Что такое постоянный магнит
Постоянный магнит – это искусственное изделие из магнитотвердого материала, обладающее высокой интенсивностью магнитной энергии и длительным периодом размагничивания. Современные постоянные магниты изготавливают методом классического литья или по технологии порошковой металлургии путем штамповки или прессования (с последующим спеканием) мелкодисперсионных порошков различных сплавов и металлов, обладающих большим магнитным насыщением. Мощность и физические характеристики магнита определяются химическим составом, кристаллической структурой и пропорциями его компонентов. Произведенные по технологии прессования порошков постоянные магниты могут быть выполнены практически в любой геометрической форме (диск, цилиндр, куб, призма, кольцо и т.п.) и иметь различное направление магнитного поля.
Ферромагнетики и их особенности
Для изготовления постоянных магнитов используют металлы с выраженной ферромагнитной структурой - ферромагнетики. При сплавлении ферромагнетиков происходит взаимная переориентация атомов их кристаллических решеток, вследствие чего магнитная восприимчивость сплава многократно увеличивается, он приобретает способность намагничиваться до насыщения даже при малых внешних магнитных полях и длительное время сохранять высокие магнитные свойства. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, а также некоторые из их сплавов и соединений с неферромагнитными материалами.
Рисунок 1. Схема магнита.
Историческая справка о кобальте
Неметаллические соединения кобальта были известны в Египте и Китае более тысячи лет назад. Добавляя в жидкий раствор пигменты кобальта, в Северной Месопотамии делали голубое покрытие для керамических плиток, а в Поднебесной – подглазуровочный слой для знаменитого китайского фарфора. Впервые полученный в 1735 г. шведским химиком Брандтом металлический кобальт вплоть до начала ХХ века практически не использовали в металлургии из-за неудачных экспериментов создать сплав с железом. Сегодня кобальт является важным компонентом жаростойких и инструментальных сталей, а еще он стал одним из наиболее востребованных металлов для изготовления постоянных магнитов.
Магнитные свойства кобальта
Кобальтовые стали и сплавы – это на текущий момент лучшие материалы для постоянных магнитов, на изготовление которых идет более 20% всего добываемого кобальта. Металлический кобальт обладает большой индукцией насыщения, которая выражается в его уникальной способности при однократном намагничивании приобретать магнитную силу, многократно превосходящую мощность внешнего поля. Еще одно важное свойство кобальта – он обладает большой величиной коэрцитивной силы (Hc), препятствующей размагничиванию и перемагничиванию материала.
Слово «коэрцитивный» происходит от латинского «coercitio», которое переводится как удерживание, поэтому данную характеристику можно описать как сохранение (удерживание) магнитной энергии. Магнитная хромистокобальтовая сталь ЕХ5К5, содержащая по 5-6% кобальта и хрома обладает коэрцитивной силой до 170 эрстед (А/м) при остаточной индукции (Br) до 8500 гаусс (тесла). Магнитный сплав кобальта с платиной по силе магнитной энергии вообще не имеет конкурентов, однако имеет довольно большую стоимость, что препятствует его широкому применению.
Точка Кюри у кобальта, существующая для каждого ферромагнетика, выраженная значением температуры фазового перехода, при достижении которой намагниченный до насыщения материал становится парамагнетиком и теряет свои магнитные свойства, значительно выше, чем у других металлов с ферромагнитной структурой. Для примера: точка Кюри для кобальта равна 1127°С, для железа 770°С, для никеля 358°С, для гадолиния 19°С. Этим объясняется стабильность свойств постоянных магнитов из кобальтосодержащих сплавов в широком температурном диапазоне.
Кобальтосодержащие магнитные сплавы
Современные технологии позволяют точно определять химический состав сплава для постоянных магнитов, придавая им те характеристики, которые востребованы потребителями конечной продукции. Наиболее распространенными магнитами сегодня являются изделия из сплавов систем железо-никель-алюминий-кобальт (Fe-Ni-Al-Co) и самарий-кобальт (Sm-Co).
Магнитный сплав железо-никель-алюминий-кобальт (Fe-Ni-Al-Co)
Для обозначения магнитных сплавов на основе железа (Fe) с добавлением никеля (Ni), алюминия (Al) и кобальта (Co) чаще всего используют зарубежный термин «алнико» (англ. AlNiCo), по начальным буквам металлов: алюминия (10-18%), никеля (15-34%) и кобальта (18-40%). Российское название сплава – ЮНДК. Указанные выше пропорции сплава обеспечивают постоянным магнитам большую величину индукции насыщения, а как следствие – большое значение остаточной индукции. Кобальт в этом аспекте играет ключевую роль, поскольку чем больше в сплаве Со, тем выше индукция его насыщения и магнитная энергия, способная достигать значений 4000—5200 Дж/м3.
Плюсы и минусы магнитов железо-никель-алюминий-кобальт (Fe-Ni-Al-Co)
К недостаткам сплава Fe-Ni-Al-Co можно отнести не самую высокую коэрцитивную силу (Нс), колеблющуюся в пределах 36-58 эрстед (А/м), которую, кстати, можно повысить при производстве путем увеличения содержания алюминия и никеля. Магниты из сплава Fe-Ni-Al-Co, произведенные прессованием по порошковой технологии, имеют механическую прочность в несколько раз большую, чем литые, но уступают им по силе магнитной энергии на 10-20%. Безусловным плюсом постоянных магнитов Fe-Ni-Al-Co является высокая термическая стабильность, способность эффективно работать при температурах до 550°С, при этом их температура Кюри составляет 810 - 900°С. Постоянные магниты на основе сплава Fe-Ni-Al-Co обладают хорошей химической и коррозионной стойкостью, а также сравнительно невысокой стоимостью.
Магнитный сплав самарий-кобальт (Sm-Co)
Использование сплава самарий-кобальт (Sm-Co) для производства постоянных магнитов обуславливается тем, что он позволяет создавать относительно легкие изделия с очень большой магнитной силой, в том числе крайне малых типоразмеров для миниатюрной техники и устройств (часов, наушников, смартфонов, компьютеров). Самарий (Sm) – редкоземельный металл, внешне напоминающий свинец, а по механическим свойствам схожий с цинком. Постоянные магниты на основе сплава самария и кобальта в несколько раз превышают магнитные параметры ферритовых магнитов и лидируют в классе редкоземельных магнитов по максимальному значению коэрцитивной силы, которая у них может достигать 1000-1200 кЭ (кА/м), что на порядок выше аналогичного показателя сплава ЮНДК (Fe-Ni-Al-Co).
Достоинства и недостатки магнитов самарий-кобальт (Sm-Co)
Достоинства магнитов Sm-Co – хорошая прочность (порошковая металлургия) и большая величина остаточной индукции, отличная термическая стабильность при максимальных рабочих температурах 250-350°C, что объясняется температурой Кюри сплава в 720-800°C и выше. Магниты Sm-Co устойчивы к коррозии, воздействию климатических факторов, а потому не нуждаются в нанесении защитного покрытия, что позволяет их использовать в агрессивных средах с большими температурами, например, в нефтяных пластах. К недостаткам постоянных магнитов Sm-Co можно отнести их высокую стоимость.
Применение кобальтосодержащих постоянных магнитов
С использованием кобальта производят большое количество магнитов, которые вследствие высоких магнитных свойств нашли широкое применение в электромашиностроении, станкостроении, приборостроении, в пищевой, нефтегазовой, космической отрасли и других сферах, где постоянный магнит используют в качестве элемента:
- электродвигателей и генераторов;
- преобразователей постоянного тока;
- пускозащитной аппаратуры;
- систем контроля целостности трубопроводов;
- систем магнитной обработки и очистки различных сред;
- дугогасительных устройств;
- систем безбатарейной телефонной связи;
- акустических систем и реле;
- компьютерных комплектующих;
- электросчетчиков, магнитоиндукционных тахометров, омметров, расходомеров (в металлургии), различной измерительной аппаратуры;
- бытовых электроприборов.
Современные постоянные магниты чрезвычайно разнообразны по способу производства, по физическим и химическим характеристикам, по форме, цене, благодаря чему практически для любой цели можно подобрать оптимальное изделие. Количество сфер применения постоянных магнитов постоянно расширяется, а кобальтовые сплавы Fe-Ni-Al-Co и Sm-Co на сегодняшний день играют главную роль в развитии этой тенденции.
Рисунок 2. Электрический двигатель.
