Сравнительный анализ материалов для изготовления постоянных магнитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уфимский государственный авиационный технический университет

Сравнительный анализ материалов для изготовления постоянных магнитов

Технические науки

№49-2

Баранов Андрей Михайлович, бакалавр, студент

09.08.2016

Аннотация

В настоящей статье был произведен сравнительный анализ различных видов материалов для изготовления постоянных магнитов.

Магнитотвердые материалы, стали, сравнительный анализ, сплавы, постоянные магниты, материалы

Для постоянных магнитов (ПМ) используемые материалы различаются по технологии изготовления. Преобладающим при классификации магнитотвердых материалов (МТМ) основным признаком принимают - технологичность, связанную составом материала или определенным соотношением. По этому признаку материалы можно разделить на следующие группы:

· Мартенситные стали

· Ковкие безуглеродистые сплавы на основе б - железа

· Железокобальтоплатиновые сплавы

· Литые сплавы на основе систем Fe-Al-Ni (альни) и Fe-Al-Ni-Co (альнико)

· Металлокерамические МТМ из сплавов системы железо - никель - алюминий - кобальт.

· Ферриты

· Магнитотвердые материалы на основе редкоземельных элементов (РЗЭ)

· Магнитопласты и магнитоэласты

Мартенситные стали, впервые были использованы для изготовления ПМ. Нужная структура достигалась в мартенситные стали благодаря закалке методом быстрого охлаждения. Такие материалы обладают низкой коэрцитивной силой, относительно высокой остаточной индукцией и невысокой (BH)_max. Эти стали поддаются прокатке и ковке, следовательно, обладают достаточно высокими технологическими качествами. Их механические свойства дают возможность до закаливания производить сверление отверстий и нарезку резьбы. Максимальная рабочая температура не превышает 100 ⁰C, что являющейся довольно низкой по отношению к другим материалам для ПМ.

Мартенситные стали обладают низкой удельной энергии и относительно высокого содержания дефицитных компонентов. Практическое значение этой группы сплавов существенно снизились.

В табл. 1 показаны магнитные параметры мартенситных сталей, выпускаемых отечественной промышленностью

Таблица 1. Основные магнитные параметры магнитотвердых материалов на основе ковкой закаливаемой на мартенсит стали и безуглеродистые сплавы на основе б - железо

Ковкие безуглеродистые сплавы на основе б - железа. Благодаря таким, сплавом могут изготавливаться детали сложной формы горячей или холодной ковкой. Они обладают достаточно высокими механическими и технологическими свойствами. Эти сплавы не получили большого распространения из-за дефицитности исходного сырья, в первую очередь кобальта. Ковкие безуглеродистые сплавы на основе б - железа нашли применение в гистерезисных двигателях. Основные параметры показаны в табл. 1.

Железокобальтоплатиновые сплавы, обладают достаточно хорошими механическими и магнитными характеристиками. Недостатками таких сплавов являются большой удельный вес, из-за чего и ограничивается их массовое применение, а так же высокая стоимость. В большинстве случаях их используют в специальных измерительных приборов и устройств в виде минниатюрных ПМ. Делаются в виде проволки, прутков, листов или ленты. Максимальная энергия (BH)_max=40-50 кДж/м³.

Литые сплавы на основе систем Fe-Al-Ni (альни) и Fe-Al-Ni-Co (альнико). При изготовлении сплавов типа альнико за счет подбора режимов охлаждения в магнитном поле и химического состава удалось получить анизотропию магнитных свойств, создав различные структуры. Эти структуры позволили существенно увеличить удельную магнитную энергию. Постоянные магниты из альнико производят литьем и спеканием. Литье позволяет изготовить ПМ различной формы и геометрии.

К основным преимуществам материалов альнико можно отнести достаточно высокие значения индукции, высокую механическую прочность, стабильность магнитных свойств в широком температурном диапазоне, возможность работы при температуре до 600 ⁰C. Благодаря высокому содержанию никеля сплав обладает высокой коррозионной стойкостью.

К недостаткам относят твердость и хрупкость и, как следствие, трудность механической обработки.

Магниты на основе сплава альнико широко используются в электродвигателях, генераторах, тахометрах, а также для калибровки высокоточных нивелиров, в измерительных приборах и т.д.

Металлокерамические МТМ из сплавов системы железо - никель - алюминий - кобальт. Постоянные магниты изготавливают в результате спекания порошка на основе сплава Al-Ni-Co.В отличие от литья, при спекании размеры и формы ПМ ограничены. Спеченый альнико имеет худшие магнитные свойства, но лучшую механическую прочность по сравнению с литым. Предел прочности при растяжении достигает (35-46) 10⁷ Па, предел прочности при изгибе достигает 70*10⁷ Па, а при сжатии 32*10⁷ Па. Металлокерамические магниты, изготовленные их этого материала, не нуждаются в механической обработке нерабочих поверхностей.

Ферриты. Эти материалы изготавливают методом порошковой технологии из смеси измельченных оксидов железа Fe₂O₃, а также бария BaO, кобальта CoO или стронция SrO. Технологический процесс, включает в себя две основных операции: прессование и спекание смеси порошков. Для получения анизотропных свойств ферритов их прессование проводится в магнитном поле. Основными достоинствами являются низкая стоимость, достаточно высокие значения коэрцитивной силы, хорошая коррозионная стойкость. Практически все ферриты не подвержены структурному старению. В интервале температур от - 60 до 500 ⁰C и магнитному старению до 400 ⁰C. Они имеют большое удельное электрическое сопротивление, что позволяет использовать их в высокочастотных полях. Изотропные ферриты имеют коэффициент возврата, близкий к единице, алинии возврата совпадают с кривой размагничивания. Анизотропные ферриты обладают линейностью характеристики B=f(H)

Существуют недостаток - это сильная зависимость магнитных параметров от температуры, из-за чего ферриты применяются главным образом в тех случаях, когда не предъявляются жесткие требования к температурной стабильности магнитного потока в систему. К недостаткам следует отнести также их хрупкость и сложность механической обработки.

Постоянные магниты из ферритов применяют в различных промышленных и бытовых электромеханических преобразователях, системах магнитной очистки воды, компьютерных периферийных устройствах и т.п.

Магнитотвердые материалы на основе редкоземельных элементов (РЗЭ). Эти МТМ были получены в 1970-1980 - ч годах на основе РЗЭ (самария и неодима), они обладают улучшенными магнитными свойствами. Применение редкоземельных магнитов (РЗМ) позволило существенно улучшить массогабаритные и энергетические показатели устройств, имеющих магнитные системы с ПМ. магнитотвердый сплав мартенситный

Постоянные магниты типа RCo₅ изготавливают на основе редкоземельных металлов (самария Sm, празеодима Pr, тербия Tb, церия Ce, гадолиния Gd и др.). Они обладают хорошими магнитными свойствами (высокими значениями намагниченности насыщения, коэрцитивной силы), температурной стабильностью, а также коррозионной стойкостью. Диапазон изменения рабочих температур составляет от -70 до 300 ⁰C.

Основные недостаток этих МТМ это высокая стоимость. Тем не менее МТМ применяют в различных областях, особенно когда требуется стабильность свойств, при изменении температуры в широких пределах, в частности в изделиях космической и оборонной промышленности.

Особый практической интерес вызывают бескобальтовые РЗМ на основе соединения неодим - железо - бор (Nd - Fe - B). Достигнутое значение энергетического произведения (BH)_max у этих МТМ - наиболее из всех известных материалов, однако это еще не предел - теоретически возможное значение (BH)_max составляет для этого материала около 510 кДж/м³.

Из недостатков следует отметить значительное изменение магнитных свойств в зависимости от температуры (частичная потеря магнитных свойств, при эксплуатации при температуре выше 200 ⁰C), а также подверженность коррозии. Интенсивно ведутся также работы по их температурной стабильности. В настоящее время выпускают марки МТМ на основе Nd - Fe - B с рабочей температурой 200 ⁰C и даже выше, что открывает широкую перспективу для их применения в различных областях промышленности, науки и техники.

Магнитопласты и магнитоэласты. Магнитопласты представляют собой высоконаполненный композиционный материал, в котором в качестве наполнителя используют магнитный материал (как магнитомягкий, так и магнитотвердый) в виде порошка или мелких чешуек, а в качестве связки - различного рода полимеры, синтетические смолы и т.п.

Магнитные порошки изготавливают из бариевого или стронциевого феррита, сплавов на основе РЗЭ (неодим - железо - бор, самарий - кобальт, самарий - железо), альнико. Применяется также смеси этих материалов. От того, какая магнитная компонента использована в данном продукте, зависят его магнитные характеристики.

Полимерные магниты изготавливают литьем под давлением, экструзией, прессованием и каландрованием.

Жесткие магнитопласты характеризуются более высокими, чем у гибких магнитов, значениями коэрцитивной силы, остаточной индукции и энергетического произведения.

Верхний предел рабочего диапазона температур магнитопластов составляет 100-150 ⁰C без потери эксплуатационных свойств. При этом температурная стабильность магнитопластов значительно выше по сравнению со стабильностью МТМ, полученных традиционными методами.

Постоянные магниты со связкой из полимеризующихся синтетических смол (магнитопласты) производят методом металлопластической технологии, а элостичные ПМ (магнитоэласты) - по технологии изготовления резиновых изделий. Поэтому их механические свойства такие же, как у пластмасс и резины.

Магнитопласты имеют существенные преимущества по сравнению с обычными металлическими или керамическими магнитами:

· высокую стабильность магнитных свойств;

· более низкую трудоемкость изготовления;

· возможность с высокой точностью получать изделия сложной формы;

· хорошую механическую прочность и пластичность;

· устойчивость к коррозии.

Недостатки - это пониженные значения магнитной энергии на единицу объема (по сравнению с обычными магнитами), так как эти значения определяются объемным содержанием магнитного материала.

Постоянные магниты на основе магнитопластов используются в генераторах, электродвигателях, в акустических преобразователях, в электроизмерительных приборах в изделиях оргтехники, бытовой и специальной техники. Особенно эффективно использование магнитопластов вентильных электродвигателей.

Магнитопласты и магнитоэласты в настоящее время становятся все более и более востребованными. Проблема повышения их уровня качества связана с решением ряда задач:

· разработкой новых высокоэнергоемких магнитных наполнителей;

· подбором связующих материалов, которые при минимальном объемном содержании обеспечат требуемый уровень механических свойств;

· исследованием процессов взаимодействия наполнитель - связующие;

· созданием нового оборудования для их изготовления.

Таким образом, каждый можно увидеть, что каждый материал имеет достоинства и недостатки и исходя из поставленной задачи необходимо выбирать тот или иной материал.

Размещено на Allbest.ru