Магниты юндк что это

Магниты юндк что это

Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Авторизация

Статьи

Исследовано влияние параметров направленной кристаллизации на совершенство кристаллической структуры, структуру высококоэрцитивного состояния и магнитные свойства сплавов ЮНДК25БА, легированных ниобием, кремнием и серой. Установлено, что сплавы ЮНДК25БА имеют склонность к образованию регламентированной (столбчатой или монокристаллической) структуры, и возможно производить такие магниты на оборудовании, предназначенном для выплавки лопаток газотурбинных двигателей, УВНС-5. Определены составы, обеспечивающие наибольшие магнитные свойства, превышающие требования ГОСТ 17809–72 и уровень зарубежных аналогов.

Введение

Условия создания столбчатой структуры возможно реализовать при литье в холодные формы по методу «обогрева металла металлом» [3–5], формирование монокристаллической структуры возможно обеспечить при вакуумном литье по затравочной технологии на водоохлаждаемый холодильник, выдвигающийся из печи – видоизмененный метод Бриджмена [6, 7]. Таким образом, можно сделать вывод, что технология получения монокристаллических магнитов и магнитов со столбчатой структурой достаточно хорошо изучена, но в последние десятилетия широких исследований в этой области не проводили. Однако приведенные способы кристаллизации обладают одним существенным недостатком – неконтролируемым температурным градиентом: по мере роста кристаллов, даже при выдвижении кристаллизатора из зоны печи, температурный градиент падает, что влечет за собой образование паразитных равноосных зерен. В то же время известно, что в авиационной промышленности направленную кристаллизацию никелевых сплавов для лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) проводят по затравочной технологии в высокоградиентных установках направленной кристаллизации с использованием жидкометалического охладителя (олова или алюминия). Технология направленной кристаллизации с использованием жидкометаллического охладителя позволяет получить температурный градиент вплоть до 150°C/см, контролируемый по всей высоте отливки, не достижимый при литье на водоохлаждаемый холодильник.

Магниты ЮНДК долгое время занимали лидирующее положение в сфере производства постоянных магнитов вплоть до появления редкоземельных Sm–Co, Nd–Fe–B постоянных магнитов в 1970–1980-х годах [8]. Однако, несмотря на то, что доля рынка магнитов ЮНДК существенно снизилась, эти материалы до сих пор не теряют своей актуальности и продолжается их активное применение в электротехнических изделиях (электродвигателях, генераторах), сверхвысокочастотной технике (магнитные фокусирующие системы) и в навигационных приборах (акселерометрах). Основные зарубежные поставщики магнитов находятся в США (Arnold Magnetic Technologies, Dura Magnetics Inc., MMC Magnetics, Hitachi Metals America, LLC, Integrated Magnetics, Bunting Magneticsco, MAGNAWORKSTECHNOLOGY и др.) и Китае (YUXIANG Magnetic Materials Ind. Co., Ltd, Hangzhou Xiaoshan Zhi Jiang Magnet Co., Ltd, China-Base Ningbo Foreign Trade Co., Ltd и др.). Магниты на основе сплава системы Fe–Al–Ni–Co представлены в каталогах этих фирм так же хорошо, как и редкоземельные. В России ранее существовавшее производство магнитов типа ЮНДК со столбчатой структурой (Первый Московский приборостроительный завод им. В.А. Казакова, Новочеркасский завод постоянных магнитов, Сарапульский электромеханический завод, Завод «Магнит» г. Орджоникидзе и др.) на данный момент не функционирует. В настоящее время магниты системы Fe–Al–Ni–Co производят только ОАО «Спецмагнит» (г. Москва) и ОАО «НПО «Магнетон» (г. Владимир). Следует также отметить, что магниты системы Fe–Al–Ni–Co не содержат дорогостоящих редкоземельных металлов, добыча и переработка которых сосредоточена главным образом в Китае, что делает магниты ЮНДК стратегически важным материалом для экономики страны.

Магнитные свойства наиболее распространенных марок литых и порошковых постоянных магнитов приведены в табл. 1 [9–20]. Из представленных в табл. 1 данных можно сделать вывод, что сплавы ЮНДК проигрывают высокоэнергетическим порошковым магнитам по коэрцитивной силе и максимальному энергетическому произведению, но обладают наибольшей рабочей температурой (до 550°C), что делает их незаменимыми при работе в области высоких температур в качестве деталей для электродвигателей, датчиков положения, реле и др. в изделиях для атомной промышленности, в газотурбинной технике. Таким образом, цель данной работы – исследование формирования структуры и свойств сплавов для постоянных магнитов ЮНДК25БА, полученных методом направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем.

Свойства магнитных материалов

Остаточная индукция B_r, Тл

Коэрцитивная сила по индукции H_cB, кА/м

Максимальное энергетическое произведение (B·H)_max, кДж/м 3

Источник

О магнитах – альнико, феррит, кобальт, неодим

При выборе материала для постоянного магнита встают че­тыре основных вопроса:

На сегодняшний день существует много материалов, используемых при изго­товлении постоянных магнитов. Альнико, ферриты (керамика), самарий-кобальт, не­одим-железо-бор, железо-хром-кобальт и материалы в виде смеси магнитного по­рошка и какой-либо связующей компоненты. Рас­смотрим основные преимущества и недостатки каждого из вышеперечисленных материалов.

Альнико

Альнико или сплав ЮНДК — ферромагнитный сплав, один из старейших магнитных материалов. Его получают литьём, из порошков и горячей деформацией слитка. Состав сплава: Fe = 53%; Al = 10%; Ni = 19%; Co = 18%. Альнико обладает высокой коррозионной устойчивостью, большим значением Br (сила магнитного поля) и стабильностью при высоких температурах (до 550 °C). Возможность формирования в материале магнитного поля большой кривизны.

У него может быть очень высокая остаточная намагниченность B_r, изменяющаяся от 6700 до 13500 Г. Температура Кюри (температура, при которой материал полностью теряет свои магнитные свойства) у этого материала примерно 840 0 С, температурная стабильность данного материала очень высока. Температурный коэффициент индукции и других магнитных характеристик составляет 0,02 %/ 0 С, меньше чем у многих других доступных материалов.

Один из недостатков Альнико – определённая трудность использования в составе изделия. Альнико – очень жесткий и хрупкий материал. Он может быть обработан только полированием, шлифованием или электроэрозионной обработкой. У Альнико низкая коэрцитивная сила, изменяющаяся в пределах 0,64 – 1,9 кЭ.

Феррит (керамика)

Феррит – самый дешёвый магнитный материал. У этого материала умеренно высокие значения коэрцитивной силы H_cb и H_ci (от 2,500 до 4,000 Гс), что значительно выше, чем у Альнико. Его электрическое сопротивление также очень высоко. Когда мы думаем о керамических материалах, мы думаем о диэлектриках, тогда как практически все магнитные материалы имеют умеренную электрическую проводимость. Ферриты с успехом используются в тех случаях, когда необходимы относительно хорошие магнитные характеристики материала. Главное же достоинство ферритов – их низкая цена. Не следует также забывать о высокой химической стабильности к окислению, позволяющей ферритам сохранять свои свойства и внешний вид без всякого покрытия в течение десятилетий.

К недостаткам ферритовых материалов можно отнести умеренно низкую температуру Кюри (около 450 0 С), а также низкую температурную стабильность. Температурный коэффициент ферритовых материалов составляет 0,2 %/ 0 С, т.е. они в 10 раз менее стабильны, чем альнико.

Самарий-кобальт

Материал самарий-кобальт (SmCo) впервые был использован в конце 70-х годов в Дэйтонском университете в рамках одного из проектов ВВС США. Энергия магнитного поля этого материала оказалась значительно более высокой, чем у альнико, а температурная стабильность – просто превосходной.

Как магниты, широко используются в оборонной промышленности. Достоинства магнитов SmCo включают в себя высокие остаточную намагниченность B_r (до 11,5 кГ), коэрцитивную силу H_ci(от 5.5 до 25 кЭ) и высокую температуру Кюри.

Существует две марки SmCo:

Из двух сплавов – 1:5 и 2:17 – менее дорогим (на 10-15%) является сплав 2:17, поскольку в нем небольшая часть используемого кобальта замещена железом, и содержание самария также меньше, чем в чистом сплаве 1:5. Выпуск магнитов из сплава 2:17 пока на 50% выше, чем из сплава 1:5. Разработанные из сплава 2:17 магнитные системы имеют большую магнитную энергию, при этом сплав 2:17 производит ту же работу, что и сплав 1:5, и имеет меньшую стоимость. Второй существенный недостаток материала SmCo – это его хрупкость. Заказчикам обычно советуют иметь магниты SmCo с фасками радиусом скругления 0,004 дюйма.

Магниты SmCo имеют очень хорошую температурную стабильность 0,035 %/ 0 С, их температурный коэффициент индукции чуть больше, чем у альнико. Они также обладают достаточно высоким значением энергетического произведения (BH)_max на единицу объёма ((BH)_max изменяется в пределах от 16 до 30 МГ*Э).

Недостатками магнитов SmCo являются их высокая стоимость и хрупкость. Это самый дорогой из имеющихся магнитных материалов. Высокая цена материала определяется использованием в нём дорогих редкоземельных металлов. В частности, технология очистки самария достаточно дорога, так же, как и кобальта, который широко используется в производстве сталей высоких марок.

Неодим-железо-бор

Научные исследования нового магнитного материала – неодим-железо-бор (NdFeB) – начались с 80-х годов прошлого века, а его широкое применение в промышленности – с 1984 года. Производители искали магнитный материал, который обладал бы такой же магнитной энергией, как SmCo, но имел существенно более низкую стоимость. Было установлено, что у сплавов NdFeB очень высокое энергетическое произведение – вплоть до 50-55 MG*Oe – при значительно меньшей цене, чем цена SmCo.

Магниты NdFeB имеют меньшую температурную стабильность, чем магниты SmCo – их температурный коэффициент магнитной индукции изменяется от 0,07 до 0,13 %/ 0 С (сравните с 0,035 %/ 0 С у кобальтовых). Вследствие этого при температурах более 180 0 С магниты SmCo могут создавать большие значения магнитного поля, чем магниты NdFeB.

Материал NdFeB очень сильно подвержен коррозии, поэтому его покрывают цинком, никелем, медью или комбинацией этих материалов. Кроме того, во избежание возникновения химически нестабильных соединений в структуре сплава процесс изготовления проводится в отсутствие воздуха. Так же неодимовый магнит имеет низкую температуру Кюри – примерно 310 0 С, которая может быть повышена добавлением кобальта. Однако, как отмечалось ранее, использование кобальта вместо железа ведет к удорожанию материала.

В настоящее время магниты NdFeB очень широко используются в двигателях электроприводов в компьютерной технике благодаря своим высоким энергетическим магнитным характеристикам. Примерно 60% использующегося в промышленности магнитного материала NdFeB применяется в приводах компьютерных дисков.

Подверженность коррозии NdFeB вынуждает наносить на магниты покрытие. Окраска, покрытие эпоксидной смолой хороши в качестве защиты от окисления, но добавляют лишний слой между магнитом и другими частями изделия. Этот слой вызывает дополнительное магнитное сопротивление в цепи, подобно сопротивлению в электрической цепи. Покрытия никелем и цинком наиболее выгодны из-за возможности нанесения слоя очень малой толщины. Никель особенно эффективно защищает магнит от воздуха и влажности благодаря своей герметичности. Кроме того, это один из наиболее дешевых методов защиты от окисления. Как правило, толщина покрытия никелем не превышает 15-20 мкм.

В настоящее время магниты NdFeB доступны с присадками из различных материалов, такими как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий и т.д. Добавление данных химических элементов ведет к улучшению стабильности магнита с температурной и коррозионной точек зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +220 0 С. Для успешного использования при повышенных температурах дизайн магнитной цепи должен быть оптимизирован с точки зрения минимизации процессов размагничивания при высоких температурах.

Магнитопласты

Магнитопласты изготавливаются посредством смешения магнитного порошка и какой-либо связующей компоненты. В качестве связующего вещества могут применяться каучук, акрил, полиамид, термопластик, пластик, винил, эпоксидная смола, PPS и др.

Магнит изготавливается из смешанной массы следующими способами:

Магнитопласты обладают физическими свойствами, типичными для связующего материала. Каучуковый магнитопласт гибкий, не крошится и не ломается. Магнитопласты на основе эпоксидной смолы имеют хорошее сопротивление воздействию масел, бензинов и обычных растворителей.

Основные органические связующие материалы имеют следующие характерные особенности:

Правильный выбор связующего материала может минимизировать негативные эффекты. Латунь, алюминий, сталь и даже высокотемпературные пластики могут быть использованы в процессе прессования магнитопластов, когда магнитные соединения формируются за счет перемешивания магнитного порошка и связующей компоненты. Одновременная добавка в форму для литья двух компонент позволяет изготовить продукт, содержащий два различных материала. Это могут быть два магнитных материала или смесь магнитных материалов и пластика.

Рабочие температуры магнитопластов низки по сравнению с рабочими температурами спеченных магнитов. Использование разных магнитных порошков позволяет получить «гибридный» магнит, обладающий тем или иным набором свойств.

Один из недостатков магнитопластов – верхний температурный предел использования, диктуемый температурным состоянием связующего материала. Эта величина обычно составляет от 80 0 С до 220 0 С. Термоэластичные магнитопласты имеют верхний предел использования по температуре около 80 0 С.

В целом весовая концентрация порошка колеблется от 60 % до 80 %. Причем при производстве магнитопластов и магнитоэластов используются порошки NdFeB, ферриты, Альнико и SmCo, а также их различные комбинации.

Одной из наиболее перспективных сфер применения магнитопластов является создание компактных и высокоэффективных электрических двигателей и приводов, а также различного рода датчиков. Возможность создания магнитов самой сложной формы и высокой намагниченности, а также хорошие механические свойства – основные конкурентные преимущества магнитопластов.

Источник

3 разных типа магнитов и их применение

Древние люди использовали магниты по крайней мере с 500 г. до н.э., и самые ранние известные описания таких материалов и их характеристики происходят из Китая, Индии и Греции около 25 веков назад. Однако искусственные магниты были созданы еще в 1980-х годах.

Очевидно, что не все магниты состоят из одних и тех же веществ, и поэтому их можно разделить на разные классы в зависимости от их состава и источника магнетизма. Ниже приведен подробный список трех основных типов магнитов с указанием их свойств, прочности, а также промышленного и непромышленного применения.

1. Постоянные магниты

После намагничивания постоянные магниты могут сохранять магнетизм в течение продолжительного времени. Они сделаны из материалов, которые могут намагничиваться и создают собственное постоянное магнитное поле.
Обычно постоянные магниты изготавливаются из четырех различных типов материалов:

I) Ферритовые магниты

Стек ферритовых магнитов | Изображение предоставлено: Викимедиа

Ферритовые магниты (также называемые керамическими магнитами) являются электроизоляционными. Они темно-серого цвета и выглядят как карандашный грифель.

Ферриты обычно представляют собой ферромагнитные керамические соединения, получаемые путем смешивания больших количеств оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель. Некоторые ферриты имеют кристаллическую структуру, например ферриты стронция и бария.

Они довольно популярны благодаря своей природе: они не подвержены коррозии и, следовательно, используются для продления жизненного цикла многих продуктов. Ферритовые магниты могут использоваться в чрезвычайно жарких условиях (до 300 градусов Цельсия), и стоимость изготовления таких магнитов также низкая, особенно если они производятся в больших объемах.

Они могут быть далее подразделены на «твердые», «полужесткие» или «мягкие» ферриты, в зависимости от их магнитных свойств.

Поскольку твердые ферриты трудно размагничивать, они обладают высокой коэрцитивной силой. Они используются для изготовления магнитов, например небольших электродвигателей и громкоговорителей. Мягкие ферриты, с другой стороны, имеют низкую коэрцитивную силу и используются для изготовления электронных индукторов, трансформаторов и различных микроволновых компонентов.

II) магниты Алнико

Магнит-подкова из алнико 5 | Эта U-образная форма образует мощное магнитное поле между полюсами, позволяя магниту захватывать тяжелые ферромагнитные материалы.

Магниты алнико состоят из алюминия (Al), никеля (Ni) и кобальта (Co), отсюда и название al-ni-co. Они часто включают титан и медь. В отличие от керамических магнитов, они являются электропроводящими и имеют высокие температуры плавления.

Чтобы классифицировать их (основываясь на их магнитных свойствах и химическом составе), Ассоциация производителей магнитных материалов присвоила им номера, такие как Alnico 3 или Alnico 7.

Сплавы Alnico могут сохранять свои магнитные свойства при высоких рабочих температурах, вплоть до 800 градусов Цельсия. Фактически, они являются единственными магнитами, которые имеют магнетизм при нагревании раскаленным докрасна.

III) Редкоземельные магниты

Как следует из названия, редкоземельные магниты изготавливаются из сплавов редкоземельных элементов. Это самый сильный тип постоянных магнитов, разработанный в 1970-х годах. Их магнитное поле может легко превышать 1 Тесла.

Самарий-кобальтовые магниты состоят из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония. Они могут сохранять свои магнитные свойства при высоких температурах и обладают высокой устойчивостью к окислению.

Из-за их меньшей напряженности магнитного поля и высокой стоимости производства они используются реже, чем другие редкоземельные магниты. В настоящее время они используются в настольном ядерно-магнитно-резонансном спектрометре, высококачественных электродвигателях, турбомашиностроении и во многих областях, где производительность должна соответствовать изменению температуры.

Неодимовые магниты, с другой стороны, являются наиболее доступным и сильным типом редкоземельных магнитов. Они представляют собой тетрагональную кристаллическую структуру, изготовленную из сплавов неодима, бора и железа.

Благодаря своим меньшим размерам и небольшому весу они заменили ферритовые и алникомагниты в многочисленных применениях в современных технологиях. Например, неодимовые магниты в настоящее время используются в головном приводе для компьютерных жестких дисков, электродвигателей для аккумуляторных инструментов, механических переключателей электронных сигарет и динамиков мобильных телефонов.

IV) одномолекулярные магниты

Универсальный внутриклеточный белок, называемый ферритином, считается магнитом с одной молекулой. Он хранит железо и выпускает его контролируемым образом.

К концу 20-го века ученые узнали, что некоторые молекулы [которые состоят из ионов парамагнитного металла] могут проявлять магнитные свойства при очень низких температурах. Теоретически они способны хранить информацию на уровне магнитных доменов и обеспечивать гораздо более плотный носитель, чем традиционные магниты.

Одномолекулярные магниты состоят из кластеров марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта. Было обнаружено, что некоторые цепные системы, такие как одноцепные магниты, сохраняют магнетизм в течение длительного периода времени при более высоких температурах.

Исследователи в настоящее время изучают монослои таких магнитов. Одним из ранних соединений, которое было исследовано в качестве одно-молекулярного магнита, является додекануклеарная марганцевая клетка.

Потенциальные возможности применения этих магнитов огромны. К ним относятся квантовые вычисления, хранение данных, обработка информации и биомедицинские приложения, такие как контрастные агенты МРТ.

2. Временные магниты

Некоторые объекты могут быть легко намагничены даже слабым магнитным полем. Однако, когда магнитное поле удалено, они теряют свой магнетизм.

Временные магниты различаются по составу: они могут быть любым объектом, который действует как постоянный магнит в присутствии магнитного поля. Например, магнитомягкий материал, такой как никель и железо, не будет притягивать скрепки после удаления внешнего магнитного поля.

Когда постоянный магнит подносится к группе стальных гвоздей, гвозди прикрепляются друг к другу, а затем к постоянному магниту. В этом случае каждый гвоздь становится временным магнитом, а когда постоянный магнит удаляется, они больше не прикрепляются друг к другу.

3. Электромагнит

Электромагнит притягивающий железные опилки

Электромагнит был изобретен британским ученым Уильямом Стердженом в 1824 году. Затем он был систематически усовершенствован и популяризирован американским ученым Джозефом Генри в начале 1830-х годов.

Электромагниты представляют собой плотно намотанные витки провода, которые функционируют как магниты при прохождении электрического тока. Его также можно классифицировать как временный магнит, поскольку магнитное поле исчезает, как только ток отключается.

Полярность и напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и величину тока, протекающего через провод. Это главное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами.

Для усиления магнитного поля катушка обычно наматывается на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, такого как мягкая сталь. Провод, свернутый в одну или несколько петель, называется соленоидом.

Эти типы магнитов широко используются в электрических и электромеханических устройствах, включая жесткие диски, громкоговорители, жесткие диски, трансформаторы, электрические звонки, МРТ-машины, ускорители частиц и различные научные приборы.

Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых предметов, таких как металлолом и сталь.

Часто задаваемые вопросы

Из чего сделаны магниты?

Что такое природный магнит?

Какой магнит самый сильный?

Самым сильным типом постоянного магнита, имеющегося в продаже, являются неодимовые (Nd) магниты. Они изготавливаются путем смешивания неодима, железа и бора с образованием тетрагональной кристаллической структуры Nd₂Fe₁₄B. Это соединение было впервые обнаружено компаниями General Motors и Sumitomo Special Metals (работавшими независимо друг от друга) в 1984 году.

Влияют ли магниты на человеческий мозг?

Да. Поскольку нейроны электрически заряжены, магнитное поле может вызвать протекание тока через нейроны. Это может изменить активность нейронов.

До сих пор нейробиологи использовали транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС) для улучшения времени реакции, памяти и некоторых других когнитивных способностей. Однако, несмотря на некоторые положительные результаты, долгосрочные эффекты не совсем понятны.

Могут ли магниты потерять свой магнетизм?

Да, даже постоянные магниты могут потерять свой магнетизм при определенных условиях. Например:

Избыточное нагревание: ферромагнитные материалы теряют свой магнетизм при нагревании выше определенной точки, называемой температурой Кюри. Неодимовые магниты демонстрируют лучшие магнитные характеристики до 150 ° C. Выше этой точки они теряют часть своих характеристик при повышении температуры на каждый градус.

Размагничивание: постоянные магниты можно размагнитить, подвергая их достаточно сильному магнитному полю противоположной полярности. Способность магнита противостоять внешнему магнитному полю, не размагничиваясь, называется коэрцитивной силой.

Удар: более старые материалы, такие как AlNiCo и магнитная сталь, имеют низкую коэрцитивную силу. Они подвержены размагничиванию, если через материал передается достаточная энергия посредством удара. Этот шок может быть вызван ударами молотка по материалу или его падением.

Источник