Магнитные металлы и сплавы

Обновлено: 22.01.2025

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.

В справочных таблицах дана удельная магнитная восприимчивостьχ некоторых пара- и диамагнитных тел, которая для изотропных тел определяется выражением:

χ = Y / H

где Y обозначает намагниченность 1г тела, а Н — напряженность внешнего намагничивающего поля.

Таблица магнитная восприимчивость χ для элементов

Твердые тела предполагаются в изотропном состоянии. Температуры (t °С) отвечают стоградусной шкале.

Элементы	t (°С)	χ-10β
Азот	18	-0,34
Алюминий	18	+0,65
Аргон	18	-0,48
Барий	20	+0,91
Висмут	18	-1,38
260	-1,02
Водород	18	-1,98
Вольфрам	16	+0,28
Гелий	18	-0,47
Золото	18	-0,15
-256,6	-0,13
Иридий	25	+0,14
200	+0,17
450	-0,20
850	-0,26
1150	+0,31
Кадмий	18	-0,18
Калий	20	+0,52
Кальций	20	+1.10
Кислород	20	+106,2
Кислород жидкий	-195	+259,6
Кислород твердый	-240	+60
Кремний	20	-0,13
Литий	16	+0,50
Магний	18	+0,55
Магний жидкий	700	+0,55
Марганец	22	+9,9
Медь	18	-0,085
Молибден	18	+0,04
Натрий	18	+0,51
Неон	18	-0,33
Олово	18	+0,025
Олово серое	18	-0,35
Олово жидкое	400	-0,036
Палладий	18	+5,4
200	+4,6
750	+2,6
1230	+1,7
Платина	18	-1,10
250	-0,66
700	-0,45
1220	+0,30
Ртуть	18	-0,19
Ртуть твердая	—80	-0,15
Свинец	16	-0,11
Свинец жидкий	330	-0,08
Сера ромб	18	-0,49
Сера жидкая	113	-0,49
220	-0,49
Серебро	16	-0,20
Сурьма	16	-0,87
Сурьма жидкая	800	-0,49
Тантал	18	+0,87
820	+0,77
Углерод алмаз	18	-0,49
400	-0,51
1200	-0,56
Углерод графит	20	-3,5
-170	-6,0
600	-2,0
1000	-1,3
Фосфор белый	20	-0,90
Хлор жидкий	-60	-0,57
Хром	18	+3,6
1100	+4,2
Цинк	18	-0,157
Цинк жидкий	450	-0,09
Эрбий	18	+22

Таблица магнитная восприимчивость χ для некоторых соединений, органических и неорганических

_______________

Источник информации: КРАТКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК/ Том 1, — М.: 1960.

НЕМАГНИ́ТНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ

НЕМАГНИ́ТНЫЕ МАТЕРИА́ЛЫ, ма­те­риа­лы с низ­кой маг­нит­ной про­ни­цае­мо­стью ($μ⩽1,5$). Раз­ли­ча­ют диа- и па­ра­маг­нит­ные, сла­бо­фер­ро­маг­нит­ные и ан­ти­фер­ро­маг­нит­ные ма­те­риа­лы.

Стро­го го­во­ря, аб­со­лют­но не об­ла­даю­щих маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми ма­те­риа­лов не су­ще­ст­ву­ет, т. к.

диа­маг­не­тизм – свой­ст­во, при­су­щее всем ве­ще­ст­вам, ко­то­рое в боль­шей или мень­шей сте­пе­ни мо­жет пе­ре­кры­вать­ся элек­трон­ным или ядер­ным па­ра­маг­не­тиз­мом, фер­ро­маг­не­тиз­мом или ан­ти­фер­ро­маг­не­тиз­мом.

К Н. м. от­но­сит­ся боль­шин­ст­во ме­тал­лов и спла­вов (в т. ч. ау­сте­нит­ные ста­ли и чу­гу­ны), а так­же боль­шин­ст­во по­ли­ме­ров и ком­по­зи­тов на их ос­но­ве, де­ре­во, стек­ло и мно­гие др. ма­те­риа­лы. Как кон­ст­рук­ци­он­ные ма­те­риа­лы наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние, бла­го­да­ря вы­со­ким ме­ха­нич.

свой­ст­вам, из­но­со­стой­ко­сти и дол­го­веч­но­сти, по­лу­чи­ли ме­тал­лич. Н. м., гл. обр. не­маг­нит­ные ста­ли и чу­гу­ны, а так­же спла­вы ме­ди, алю­ми­ния, ти­та­на (напр., ни­ке­лид ти­та­на) и др.

Не­маг­нит­ность ста­лей и чу­гу­нов обес­печи­ва­ет­ся соз­да­ни­ем в них струк­ту­ры аусте­ни­та, что дос­ти­га­ет­ся со­от­вет­ст­ву­ю­щим ле­ги­ро­ва­ни­ем. Не­маг­нит­ные сталь и чу­гун ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким удель­ным элек­три­че­ским со­про­тив­ле­ни­ем. Луч­ши­ми тех­но­ло­гич.

свой­ст­ва­ми об­ла­да­ют хро­мо­ни­ке­ле­вые не­маг­нит­ные ста­ли, вы­пус­кае­мые в ви­де лис­тов, про­воло­ки и лент. Ти­пич­ный со­став не­маг­нит­ной ста­ли: до 0,12% (по мас­се) $ce$, до 0,8% $ce$, 1–2% $ce$, 17–19% $ce$, 11–13% $ce$, ос­таль­ное – $ce;; μ$= 1,05–1,2.

Для де­та­лей слож­ной кон­фи­гу­ра­ции, от ко­то­рых не тре­бу­ет­ся вы­со­кой проч­но­сти, при­ме­ня­ют бо­лее де­шё­вые не­маг­нит­ные чу­гу­ны, удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние ко­то­рых (1,4–2,0 мкОм·м), как пра­ви­ло, боль­ше, чем у не­маг­нит­ных ста­лей (ок.

1 мкОм·м), что обес­пе­чи­ва­ет ма­лые по­те­ри энер­гии на вих­ре­вые то­ки в де­та­лях, ра­бо­таю­щих на пе­ре­мен­ном то­ке. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны ни­кель-мар­ган­це­вые чу­гу­ны, со­дер­жа­щие (по­ми­мо $ce$) 2,6–3,2% $ce$, 5–7,5% $ce$, 9–12% $ce$, 2,5–3,5% $ce$ и до 1,1% $ce;; μ$=1,03–1,06. Н. м.

на ос­но­ве цвет­ных ме­тал­лов име­ют обыч­но бо­лее низ­кую маг­нит­ную про­ни­цае­мость, чем не­маг­нит­ные ста­ли и чу­гу­ны, хо­ро­шо об­ра­ба­ты­ва­ют­ся ре­за­ни­ем и дав­ле­ни­ем, од­на­ко их ме­ха­нич. свой­ст­ва не все­гда удов­ле­тво­ри­тель­ны, а элек­трич. со­про­тив­ле­ние ма­ло.

Н. м. при­ме­ня­ют для из­го­тов­ле­ния де­та­лей, ко­то­рые не долж­ны ока­зы­вать маг­нит­но­го влия­ния на ра­бо­чую сис­те­му из­ме­рит. ус­та­но­вок, при­бо­ров, ма­шин и ап­па­ра­тов. Из Н. м.

го­то­вят ко­роб­ки ком­па­сов, де­та­ли элек­тро­из­ме­рит.

при­бо­ров и ча­сов, не­маг­нит­ные пру­жи­ны, втул­ки и флан­цы (сквозь ко­то­рые про­хо­дят ка­бе­ли пе­ре­мен­но­го то­ка), стя­ги­ваю­щие бол­ты и ко­жу­хи транс­фор­ма­то­ров и элек­тро­ма­шин, спец. (не­маг­нит­ное) мед. обо­ру­до­ва­ние и др.

Естественнонаучные исследования

Эрстед, проводя эксперименты с магнитной стрелкой и проводником, приметил следующую особенность: разряд энергии, направленный в сторону к стрелке, мгновенно на нее действовал, и она начинала отклоняться.

Стрелка всегда отклонялась, с какой бы стороны он не подошел.

Продолжать многократные эксперименты с магнитом стал физик из Франции Доминик Франсуа Араго, взяв за основу трубку из стекла, перемотанную металлической нитью, посередине этого предмета он установил железный стержень. С помощью электричества, находившееся внутри железо начинало резко намагничиваться, из-за этого стали прилипать различные ключи, но стоило отключить разряд, и ключи сразу падали на пол. Исходя из происходящего физик из Франции Андре Ампер, разработал точное описание всего происходящего в этом эксперименте.

Когда магнит притягивает к себе металлические предметы, это кажется волшебством, но в действительности «волшебные» свойства магнитов связаны всего лишь с особой организацией их электронной структуры. Поскольку электрон, вращающийся вокруг атома, создает магнитное поле, все атомы являются маленькими магнитами; однако в большинстве веществ неупорядоченные магнитные эффекты атомов уравновешивают друг друга.

Магнитная цепочка

Касание конца магнита к металлическим скрепкам приводит к возникновению у каждой скрепки северного и южного полюса. Эти полюса ориентируются в том же направлении, что и у магнита. Каждая скрепка стала магнитом.

Бесчисленные маленькие магнитики

Некоторые металлы имеют кристаллическую структуру, образованную атомами, сгруппированными в магнитные домены. Магнитные полюса доменов обычно имеют различное направление (красные стрелки) и не оказывают суммарного магнитного воздействия.

Образование постоянного магнита

Обычно магнитные домены железа ориентированы бессистемно (розовые стрелки), и естественный магнетизм металла не проявляется. Если к железу приблизить магнит (розовый брусок), магнитные домены железа начинают выстраиваться вдоль магнитного поля (зеленые линии). Большинство магнитных доменов железа быстро выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля. В результате железо само становится постоянным магнитом.

Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы должны отвечать следующим требованиям:

1. обладать большой остаточной индукцией;
2. иметь большую максимальную магнитную энергию;
3. обладать стабильностью магнитных свойств.

Самым дешевым материалом для постоянных магнитов является углеродистая сталь (0,4 – 1,7 % углерода, остальное – железо). Магниты, изготовленные из углеродистой стали, обладают невысокими магнитными свойствами и быстро теряют их под влиянием нагрева, ударов и сотрясений.

Легированные стали обладают лучшими магнитными свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов чаще, чем углеродистая сталь. К таким сталям относятся хромистая, вольфрамовая, кобальтовая и кобальто-молибденовая.

Для изготовления постоянных магнитов в технике разработаны сплавы на основе железа – никеля – алюминия. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они могут обрабатываться только шлифованием. Сплавы обладают исключительно высокими магнитными свойствами и большой магнитной энергией в единице объема.

В таблице 1 приведены данные о составе некоторых магнитно-твердых материалов для изготовления постоянных магнитов.

Химический состав магнитно-твердых материалов

Наименование материала	Химический состав в весовых процентах	Относительный вес на единицу магнитной энергии
Углеродистая сталь Хромистая сталь Вольфрамовая сталь Кобальтовая сталь Кобальто-молибденовая сталь Альни Альниси Альнико Магнико	0,45 C остальное Fe 2 – 3 Cr; 1 C 5 W; 1 C 5 – 30 Co; 5 – 8 Cr; 1,5 – 5 W 13 – 17 Mo; 10 – 12 Co 12,5 Al; 25 Ni; 5 Cн 14 Al; 34 Ni; 1 Si 10 Al; 17 Ni; 12 Co; 6 Cн 24 Co; 13 Si; 8 Al; 3 Cн	26,7 17,2 15,8 5,1 – 12,6 3,8 3,6 3,4 3,1 1

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.

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.

Какие металлы, кроме железа, притягиваются магнитом?

Интересно

Возможность магнита притягивать к себе различные металлические предметы наверняка хорошо знакома каждому. Присутствие их в повседневной жизни остается практически незамеченным, например, в виде различных изображений на дверцах холодильника. Не говоря уже о применении магнитов в медицине и других отраслях. Как устроен магнит и какие вещества он притягивает, помимо железа?

Что такое магнит и как он устроен?

Магнит – это тело, которое обладает собственным магнитным полем. Магниты бывают нескольких видов:

1. Постоянные – изделия, которые после однократного намагничивания сохраняют данное свойство. Магниты разделяются на несколько подвидов в зависимости от силы и других параметров.
2. Временные – функционируют по принципу постоянных, но лишь тогда, когда располагаются в сильном магнитном поле. Например, изделия из так называемого мягкого железа (гвозди, скрепки и т.п.).
3. Электромагниты представляют собой провода, плотно намотанные на каркас. Как правило, такое устройство оснащено железным сердечником. Работает оно лишь при условии прохождения по проводу электрического тока.

Постоянный магнит – наиболее привычный и распространенный. Для его изготовления чаще всего используют следующие сочетания материалов:

• неодим-железо-бор;
• альнико или сплав ЮНДК (железо, алюминий, никель, кобальт);
• самарий-кобальт;
• ферриты (соединения оксидов железа и других металлов-ферримагнетиков).

Любой магнит имеет южный и северный полюс. Одинаковые полюса отталкиваются, а противоположные – притягиваются.

Интересный факт: магниты зачастую изготавливаются в виде подковы. Это делается для того, чтобы полюса располагались максимально близко друг к другу. Таким образом, создается сильное магнитное поле, которое способно притягивать более крупные части металла.

Почему магнит притягивает лишь определенные вещества?

Принцип его работы построен на создании магнитного поля при помощи движущихся электронов. В целом электрон является простейшим магнитом. А любая заряженная частица, находящаяся в движении, образует магнитное поле. Если движущихся частиц много, а их перемещение происходит вокруг одной оси, получается тело с магнитными свойствами.

Почему в таком случае магнит не притягивает все вещества подряд? В состав атома входит ядро, а также электроны, вращающиеся вокруг него. У электронов есть специальные уровни, по которым они вращаются, или орбиты. На каждом таком уровне расположено по 2 электрона. Причем вращаются они в разных направлениях.

Однако есть вещества под названием ферромагнетики. Некоторые электроны у них непарные. Соответственно, определенное их количество может вращаться в одном и том же направлении. Так создается магнитное поле вокруг каждого атома вещества.

Направление магнитного поля

К ферромагнетикам относятся такие металлы, как железо, кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий. Также аналогичными свойствами характеризуются некоторые металлические сплавы и соединения. Количество ферромагнетиков неметаллического происхождения не так велико или пока мало изучено. К ним относится, например, оксид хрома.

Магнитной восприимчивостью характеризуются вещества (преимущественно металлы), которые обладают определенной структурой. Их называют ферромагнетиками – это вещества, у которых магнитные поля атомов складываются в одном направлении. Помимо железа, к ферромагнетикам относятся кобальт, никель, тербий, гадолиний, диспрозий, гольмий, эрбий. Также магнит притягивает некоторые сплавы и даже неметаллические вещества – например, оксид хрома.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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.

Читайте также:

  
• Вентилятор с металлическими лопастями
  
• Акимов основы учения о коррозии и защите металлов
  
• Мастерские по ремонту металлических изделий
  
• Установка для разбивки металлического лома и глыб мартеновского шлака
  
• Входная группа из металла