Учебно-методический комплекс по дисциплине «электротехнические материалы»

Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях выгоднее, чем электрические. Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на группы:
– легированные мартенситные стали;
– литые магнитотвердые сплавы;
– магниты из порошков.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат: коэрцитивная сила Н_с; остаточная индукция В_r; максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство W_max.
Величины коэрцитивной силы Н_с с остаточной индукцией В_r определяются на петле гистерезиса (рис.12,б). Поясним, что такое максимальная энергия W_max . Если магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то магнитная энергия находится внутри его. Если убрать внешнее поле, то остаточная индукция в магните будет равна В_r. Возьмём кольцевой сердечник, намагнитим его, после этого выпилим из него кусок длиной d. Такого вида сердечники используют в приборах и в реле.
В результате объём магнитного материала уменьшился, следовательно, уменьшится и магнитный поток. Индукция внутри магнита снизится до величины В_d, которая меньше В_r (индукция в магните и воздухе одинакова и составляет значение В_d, но напряжённость магнитного поля (Н) в воздухе больше в 1/µ₀ раз).
Удельная магнитная энергия (Дж/м³) поля, создаваемая в воздушном зазоре магнита, равна W_d = , где Н_d – напряжённость поля, соответствующая индукции В_d ,А/м.
Зазор нужно взять оптимальным, чтобы энергия в воздушном зазоре была максимальной W_max. Величина W_max является важнейшей при оценке качества материала.
Легированные мартенситные стали. Эти стали являются наиболее простыми и доступными для изготовления постоянных магнитов. Мартенситные стали начали применять для производства постоянных магнитов раньше всех других материалов. Стали легируются следующими добавками: кобальта (до 15 %), хрома (до 3 %), вольфрама (до 8 %). У них низкое значение W_max = (1–4) кДж/м³. В настоящее время они имеют ограниченное применение в виду их невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, так как они дёшевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках. Наличие добавок в стали можно определить по марке стали. Например, сталь ЕХ легирована хромом. Другие добавки обозначаются следующими буквами: вольфрам – В, молибден – М, кобальт – К. Цифры указывают процентное содержание элемента, например, ЕХ3 (3% хрома).
Литые магнитотвердые стали. В этой группе наибольшее распространение получили тройные сплавы: железо-никель-алюминий (Fe-Ni-Al). Они имеют большую магнитную энергию, чем мартенситные стали. Для улучшения магнитных свойств эти сплавы легируют: кобальтом (2–40 %), медью (2–8 %), титаном (0–9 %), ниобием, кремнием. Магнитная энергия лучших сплавов достигает W_max = 40 кДж/м³.
Изделия из этих сплавов получают в основном методом литья, недостатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твёрдость, поэтому обработка на металлорежущих станках затруднена. В основном их обрабатывают шлифовкой.
Магниты из порошков. Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Среди них рассмотрим следующие виды магнитов:
а) металлокерамические магниты (получены из измельченных сплавов типа Аl-Ni-Fe);
б) металлопластические магниты (получены из сплавов типа Аl-Ni-Fe и связующего материала).
Металлокерамические магниты изготавливают из измельченных порошков сплавов Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Fe-Co-Ni-Al путем прессования и дальнейшего спекания при высоких температурах. Такой способ выгодно применять для производства мелких магнитов и магнитов сложной конфигурации, так как при такой технологии получаются достаточно точные размеры, и дальнейшая обработка не требуется. Металлокерамические магниты обычно имеют пористость 3 – 5 %, а запасенная магнитная энергия и остаточная индукция у них на 10–20 % ниже, чем у литых магнитов из соответствующего сплава. Зато по механической прочности они превосходят литые магниты в 3 – 6 раз.
Металлопластические магниты, как и металлокерамические, получают из металлического порошка сплавов типа Аl-Ni-Fe, смешанных с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смолы). Процесс изготовления магнитов заключается в прессовании смеси под давлением
500 МПа, нагревании заготовок до температуры 120–180 ^оС для полимеризации диэлектрика. Магнитные свойства металлопластических магнитов довольно низкие. Коэрцитивная сила у них по сравнению в литыми магнита-
ми из соответствующего сплава ниже на 10–15 %, остаточная индукция – на
35–50 %, а запасенная магнитная энергия – на 40–60 %.
Понижение магнитных свойств объясняется большим содержанием (до 30%) немагнитного связующего вещества. Однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью. Благодаря высокому электрическому сопротивлению их можно применять в аппаратуре для переменного магнитного поля повышенной частоты.