5.2.2.2 Високочастотні магнітом’які матеріали

При високих частотах зростають теплові втрати і тангенс кута втрат tg , що супроводжується погіршенням магнітних властивостей феромагнетику – зменшенням магнітної проникності. Одним серед ефективних способів зниження теплових втрат є застосування матеріалів з високим електричним опором – діелектриків. До таких матеріалів відносяться ферити, які відіграють важливу роль у сучасній електроніці. Ферити виготовляють спіканням оксидів. Питомий електричний опір їх досягає 10¹² Омм, що визначає можливість їх використання в області високих радіочастот та надчастот.

До недоліків феритів відносять їх високу чутливість до залишкових напружень, у тому числі теплового та магнітострикційного походження. Вони володіють усіма властивостями кераміки: тверді, крихкі, при спіканні дають велику усадку.

Ферити спікають із подвійних оксидів типу FeOFe₂O₃. Для підвищення електричного опору іон заліза Fе²⁺ в оксиді FeO замінюють двохвалентними іонами Zn, Mn, Ni, Mg. Кристалічна ґратка таких оксидів – шпінель (кубічна). Напрямком легкого намагнічування є ребро куба. При заміні Fе²⁺ іонами барію, стронцію, свинцю ферити мають гратку ГЩП, і напрямом легкого намагнічування є будь-який напрям в площині типу {ī2ī0}.

Ферити мають доменну структуру з незкомпенсованими антипаралельними магнітними моментами іонів металу (феримагнетики).

Магнітні властивості феритів визначаються їх хімічним складом, умовами експлуатації (в першу чергу, частотою перемагнічування). Гранична для матеріалу частота зовнішнього поля f_кр визначається частотою, при якій tg  не перевищує 0,1, а для деяких виробів – 0,02. Максимальну робочу температуру феритів визначає температура точки Кюрі [5].

5.2.3 Магнітотверді матеріали

У відповідності з ГОСТ 19693 – 74 магнітотвердими називають феро- та феримагнітні матеріали з коерцитивною силою по індукції не менше 4 кА/м.

Основними показниками властивостей магнітотвердих матеріалів є питома магнітна енергія W, що дорівнює половині добутку індукції та напруженості магнітного поля ВН, які відповідають заданій точці на кривій розмагнічування, і максимальна питома магнітна енергія W_max=0,5 (BH)_max. Від цього показника (W_max) залежить об’єм магніту, який потрібний для створення магнітного поля в заданому повітряному зазорі. Чим вище питома магнітна енергія, тим менший об’єм, і, як наслідок, вага магніту. В нормативних документах іноді використовують величину (BH)_max. До основних показників відносять також проникність звороту _в – диференційну магнітну проникність на прямій звороту.

Магнітотверді матеріали повинні мати максимальне значення таких параметрів: коерцитивної сили Н_с, максимальної питомої магнітної енергії W_max, залишкової індукції B_r.

Магнітотверді матеріали застосовують в станкобудуванні, автомобілебудуванні, в електротехніці, приладобудуванні, радіоелектронній техніці. Їх використовують для виробництва машин постійного струму, для роторів машин, синхронних машин, крокових двигунів; для елементів з зовнішньою і внутрішньою пам’яттю; для носіїв і апаратури магнітного запису та відтворення гармонійних і імпульсних сигналів.

Магнітотверді матеріали поділяють за складом і основному способу отримання на такі групи: магнітотверді леговані мартенситні сталі; ливарні магнітотверді сплави; деформівні магнітотверді сплави; порошкові магнітверді сплави (металеві, феро- і фериоксидні, магнітопластичні, магнітоеластичні); сплави на основі благородних і рідкоземельних металів. Таблиця 5.10 дозволяє оцінити виділені групи магнітотвердих матеріалів за діапазоном нормованих магнітних параметрів.

Магнітотверда легована сталь Леговані мартенситні сталі (на основі Fe – Cr, Fe – Cr – W, Fe – Cr – Co та ін.) є найбільш дешевим матеріалом для постійних магнітів невідповідального призначення. Однак вони мають невисокі магнітні властивості, у зв’язку із чим їх застосовують обмежено. Найбільше використовують магнітотверді ферити і сплави системи Fe – Al – Ni, Fe – Al – Ni – Co. Ці сплави мають добрі магнітні властивості, але характеризуються високою твердістю та крихкістю. Внаслідок цього постійні магніти з них виготовляють литтям або методами порошкової металургії. Сплави цієї групи, які містять кобальт, в декілька разів дорожчі сплавів на безкобальтовій Fe – Al – Ni основі. Найбільш розповсюдженими матеріалами для постійних магнітів є ферити.

Леговану магнітотверду сталь (марки типу Е) виготовляють із вмістом вуглецю 0,90…1,05 %. Основні легувальні елементи: (2,80…10,0) % Cr, (5,15…16,5) % Co, (5,20…6,20) % W, (1,20…1,70) % Mo, (0,17…0,40) % Si, (0,30…0,60) % Ni.

Таблиця 5.10 – Характеристики розмагнічування магнітотвердих матеріалів різних груп^* [7]

Група	Марка	Wmax, кДж/м2	Br, Тл	Нс, кА/м
Леговані сталі	ЕХ3 ЕХ9К15М2	0,595 1,035	0,95 0,80	4,775 11,94
Ливарні сплави: Fe – Al – Ni Fe – Al – Ni - Co	ЮНД4 ЮНД8	3,6 5,1	0,50 0,60	40 44
	ЮНДК15 ЮНДК35Т5АА	6,0 40	0,75 1,05	48 115
Деформівні сплави: Fe – Cr – Co Pt – Co (ливарний)	28Х10К 22Х15КА	3,5 28	0,8 1,5	10 47
	ПлК78	39,8-43,8	0,75	270
Порошкові сплави: Fe – Al – Ni Fe – Al – Ni - Co	ММК-1 ММК-2	3,0 3,5	0,60 0,48	24 39
	ММК-3 ММК-11	4,0 16	0,52 0,70	44 128
Ферит барію	4БИ45 28БА190	2,0 14,0	0,17 0,39	95 185
Ферит стронцію	28СА250	14,0	0,39	240
Sm – Co Sm, Pr - Co	КС37А КСП37А	65 72,5	0,82 0,90	540 500
*Дані наведено для матеріалів стандартних марок з мінімальними та максимальними значеннями магнітних параметрів Wmax та Нс серед промислових стандартизованих сплавів класифікаційних груп. Властивості сплава Pr – Co не нормовані

Високовуглецеві сталі з вмістом  1 % С мають структуру мартенситу з дрібнодисперсними неферомагнітними включеннями цементиту після гартування і низького відпускання, що забезпечує добрі магнітні властивості. Відносно високе значення Н_с визначається наявністю анізотропії форми дрібних кристалів мартенситу (пластинок) і великою кількістю неферомагнітної фази Fe₃C. Утворення значних пружних напружень в результаті отримання пересиченого твердого розчину, яким є мартенсит, створює додатково магніто-пружну анізотропію.

Перевагою сталей для постійних магнітів є їх низька вартість і технологічність при гарячій обробці тиском та різанні. У зв’язку із цим вони успішно використовуються в магнітах великих розмірів. Для збільшення прогартовуваності сталь додатково легують хромом. Додаткове легуванням кобальтом і молібденом покращує магнітні властивості, однак магнітна потужність залишається невисокою (W_max  2,4 кДж/м³). Сталі схильні до магнітного і, в особливості, до структурного старіння. В марках літера Е вказує, що сталь магнітотверда. Інші літери позначають легувальний елемент і його вміст у відсотках. В табл. 5.11 вказано властивості магнітотвердої сталі.

Таблиця 5.11 – Магнітні властивості та твердість термічно обробленої сталі [7]

Сталь	Hc, кА/м	Br, Тл	НВ, МПа	(ВН)max, Тлм/кА	ρ·106, Ом·м	σВ, МПа
ЕХ3 ЕВ6 ЕХ5К5 ЕХ9К15М2	4775 4775 7165 11937	0,95 1,00 0,85 0,80	2290–2850 2550–3210 2690–3410 2850–3410	1,19 1,31 1,59 2,07	0,29 0,30 0,30 0,28	2060 2060 2060 2060

Ливарні магнітотверді матеріали – це в основному сплави на основі Fe – Al – Ni, Fe – Al – Ni – Co. Марки сплавів, хімічний склад, тип кристалічної структури (рівновагова, стовбчаста, монокристалічна), наявність магнітної анізотропії регламентовано ГОСТ 17809 – 72. Сплави Fe – Al – Ni містять 12…35 % Ni, 6,5…16 % Al. Застосовують сплави, що додатково леговані Cu, Co, Ti, Nb. Ці елементи поліпшують магнітні властивості, а мідь знижує їх розкид при коливаннях складу.

Сплави при 20 С в своїй структурі містять феромагнітну фазу ₁ з високим вмістом заліза, яка вкраплена в слабкоферомагнітну фазу ₂. При термічній обробці високотемпературна фаза  випробовує перетворення ₁ + ₂, в результаті чого вдається отримати однодоменні кристали феромагнітної фази ₁ пластинчастої форми, яка забезпечує високі значення Н_с, B_r, W_max.

Гартування включає нагрівання до температур 1200…1280 С (в залежності від складу) і охолодження з визначеною критичною для кожного сплаву швидкістю, яка забезпечує найбільшу дисперсність частинок фази ₁. При подальшому відпусканні (590…650 С) проходить дорозпад фаз і додаткове поліпшення магнітних властивостей.

Висококоерцитивний стан сплавів забезпечується виділенням при відпусканні після гартування дуже високодисперсної фази, переважно анізотропної. Властивості сплавів наведено в табл. 5.12.

Сплави використовують для магнітів вимірювальних приладів, автоматичних і акустичних пристроїв, електричних машин, магнітних муфт, опор, гальм.

До недоліків ливарних сплавів Fe – Al – Ni відносяться їх підвищена крихкість і висока твердість, що виключає усі види оброблення, крім шліфування. Цих недоліків позбавлені спечені сплави Fe – Al – Ni.

Таблиця 5.12 – Магнітні властивості магнітотвердих ливарних сплавів на Fe-Al-Ni-Co основі (ГОСТ 17809 – 72) [7]

Марка сплавів	(ВН)max, кДж/м3	Hc, кА/м	Br, Тл	(В/Н)10-3 в точці (ВН)max, Тлм/кА
	не менше
ЮНД4 ЮНД8 ЮНТС ЮНДК15	7,2 10,2 8,0 12,0	40 44 58 48	0,50 0,60 0,43 0,75	12,0 – 16,0 13,0 – 16,0 7,0 – 10,0 15,5 – 18,0
ЮНДК18 ЮНДК18С ЮН13ДК24С ЮН13ДК24 ЮН14ДК24 ЮН15ДК25БА	19,4 28,0 36,0 36,0 36,0 36,0	55 44 36 40 48 52	0,90 1,10 1,30 1,25 1,20 1,15	15,0 – 20,0 22,0 – 28,0 30,0 – 33,0 25,0 – 27,5 20,0 – 22,0 15,0 – 17,5
ЮН13ДК25А ЮН14ДК25А ЮН13ДК25БА ЮН14ДК25БА ЮН15ДК25БА	56,0 56,0 56,0 56,0 56,0	44 52 48 58 62	1,40 1,35 1,40 1,30 1,25	27,5 – 30,0 24,0 – 25,0 26,5 – 27,5 21,5 – 24,0 16,5 – 21,5
ЮНДК34Т5 ЮНДК35Т5Б ЮНДК35Т5 ЮНДК35Т5БА ЮНДК35Т5АА	28,0 32,0 36,0 72,0 80,0	92 96 110 110 115	0,75 0,75 0,75 1,02 1,05	8,0 – 11,0 8,0 – 10,0 7,0 – 8,0 8,0 – 9,0 8,0 – 9,0
ЮНДК38Т7 ЮНДК40Т8 ЮНДК40Т8АА	36,0 36,0 64,0	135 145 145	0,75 0,70 0,90	4,5 – 5,5 3,5 – 4,5 4,0 – 5,0

Деформівні магнітотверді сплави. Призначені для постійних магнітів, для активної частини роторів гістерезисних електродвигунів, для елементів пам’яті систем управління автоматизації зв’язку, для носіїв магнітного запису інформації.

Сплави на основі пластичних металів Fe, Co, Cu, їх марки і магнітні властивості наведені в табл. 5.13. Сплави піддають обробці тиском, що дозволяє використовувати їх як магніти у вигляді тонких смуг і дроту. Добрі магнітні властивості отримують після гартування і старіння, що пояснюється отриманням дрібнодисперсних феромагнітних фаз у немагнітній основній фазі. В процесі пластичного деформування в хромко (45 % Fe, 30 % Cr, 25 % Co), куніфе (60 % Cu, 20 % Ni, 20 % Fe) та вікалої (52 % Co, 35 % Fe, 13 % V) можливе формування кристалографічної текстури, що додатково покращує магнітні властивості. Сплав кобальту з платиною (ПлК78), в якому 78 % Pt та 22 % Со, характеризується високим значенням Н_с, його магнітна потужність W_max наближається до значення W_max ливарних сплавів Fe – Al – Ni. Єдиний недолік сплаву – вміст коштовного металу, що обмежує його використання.

Порошкові магнітотверді матеріали. Спіканням порошків отримують дисперсійнотвердіючі сплави системи Fe – Al – Ni – Co. Спікання магнітів, які зформовані із шихти цих сплавів, проводять у вакуумі при температурі 1200…1300 С впродовж 1…5 год.; залишкова пористість при цьому складає 3…7 % і приводить до зниження параметрів W_max. Виготовлення безпористих порошкових магнітів методом гарячого пресування забезпечує підвищення магнітних властивостей.

Спечені магніти мають дрібнозернисту структуру, однорідні магнітні властивості і перевищують за міцністю ливарні, але за магнітними властивостями їм поступаються.

Порошкова металургія забезпечує можливість виготовлення магнітів різних типорозмірів (можна виготовляти дрібні і точні за розмірами магніти). Недоліком цього методу є підвищена вартість вихідних порошків.

Таблиця 5.13 – Магнітні властивості деформівних сплавів для виготовлення магнітів [7]

Марка	Hc, кА/м	(ВН)max, кДж/м3	Br, Тл	(В/Н)10-3 в точці (ВН)max, Тлм/кА	в
Хромко (30ХК25)	56	15	0,8	–	–
Вікалой (52К13Ф)	28	17	0,6	–	–
Куніко	36	13	0,53	–	–
Куніфе	47	13	0,55	–	–
Платинакс (ПлК78)	320	80	0,80	–	–
28Х10К	20	7	0,8	30 – 40	5-8
28Х10КА	38	26	1,1	25 – 30	3,5-5
25Х15К	24	10	0,9	30 – 40	5-8
25Х15КА	40	32	1,2	25 – 30	3,5-5
23Х15К5ФА	42	38	1,25	25 – 30	3,5-4,5
30Х23К	50	12	0,75	15 – 20	4 – 5
30Х23КА	55	30	1,00	15 – 20	3 – 4
22Х15КА	47	56	1,5	28 – 33	3 – 4
23Х15КА	40	34	1,23	30 -35	3,5 – 5
25Х12К2БА	40	35	1,25	28 -33	3,5 – 5
23Х14К3ФА	41	36	1,27	30 – 35	3,5 – 5
32Х12КДТ	48	24	1,05	18 -22	3 – 4,5

Порошкові магніти використовують в вузлах, які працюють при ударних та вібраційних навантаженнях. Магнітні і механічні властивості порошкових металевих сплавів наведено в табл. 5.14. Цифра в марках сплавів є порядковим номером, літери ММК позначають: магніт металокерамічний.

Таблиця 5.14 – Магнітні і механічні властивості порошкових магнітних сплавів Fe-Al-Ni-Co [7]

Магніт		Br, Тл	Hc, кА/м	Wmax, кДж/м3	ст	зг
Ливарний	порошковий				МПа
ЮН	ММК – 1	0,60	24	3,0	2000	400
ЮНД4	ММК – 2	0,48	39	3,5	2000	400
ЮНДК3	ММК – 3	0,52	44	4,0	1700	300
ЮНДК12А	ММК – 4	0,76	52	7,5	1700	300
ЮНДК12Б	ММК – 5	0,60	44	4,7	1700	300
ЮНДК15	ММК – 6	0,65	44	5,0	1700	300
ЮНДК24Т1	ММК – 7	1,2	54	14	1200	250
ЮНДК23	ММК – 8	1,10	40	14	1200	250
ЮНДК34Т5А	ММК – 9	0,75	80	12	1000	200
ЮНДК34Т5Б	ММК – 10	0,80	100	15	1000	200
ЮНДК38Т7	ММК – 11	0,70	128	16	1000	200

Магнітотверді ферити також отримують спіканням порошків оксидів Fe, Ba, Co та Sr. За своїми магнітними властивостями (W_max і особливо B_r) вони поступаються ливарним сплавам Fe – Ni – Al. Однак, як діелектрики, вони можуть використовуватися як постійні магніти в високочастотних магнітних полях без теплових втрат. Значення Н_с у феритів значно вище, ніж у ливарних сплавів. Це пов’язано з наявністю в структурі однодоменних нерівновісних порошків оксидів.

Сплави на основі благородних і рідкоземельних металів (РЗМ). Магнітотверді матеріали виготовляють на основі сплавів благородних металів: Ag – Mn – Al, Pt – Fe, Pt – Co, Pt – Pd – Co. Велика коерцитивна сила сплавів на основі благородних металів обумовлює велику стабільність магнітів із цих матеріалів. Використовують сплави тільки для постійних магнітів дуже малих розмірів, головним чином у виді тонких пластин для точних приладів. Велика вартість обмежує використання цих сплавів. Прикладом такого сплаву є ливарний сплав системи Pt – Co марки ПлК78 [7].

Магніти з РЗМ виготовляють з кристалів проміжних фаз рідкоземельних металів з кобальтом, склад яких відповідає формулам RСo₅ та R₂Co₁₇, де R – рідкоземельний метал. Серед них самарій Sm, празеодим Pr, ітрій Y.

В табл. 5.15 наведено значення сталої анізотропії К, намагніченості насичення М_s при 20С і розрахункові значення коерцитивної сили Н_сМ сполук РЗМ. Магнітні характеристики серійних сплавів РЗМ наведено в табл. 5.16.

Таблиця 5.15 – Магнітні характеристики сполук РЗМ [5]

Сполука	К, МДж/м3	Мs, Тл	НсМ, МА/м (розрахункові дані)
Sm2Co17	3,5	1,1	6,4
SmCo5	8 – 11	0,97	17 – 23
PrCo5	6,9 – 10	1,2	12 – 17
YCo5	5,5	1,06	10

Таблиця 5.16 – Магнітні властивості спечених сплавів на основі РЗМ для виготовлення магнітів (ГОСТ 21559-76) [5]

Сплав	Склад, %	Wmax, кДж/м3	HcВ	НсМ	Br, Тл
			кА/м
КС37	37 Sm 63 Co	55	540	1300	0,77
КС37А		65	560	1000	0,82
КСП37	37 (Sm + Pr) 63 Co	65	520	800	0,85
КСП37А		72,5	500	640	0,9

При виготовленні магнітів з РЗМ широко використовують порошкову металургію [5].