются сплавы железо- никель– алюминий, легированные медью Cu и кобальтом Со.

Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы железо- никель- алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.

Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.

Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью.

Высококобальтовые сплавы представляют собой сплавы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, содержащие кобальт более 15%.

Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлаждения сплава в магнитном поле с напряженностью 160…280 кА/м от высоких температур 1250…1300°С до температуры приблизительно 500°С. полученный сплав приобретает улучшенный магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропный.

Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обработка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20% а для сплавов, содержащих 20…25% кобальта, -на 80% и более.

Термомагнитная обработка повышает температуру начала дисперсного распада с 950°С в сплаве без кобальта до 800°С в сплаве, содержащем 24% кобальта.

В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850°С.

Кристаллическую текстуру получают в процессе особых условий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с особой микротекстурой в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов .магнитная энергия повышается на 60…70%. Увеличивается коэрцитивная сила Н_с, остаточная магнитная индукция B_r и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала:

Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.

Недостатками высококобальтовых материалов являются высокая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механическую обработку.

Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.

Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al-, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных металлов.

Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обладают магнитными свойствами по параметрам B_r и w_max на 10…20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спеченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3…6 раз превосходят литые.

Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы Н_с, которые в 1,5…2 раза выше Н_с бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной магнитной энергии w_мах сравнимы со сплавом ЮНДК 24.

Сплавы на основа редкоземельных металлов (РЗМ) и урана при определенных соотношениях обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы Н_с (предельное теоретическое значение составляет 1032 кА/м) и рекордными значениями максимальной удельной магнитной энергии w_мах (предельное теоретическое значение достигает 112 кДж/м 3 .

Среди сплавов на основе редкоземельных наибольшее значение имеют интерметаллические соединения типа RCo₅, где R – редкоземельный металл. В марке соединения буква К означает кобальт, С – самарий, П – празеодим.

Сплавы на основе редкоземельных металлов получают холодным прессованием порошка сплава RCo₅ до высокой степени плотности, спеканием брикетов из порошков в присутствии жидкой фазы и литьем многокомпонентных сплавов, в которых кобальт замещен медью и железом.

Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.

Получают металлопластические магниты, кок и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, необходимых для полимеризации связующего вещества.

Бариевыемагниты обладают следующими свойствами:

Значения остаточной магнитной индукции B_r в 2…4 раза меньше, чем у литых магнитов;

Большая коэрцитивная сила Н_с, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;

Плотность d примерно в 1,5 раза меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;

Удельное электрическое сопротивление r (10 4 …10 7 Ом*м) в миллионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, поэтому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей;

Не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплава ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов относят:

плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);

большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВ_r в 10 раз больше, чем ТКВ_r литых магнитов);

эффект необратимой потери магнитных свойств после охлаждения магнита до температуры -60°С и ниже (после охлаждения и последующего нагревания до начальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

В отличии от технологии изготовления магнитомягких ферритов после сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнитном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравнению с намагничивающим током направление.

Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применяют также сухое прессование.

Промышленность выпускаем бариевые изотропные БИ и бариевые анизотропные БА магниты.

Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами:

более высокая стабильность параметров, чем у бариевых;

температурный гистерезис, т.е. зависимость магнитных свойств от температуры, которая появляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до температуры выше 80°С;

из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их крепят с помощью клея;

Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнитной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300…350°С в течении 1,5 часов и охлаждения в магнитном поле в течении 2 часов.

Магниты из микропорошков Mn-Bi поучают прессованием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцево-висмутовый сплав (23% Mn; 77% Bi) подвергают механическому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5…8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отделяют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц марганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной фазы при температуре примерно 300°С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют магнитные свойства только до температуры не ниже 20°С (при понижении свойства быстро ухудшаются и для их восстановления необходимо повторное намагничивание), что существенно ограничивает их применение.

Железные и железокобальтовыемагниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов получения частиц нужного размера (0,01…0,1). Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозийную стойкость железосодержащих магнитов.

Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO₂. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.

При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000°С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.

Текстурованная сталь анизотропна по свойствам: вдоль напрвления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, электрических машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25%, а в радиотрансформаторах - на 40%.

Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). Использование листовых и ленточных сердечников на частотах выше 1 кГц возможно лишь при существенном ограничении магнитной индукции, так , чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.

Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои.

увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.

Диапазон изменения магнитных свойств и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.

Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.

Магнитные стали и сплавы. Твердые и мягкие стали

Среди металлов есть такие, которые обладают свойствами намагничивания. К ним относятся железо, никель и кобальт. Гадолиний приобретает ферромагнитные свойства при температуре ниже 0 о С. При добавлении в сплав этих элементов получается магнитная сталь. Кроме того, они характеризуются наличием остаточной индукции и коэрцитивной силы.

Магнитные стали и сплавы

Все сплавы, обладающие магнетизмом, можно разделить на 2 вида:

Твердые стали соответствуют ГОСТ 6862-71 и из них производят постоянные магниты. Для этого используют высокоуглеродистые вещества, легированные хромом или хромом и кобальтом.

Сплавы на основе железа также можно использовать для производства магнитов постоянного поля. Примером может стать материал альнико, где 54% составляет железо.

Магнитомягкие - так по-другому называют электротехнические стали. Они должны соответствовать ГОСТ 21427-75. Такие магнитные стали применяют для работы в переменных полях, там, где происходит намагничивание без перерыва. Магнитотвердые материалы владеют существенной остаточной индукцией, высокой коэрцитивной силой. Малая магнитная проницаемость становится дополнительным свойством сплава.

Из материала изготавливают сердечники катушек электромагнитов и трансформаторов. Для этого подходят кремнистые и низкоуглеродные сплавы.

Магнитную сталь маркируют четырехзначным числом. Первое число определяет структуру и вид прокатки. Второе — содержание кремния. Третье число определяет тепловые потери, четвертое - код нормируемого параметра.

Для работы в переменных полях можно использовать магнитную сталь на основе железа или никеля. Примером такого материала является альсифер.

Ферриты

Для сокращения электрических потерь используют повышение удельного сопротивления. Магнитная сталь играет важную роль в современном производстве. Большим сопротивлением обладают магнитные материалы — ферриты.

Ферриты получают из оксидов методом порошковой металлургии. Такие материалы обладают свойствами ферромагнетика и диэлектрика, что позволяет их использовать там, где применяются высокие и сверхвысокие частоты.

Себестоимость ферритных сердечников ниже, чем остальных, благодаря автоматизации производства. Сплавы можно подразделить на 4 группы:

спеченные;
деформируемые;
литые;
прессмагниты.

Сплавы

Магнитная сталь для постоянного магнита должна обладать достаточным объемом углерода, который находится в твердом растворе. Такие сплавы называются деформируемыми. Самыми простыми и дешевыми считаются высокоуглеродистые материалы. Добавка кобальта увеличивает магнитные свойства стали.

К литым относятся сплавы на основе Fe—Ni—A1. Более 80% магнитов изготовляется из такого материала. Самые качественные сплавы этой группы обладают очень мощным магнетизмом. Они отличаются от углеродистой и хромистой магнитной стали.

Маленькие магниты производят методом спекания. Для этого потребуется никель, алюминий и железо высокой чистоты. Они славятся повышенной твердостью. Таким методом создают магниты из магнитотвердых ферритов. Наибольшую популярность получили бариевые ферриты из-за высоких магнитных свойств и приемлемой цены.

Какие металлы не магнитятся и почему?

Любой ребенок знает, что металлы притягиваются к магнитам. Ведь они не раз вешали магнитики на металлическую дверцу холодильника или буквы с магнитиками на специальную доску. Однако, если приложить ложку к магниту, притяжения не будет. Но ведь ложка тоже металлическая, почему тогда так происходит? Итак, давайте выясним, какие металлы не магнитятся.

Научная точка зрения

Чтобы определить, какие металлы не магнитятся, нужно выяснить, как все металлы вообще могут относиться к магнитам и магнитному полю. По отношению к внесенному магнитному полю все вещества делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Они непрерывно движутся, что создает магнитное поле. Магнитные поля электронов одного атома могут усиливать друг друга или уничтожать, что зависит от направления их движения. Причем скомпенсированы могут быть:

Магнитные моменты, вызванные движением электронов относительно ядра – орбитальные.
Магнитные моменты, вызванные вращением электронов вокруг своей оси - спиновые.

Если все магнитные моменты равны нулю, вещество относят к диамагнетикам. Если скомпенсированы только спиновые моменты - к парамагнетикам. Если поля не скомпенсированы – к ферромагнетикам.

Парамагнетики и ферромагнетики

Рассмотрим вариант, когда у каждого атома вещества есть свое магнитное поле. Эти поля разнонаправлены и компенсируют друг друга. Если же рядом с таким веществом положить магнит, то поля сориентируются в одном направлении. У вещества появится магнитное поле, положительный и отрицательный полюс. Тогда вещество притянется к магниту и само может намагнититься, то есть будет притягивать другие металлические предметы. Так, например, можно намагнитить дома стальные скрепки. У каждой появится отрицательный и положительный полюс и можно будет даже подвесить целую цепочку из скрепок на магнит. Такие вещества называют парамагнитными.

Ферромагнетики - небольшая группа веществ, которые притягиваются к магнитам и легко намагничиваются даже в слабом поле.

Диамагнетики

У диамагнетиков магнитные поля внутри каждого атома скомпенсированы. В этом случае при внесении вещества в магнитное поле к собственному движению электронов добавится движение электронов под действием поля. Это движение электронов вызовет дополнительный ток, магнитное поле которого будет направлено против внешнего поля. Поэтому диамагнетик будет слабо отталкиваться от расположенного рядом магнита.

Итак, если подойти с научной точки зрения к вопросу, какие металлы не магнитятся, ответ будет – диамагнитные.

Распределение парамагнетиков и диамагнетиков в периодической системе элементов Менделеева

Магнитные свойства простых веществ периодично изменяются с увеличением порядкового номера элемента.

Вещества, не притягивающиеся к магнитам (диамагнетики), располагаются преимущественно в коротких периодах – 1, 2, 3. Какие металлы не магнитятся? Это литий и бериллий, а натрий, магний и алюминий уже относят к парамагнетикам.

Вещества, притягивающиеся к магнитам (парамагнетики), расположены преимущественно в длинных периодах периодической системы Менделеева – 4, 5, 6, 7.

Однако последние 8 элементов в каждом длинном периоде также являются диамагнетиками.

Кроме того, выделяют три элемента – углерод, кислород и олово, магнитные свойства которых различны у разных аллотропных модификаций.

К тому же называют еще 25 химических элементов, магнитные свойства которых установить не удалось вследствие их радиоактивности и быстрого распада или сложности синтеза.

Магнитные свойства лантаноидов и актиноидов (все они являются металлами) меняются незакономерно. Среди них есть и пара- и диамагнетики.

Выделяют особые магнитоупорядоченные вещества – хром, марганец, железо, кобальт, никель, свойства которых изменяются незакономерно.

Какие металлы не магнитятся: список

Ферромагнетиков, то есть металлов, которые хорошо магнитятся, в природе существует всего 9. Это железо, кобальт, никель, их сплавы и соединения, а также шесть металлов- лантаноидов: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий.

Металлы, притягивающиеся только к очень сильным магнитам (парамагнетики): алюминий, медь, платина, уран.

Поскольку в быту не встречаются настолько большие магниты, которые бы притянули парамагнетик, а также не встречаются металлы-лантаноиды, можно смело утверждать, что все металлы, кроме железа, кобальта, никеля и их сплавов не будут притягиваться к магнитам.

Итак, какие металлы не магнитятся к магниту:

парамагнетики: алюминий, платина, хром, магний, вольфрам;
диамагнетики: медь, золото, серебро, цинк, ртуть, кадмий, цирконий.

В целом можно сказать, что черные металлы притягиваются к магниту, цветные – не притягиваются.

Если говорить о сплавах, то сплавы железа магнитятся. К ним относят в первую очередь сталь и чугун. К магниту могут притянуться и драгоценные монеты, поскольку они изготовлены не из чистого цветного металла, а из сплава, который может содержать небольшое количество ферромагнетика. А вот украшения из чистого цветного металла к магниту не притянутся.

Какие металлы не ржавеют и не магнитятся? Это обычная пищевая нержавейка, золотые и серебряные изделия.

Читайте также: