Как выбрать подходящий магнит

При выборе материала для постоянного магнита перед инженером встают четыре основные вопроса.

1. Какие магнитные свойства материала необходимы?

3. Какие температуры предстоит выдержать магниту?

4. Какие требования предъявляются к стоимости магнита?

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. В качестве связующего материала могут выступать каучук, пластик и материалы на базе эпоксидной смолы.

 

Магниты альнико

Альнико — один из старейших магнитных материалов, используемый ещё со времён второй Мировой Войны. Он имеет несколько положительных качеств по сравнению с другими материалами. У него может быть очень высокая остаточная намагниченность Br, изменяющаяся от 6700 до 13500 Г. Температура Кюри (температура, при которой материал полностью теряет свои магнитные свойства) у этого материала примерно 840 0С, температурная стабильность данного материала очень высока. Температурный коэффициент индукции и других магнитных характеристик составляет 0.02 (% / 0С), меньше чем у многих других доступных материалов.

Еще одно достоинство Альнико — возможность формирования в материале магнитного поля большой кривизны. Одна из старейших форм Альнико — форма подковы, искривлённый магнит с северным и южным полюсами, выровненными так, что они могут, например, поднимать стальной стержень.

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.

 

Ферритовый магнит (керамика)

Феррит — самый дешёвый магнитный материал. Известная нидерландская компания Phillips использует в своём производстве ферритовые магниты еще с конца 50-х годов. 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. Когда мы думаем о керамических материалах, мы думаем о диэлектриках, тогда как практически все магнитные материалы имеют умеренную электрическую проводимость. К недостаткам ферритовых материалов можно отнести умеренно 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 стабильно, чем Альнико (-0.02 (% / 0С)). Ферритовые материалы давно применяются в производстве электродвигателей, где необходим магнитный материал с высокой коэрцитивной силой. В настоящее время ферриты стали широко применяться в автомобильных двигателях постоянного тока, стеклоподъёмниках, вентиляторах, антенных моторах и т.д.

Ферриты с успехом используются в тех случаях, когда необходимы относительно хорошие магнитные характеристики материала. Как уже отмечалось, коэрцитивная сила данного материала изменяется в пределах от 2,500 до 4,000 G, что вполне достаточно для электроприводов постоянного тока, применяемых в автомобилестроении. Электроприводы в автомобилестроении — основная поддержка магнитного бизнеса вот уже почти 40 лет. Главное же достоинство ферритов это 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.

Таким образом, ферриты применяются там, где основным требованием при выборе магнита является низкая цена. Вместе с этим, поскольку свойства ферритов постоянно совершенствуются, вполне возможно расширение ниши, занятой ими на рынке магнитных материалов.

Материал самарий-кобальт (SmCo) впервые был использован в конце 70-х годов прошлого века 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 SmCo, так и Альнико широко используются в оборонной промышленности. Ферритовые магниты не так часто применяются в этой области из-за их температурной нестабильности и низкой коэрцитивной силы при низких температурах.

Достоинства магнитов SmCo включают в себя высокие остаточную намагниченность Br (до 11.5 кГ), коэрцитивную силу Hci (от 5.5 до 25 кЭ) и высокую температуру Кюри. Существует две марки SmCo: 1:5 -сплав, у которого температура Кюри 750 0С, и 2:17 — сплав с температурой Кюри 825 0С. Магниты SmCo имеют очень хорошую температурную стабильность 0.035 (% / 0С), 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.

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.

Тем не менее, во многих военных разработках, где требуется стабильность и надёжность, а цена имеет второстепенное значение, магниты SmCo сменили Альнико.

 

Магниты неодим железо бор (NdFeB)

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 широкий диапазон рабочих температур (от -40 0С до +150 0С), некоторые их виды можно использовать вплоть до 200 0С, однако, они имеют пониженные значения магнитных характеристик по сравнению с остальными марками.

Магниты NdFeB имеют меньшую температурную стабильность, чем магниты SmCo — их температурный коэффициент магнитной индукции изменяется от 0.07 до 0.13 (% / 0С) (сравните с 0.035 (% / 0С) у SmCo). Вследствие этого при температурах более 180 0С 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.

NdFeB имеет низкую температуру Кюри — примерно 310 0С, 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 . Ранее (в 80-х годах прошлого века) для этих целей использовались ферритовые магниты, позже — магниты из SmCo. Использование наиболее сильных магнитов позволяет сделать привод диска более миниатюрным. На сегодняшний день в приводах жестких дисков используется NdFeB. Устройства считывания и записи информации (так называемые VCM, а также все дисковые и шпиндельные моторы используют спеченые NdFeB. 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 0С. Для успешного использования при повышенных температурах дизайн магнитной цепи должен быть оптимизирован с точки зрения минимизации процессов размагничивания при высоких температурах.

При добавлении кобальта температура Кюри данных магнитов была несколько повышена, но типичной считается область 310-330 0С. Магниты из NdFeB в основном используются в промышленных моторах, датчиках и исполнительных механизмах. Военно-промышленный комплекс пока еще использует их в ограниченных размерах, однако, определённый прогресс в данной области налицо.

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:

• 
  Каландрованием: прокаткой в сплошное полотно посредством прессования между двумя катками.
  
• 
  Выдавливанием: нагретая масса формируется путём выдавливания через отверстие определённого сечения.
  
• 
  Отливкой: нагретая масса впрыскивается в матрицу, где охлаждается до отвердения, затем матрицу открывают и извлекают отливку.
  
• 
  Прессованием под давлением: покрытый магнитный порошок помещается в полость матрицы и плотно сжимается под высоким 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 органические 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 минимизировать негативные эффекты.

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 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. 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 значения Br и Hcj.

Один из недостатков магнитопластов — верхний температурный предел использования, диктуемый 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.

Максимальное энергетическое произведение у магнитопластов также ниже, чем у более плотных спеченных магнитных материалов. Типичные доли связующей компоненты в магнитопластах различного изготовления следующие:

• 
  Каландрование: 65 %
  
• 
  Выдавливание: 65 — 80 %
  
• 
  Отливка: 60 — 68 %
  
• 
  Прессование под давлением: 78 — 80 %
  

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. Так что же все-таки выбрать?

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.

Группа AMT&C предлагает следующую схему 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.
  

 

Группа AMT&C поставляет и производит широкий спектр магнитных материалов, включая магнитопласты которые могут быть изготовлены с учетом самых сложных требований заказчика.