Магнит

Как выбрать материал для магнита ???

Для изготовления постоянного магнита, конечно же, недостаточно взять кусок магнитной  руды природного происхождения. Современные материалы для магнитов должны удовлетворять требованиям к каждому конкретному изделию. Чтобы понять, какой материал нужен для того или иного постоянного магнита, нужно ответить на несколько вопросов:

1. Какие магнитные свойства материала необходимы?
2. Какие требования предъявляются к физическим свойствам материала?
3. Какие температуры должен выдержать магнит?
4. Каковы требования к стоимости магнита?

Сегодня  для изготовления магнитов используют самые различные материалы. Это альнико,  ферриты,  сплавы самарий-кобальт, неодим-железо-бор, железо-хром-кобальт, а так же материалы в виде смеси магнитного порошка и какого-либо связующего компонента. В качестве связующего материала могут выступать каучук, пластик и материалы на основе эпоксидной смолы.

 Каждый из вышеперечисленных материалов имеет и преимущества и недостатки. Свойства  материалов являются основой при изготовлении магнитов для разных целей.

Начнем осмотр магнитных материалов из одного из старейших...

 1.      Магниты-альнико AlNiCo

2.      Ферриты (ферриты бария, кобальта, стронция..)

У этого материала умеренно высокие значения Hcb и Hci (от 2,500 до 4,000 G), что значительно выше, чем у Альнико. Его электрическое сопротивление также очень высоко. Керамические материалы обычно являются диэлектриками, тогда как практически все магнитные материалы имеют умеренную электрическую проводимость.

К недостаткам ферритовых материалов можно отнести более низкую температуру Кюри (около 450 ⁰С), а также низкую температурную стабильность. Температурный коэффициент ферритовых материалов составляет 0,2 (% / ⁰С), т.е. они в 10 раз менее стабильны, чем Альнико (-0,02 (% / ⁰С)).

Ферритовые материалы давно применяются в производстве электродвигателей, где необходим магнитный материал с высокой коэрцитивной силой, а она для  данного материала изменяется в пределах от 2,500 до 4,000 G, что вполне достаточно для электроприводов постоянного тока, применяемых в промышленности.  В настоящее время ферриты стали широко применяться в автомобильных двигателях постоянного тока, стеклоподъёмниках, вентиляторах, антенных моторах и т.д. Электроприводы в автомобилестроении – основная поддержка магнитного бизнеса вот уже почти 40 лет.

Главное  достоинство ферритов это их низкая цена. Но не следует также забывать о высокой химической стабильности к окислению, что  позволяет ферритам сохранять свои свойства и внешний вид без всякого покрытия в течение десятилетий.

3.      Магниты самарий кобальт (SmCo)

В конце 70-х годов прошлого века в Дэйтонском университете в рамках одного из проектов ВВС США  был использован материал самарий-кобальт (SmCo). Энергия магнитного поля этого материала оказалась  более высокой, чем у Альнико, а температурная стабильность - замечательной. В то же время, это самый дорогой из имеющихся магнитных материалов.

Достоинством магнитов SmCo является высокая остаточная намагниченность Br (до 11.5 кГ), коэрцитивная сила Hci (от 5,5 до 25 кЭ) и высокая температура Кюри.

Известны две марки SmCo: 1:5 -сплав, у которого температура Кюри 750 ⁰С, и 2:17 - сплав с температурой Кюри 825 ⁰С.

Магниты SmCo обладают хорошей температурной стабильностью 0,035 (% / ⁰С), их температурный коэффициент индукции  больше, чем у Альнико.

Недостатками магнитов SmCo являются их высокая стоимость и хрупкость.  Высокая цена материала обусловлена использованием в нём дорогих редкоземельных металлов. В частности, технология очистки самария достаточно дорога, так же, как и кобальта достаточно дорога.

Из сплавов - 1:5 и 2:17 – менее дорогим (на 10-15 %) является сплав 2:17, поскольку в нем небольшая часть  кобальта замещена железом, и содержание самария  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  недостаток материала SmCo – это его хрупкость. Заказчикам обычно советуют иметь магниты SmCo с фасками радиусом скругления в 1 мм.

Однако, во многих военных разработках, где требуется стабильность и надёжность, а цена имеет меньшее значение, магниты SmCo сменили Альнико.

4.      Магниты неодим железо бор (NdFeB)

Производители стали искать 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. 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.

Магниты  NdFeB обладают широким диапазоном рабочих температур (от -40 0С до +150 0С), некоторые их виды можно использовать вплоть до 200 0С.

Температурная стабильность магнитов NdFeB меньше, чем у магнитов SmCo – их температурный коэффициент магнитной индукции изменяется от 0,07 до 0,13 (% / 0С) (для сравнения  0,035 (% / 0С) у SmCo). Вследствие этого при температурах более 180 0С магниты SmCo могут создавать большие значения магнитного поля, чем магниты NdFeB.

Чтобы избежать  коррозии, сплав NdFeB  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.

NdFeB имеет низкую температуру Кюри – примерно 310 0С, которая может быть повышена добавлением кобальта. Однако, использование кобальта ведет к удорожанию материала.

В настоящее время магниты NdFeB очень широко используются в двигателях электроприводов в компьютерной технике благодаря своим высоким энергетическим магнитным характеристикам. В 80-х годах прошлого века для этих целей использовались ферритовые магниты, позже - магниты из SmCo. Использование более сильных магнитов позволяет сделать привод диска более миниатюрным. Устройства считывания и записи информации, так называемые VCM, а также все дисковые и шпиндельные моторы используют спеченные магниты неодим железо бор. 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 могут производиться с присадками из различных материалов, такими как диспрозий, кобальт, ниобий, ванадий, галлий и т.д., что ведет к улучшению стабильности магнита с температурной и коррозионной точек зрения. Эти модифицированные магниты могут быть использованы до температур +220 0С.

5.      Магнитопласты  или  полимерные магниты

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

Магнит изготавливается из смешанной массы следующими способами:

- прокаткой в сплошное полотно посредством прессования между двумя катками (каландрованием).

- нагретая масса формируется путём выдавливания через отверстие определённого сечения (выдавливание).

- нагретая масса впрыскивается в матрицу, где охлаждается до отвердения, затем матрицу открывают и извлекают отливку (метод отливки).

- покрытый магнитный порошок помещается в полость матрицы и плотно сжимается под высоким давлением (прессование под давлением).

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  связующие материалы имеют следующие характерные особенности:

- Предел использования по температуре, соответствует температуре, при которой связующий материал теряет твердость (150-180 ⁰С).

- Негерметичность, из-за которой внутрь материала могут проникать вода и воздух, которые воздействуют на магнитные свойства материала.

- Связующее вещество может набухать, впитывать влагу и как следствие, изменять свои размеры и терять прочность.

Правильный выбор связующего материала может быть важен для минимизации негативных эффектов.

Латунь, алюминий, сталь и даже высокотемпературные пластики могут быть использованы в процессе прессования данных магнитов, когда магнитные соединения формируются за счет перемешивания магнитного порошка и связующего материала.

Если добавлять  в форму для литья два компонента, то можно  изготовить продукт, содержащий два различных материала. Это могут быть два магнитных материала или смесь магнитных материалов и пластика. Существует разновидность этого процесса, называемая многошаговым литьевым вспрыском, когда разнородные материалы прессуются последовательно. Часто с точки зрения магнитных свойств эта технология дает лучшие результаты, чем одновременное прессование.

Описанные процессы позволяют создавать как простые, так и очень сложные формы магнитов; с прямой, радиальной и многополюсной намагниченностью.

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. Особенно полезны гибриды, представляющие собой смеси ферритового порошка с небольшим количеством редкоземельного порошка, обычно NdFeB. Разное процентное соотношение компонентов такого гибрида позволяет получить необходимые характеристики.

Один из недостатков магнитопластов - верхний температурный предел использования, определяемый температурным состоянием связующего материала. Эта величина обычно составляет от 80 0С до 220 0С. Полифенильный сульфид (PPS) обладает высокой температурой эксплуатации с минимальной абсорбирующей способностью и высоким сопротивлением вредному воздействию масел и других нефтепродуктов. В автомобильной промышленности уже начато изготовление магнитов с применением PPS. Хорошие результаты даёт также использование в качестве связующих компонент Нейлона 6 и 12.

Термоэластичные магнитопласты имеют верхний предел использования по температуре около 80 ⁰С.

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.

Как же выбрать магнит?

Основных критериев выбора два – стоимость и температурная стабильность.

Стоимость магнита почти всегда является основным критерием выбора. Цена является одной из основных величин, характеризующих магнит вместе с такой информацией, как тип материала, размер, форма, направление намагниченности и т.д.

Предлагается следующая схема выбора магнита:

- В первую очередь рассматривайте ферритовые магниты из-за их низкой стоимости

- В том случае, если особенно важна эффективность, используйте редкоземельные магниты на основе NdFeB.

- В том случае, если необходима высокая надежность и стабильность, применяйте магниты на основе SmCo или монокристаллические магниты AlNiCo.

- Если магниты должны быть длинными (относительно их диаметра или ширины), выбирайте Альнико. Короткие магниты делайте из ферритов и семейства редкоземельных магнитных материалов.

- Маленькие магниты сложной формы и намагниченности делайте из магнитопластов.