МИМ-технология, магнитотвердые материалы, постоянный магнит, коэрцитивная сила, порошковой металлургии, гранулят, шихта, текучести расплава

Классификация магнитотвердых материалов и их использование в МИМ-технологии

 

Дата выпуска：[2026/9/17]
 

Аннотация

В статье рассмотрены классификация магнитотвердых материалов по свойствам и применению, по составу и способу получения; основные характеристики магнитов, зависимость максимальной энергии магнита от остаточной индукции.

Ключевые слова: магнитотвердые материалы, постоянный магнит, коэрцитивная сила, удельная магнитная энергия.

Введение

Магнитотвердые материалы (МТМ) — это сплавы (в частности, на основе системы Fe–Cr–Co), обладающие коэрцитивной силой свыше 7960 А/м (100 Эрстед). Данные материалы имеют высокую остаточную намагниченность, и их основное назначение — получение постоянных магнитов. Постоянные магниты, так же как и обычные электромагниты, используют для получения магнитных полей значительной напряженности. Постоянные магниты применяют в промышленности уже несколько столетий — например, для изготовления магнитных стрелок компасов. Постоянные магниты являются основными элементами различных приборов, таких как телефоны, счетчики, измерительные приборы, генераторы и т. д. [1].

Постоянные магниты работают при наличии размагничивающего поля. Из-за этого они проявляют не истинную остаточную индукцию, а кажущуюся индукцию. Таким образом, свойства постоянных магнитов определяются характером изменений индукции от поля по петле гистерезиса [2].

Одними из главных свойств МТМ являются: удельное электросопротивление, плотность, прочность, деформируемость сплава и его обрабатываемость. При работе постоянных магнитов после установки в приборах и намагничивания необходимо, чтобы напряженность поля в зазоре не изменялась при ударах, вибрациях, действии внешних магнитных полей и изменении температуры и структуры материала со временем [3].

Классификация МТМ по свойствам

· Литые нековкие магнитные.

· Обрабатываемые резанием магнитные.

· Металлокерамические нековкие магнитные системы.

· Металлопорошковые композиции.

· Металлопластические и эластичные магнитные композиции [4].

В МТМ высокие значения коэрцитивной силы определяются одним из трех механизмов задержки процессов перемагничивания в ферромагнетиках:

· необратимым вращением намагниченности магнитных доменов;

· задержкой образования и (или) роста зародышей перемагничивания;

· закреплением доменных стенок на различных неоднородностях и структурных несовершенствах кристалла [5].

Для получения высокой коэрцитивной силы в МТМ используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания:

· закалка сталей на мартенсит;

· дисперсионное твердение сплавов;

· создание высоких внутренних механических напряжений и др. [6].

Главное требование к постоянному магниту — получение максимальной магнитной энергии в рабочем зазоре, поэтому удельная магнитная энергия — это энергия, отнесенная к единице объема магнита. Одна из главных магнитных характеристик МТМ — максимальное значение остаточной индукции внутри магнита и размагничивающей напряженности, соответственно [7].

Чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости, тем больше максимальная энергия магнита. Намагничивание МТМ — довольно трудный процесс, но, тем не менее, они длительное время сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности [8].

Классификация МТМ по составу и способу получения

По составу и способу получения МТМ подразделяются на следующие виды:

· легированные стали, закаленные на мартенсит;

· литые высококоэрцитивные сплавы;

· порошковые магнитотвердые материалы;

· магнитотвердые ферриты;

· пластически деформируемые сплавы;

· сплавы для магнитных носителей информации;

· сплавы на основе редкоземельных элементов [9].

Использование магнитотвердых материалов в МИМ-технологии

С учетом вышеизложенного весьма перспективным представляется изготовление изделий из магнитотвердых материалов с использованием высокоэффективной технологии инжекционного прессования или литья порошковых металлов и сплавов под давлением «Metal Injection Moulding (MIM)» — как результата объединения метода литья полимерных материалов под давлением с технологиями порошковой металлургии [10, 11, 12, 14].

В основе МИМ-технологий лежит объединение методов пластического формования и спекания порошков, что позволяет получать детали сложной геометрической формы в многоразовой оснастке и снизить или совсем устранить необходимость дальнейшей механической обработки. По сравнению с традиционными технологиями литья и порошковой металлургии, MIM-технологии обеспечивают снижение в 5 и более раз себестоимости изготовления изделий сложной геометрической формы [15, 16, 17, 18].

Важной особенностью МИМ-технологий является возможность получения мультимодальной внутренней структуры за счет локальной интенсивной пластической деформации в процессе инжектирования, что открывает новые возможности управления физико-механическими свойствами конечного изделия [19, 20].

Практический пример: разработка шихты сплава 22Х15КА

Были сформулированы основные требования к шихте порошков магнитотвердого сплава 22Х15КА:

1. Форма частиц порошка 22Х15КА должна быть околосферической и определяться формой частиц исходных порошков металлов.

2. Насыпная плотность порошка 22Х15КА должна быть в пределах (4–6) г/см³.

В качестве исходных компонентов были выбраны порошки карбонильного железа Fe марки ВМ, ферросилиция FeSi 75 %, титаната ванадия Ti–V 27 %, кобальта ПК-1У и хрома ПХ-1М.

Исследования гранулометрического состава исходных порошков производились на лазерном анализаторе размеров частиц «Analysette 22 Compact». Исследование микроструктуры исходных порошков производилось на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A.

· Порошок FeSi 75 % представляет собой смесь крупных и мелких частиц неправильной формы, 50 % частиц имеют размер 20–40 мкм.

· Порошок Fe ВМ представляет собой сферические частицы, 80 % частиц размером 2–10 мкм.

· Порошок ПК-1У представляет собой конгломераты иглообразных частиц, 70 % частиц размером 10–30 мкм.

· Порошок ПХ-1М представляет собой округлые частицы, 80 % частиц размером 10–30 мкм.

Рецептура металлической части гранулята: железо (Fe) — 60 %; титан (Ti) — 1,5 %; хром (Cr) — 22–23 %; кобальт (Co) — 14–16 %; ванадий (V) — 0,3–0,7 %; кремний (Si) — 0,3–0,7 %. Кремний вводился в шихту в виде порошка ферросилиция (FeSi), а ванадий — в виде порошка Ti–V, при этом остаток титана добирался порошком титана марки ПТМ.

Технология изготовления шихты порошка магнитотвердого сплава 22Х15КА отрабатывалась в шаровой мельнице с металлическими мелющими телами в виде шариков диаметром от 5 до 10 мм и роликов диаметром от 5 до 8 мм и длиной 8–10 мм. Масса загрузки шихты составляла 150 г.

Время измельчения шихты в шаровой мельнице составляло 1–1,5 часа при загрузке 150 г. В результате получается однородная смесь порошков из сферических и округлых частиц с размером отдельных частиц не более 20 мкм.

Были приготовлены четыре рецептуры с различным соотношением между металлической и полимерной частью.

Таблица 1 — Рецептуры опытных партий гранулятов 22Х15КА.

· Шихта 22Х15КА — 86 %; Технасет — 12 %; полиэтилен высокого давления — 1 %; стеариновая кислота — 1 % (рецептура №1).

· Шихта 22Х15КА — 87 %; Технасет — 11 %; полиэтилен высокого давления — 1 %; стеариновая кислота — 1 % (рецептура №2).

· Шихта 22Х15КА — 87 %; Технасет — 11 %; полиэтилен высокого давления — 1 %; стеариновая кислота — 1 % (рецептура №3).

· Шихта 22Х15КА — 88 %; Технасет — 10 %; полиэтилен высокого давления — 1 %; стеариновая кислота — 1 % (рецептура №4).

Таблица 2 — Показатели текучести расплава.

· Рецептура №1: показатель текучести расплава (ПТР) — 65 г/10 мин.

· Рецептура №2: ПТР — 74 г/10 мин.

· Рецептура №3: ПТР — 51 г/10 мин.

· Рецептура №4: ПТР — 0 г/10 мин.

Определение показателя текучести расплава гранулята производилось при температуре 190 °C на пластомере ИИРТ-АМ №41 (аттестат № А20.017-17 от 02.02.17) в соответствии с ГОСТ 11645-73 при нагрузке 21,6 кгс. Внутренний диаметр капилляра для всех опытов был равен 2,09–2,1 мм.

При исследованиях рецептур №№ 1–3 поток расплава был ламинарным, поры и пустоты обнаружены не были, мелкие и крупные неоднородные включения отсутствуют. Оценить поток расплава рецептуры №4 не представляется возможным, так как данная рецептура не расплавилась в испытательной камере пластомера. Данный факт можно объяснить низким содержанием в составе рецептуры №4 технасета.