Магнитная сталь

 

Магнитные стали и сплавы делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы

Магнитотвердые стали и сплавы  обладают  высоким значением коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Br (рис.1. а). Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из  углеродистых заэфтектоидных  сталей У10-У12.

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

У стали У12  после закалки в воде Hc =60 э, Br=8000 Гс. Однако низкая  прокаливаемость, малая  стабильность  остаточной индукции привели к вытеснению углеродистых сталей  легированными.

значение коэрцитивной силы и остаточной индукции

   Легирование металла вызывает повышение  магнитной твердости (т.е. коэрцитивной силы).  Коэрцитивная сила возрастает при образовании в  твердом растворе второй фазы, с  повышением  дисперсности  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 ( см. таблицу).

Химический состав стали для постоянных магнитов

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

Высокое содержание углерода и легирующих  элементов в этих сталях придает  повышенную твердость,  поэтому перед  холодной механической  обработкой их подвергают  смягчающему отжигу при 700-850ᴼ 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 масле, но обязательно охлаждают  в масле, чтобы избежать  коробления и образования трещин,  хотя при этом  несколько  снижаются магнитные свойства.

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

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

Высокими магнитными свойствами обладают железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнико (8% Al. 24%Co, 14%Ni, 3%Cu,  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 1300ᴼ С сплав  помещают  между полюсами  электромагнита напряженностью  2000-3000 э и охлаждают до температуры ниже 500ᴼ 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 600ᴼ С. Магнитные свойства : Нс =500э, Br =12300 Гс.

В последнее время находят  применение сплавы на основе кобальта (52%Co, 14%V,  остальное железо).

Сплав поставляется в виде лент,  полос и т.д. Магнитные свойства сплава:Hc=500 э и Br=10 000 Гс.

 

Магнитомягкие стали и сплавы

Магнитомягкие стали и сплавы имеют  низкую  коэрцитивную силу (рис 1 б) и высокую  магнитную  проницаемость (µ). 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 и стали для снятия  напряжений и искажений подвергают  отжигу рекристаллизации.

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

Широкое применение в промышленности нашла  электротехническая сталь – сплав железа с кремнием (0,05 -0,005% С, 1,0-4,8% Si). Легирование кремнием  повышает  электросопротивление стали и тем самым  уменьшает потери на вихревые токи, повышает магнитную  проницаемость, снижает коерцитивную силу и  потери на гистересиз, способствует росту зерна, улучшает  магнитные свойства за счет  графитизирующего  действия.

Маркируют электротехнические стали следующим  образом: Э11;Э12,Э22,Э32,Э42 и т.д. Буква Э указывает, что сталь  электротехническая, первая цифра после буквы  показывает содержание кремния (1,2,3 и 4%), вторая цифра (1-8)  указывает гарантированные магнитные свойства.  Например, Э12 –электротехническая сталь с 1%Si и второго уровня по  электротехническим свойствам.

Если сталь после холодной прокатки  и отжига имеет  преимущественную ориентацию зерен, а именно, вдоль  направления прокатки (т.е. имеет текстуру), то к маркировке добавляют один нуль, а если сталь  малотекстурованная, т.е. не имеет  преимущественной ориентации зерен, то к маркировке добавляют два нуля. Например, Э120,Э1200.

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

Прирубке листов, резке, штамповке, гибке  магнитные свойства ухудшаются. Для  восстановления  магнитных свойств электротехнической стали рекомендуется  отжиг при 750-850 ᴼ С в течение 2 ч с  медленным (≈520град/ч)  охлаждением до 400 ᴼ С. При этом  исключается  окисление и науглероживание стали.

Электротехническую сталь  изготовляют 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 1100-1300≈ 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.

 

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов»   В.М. Зуев.