Магнитотвёрдые материа́лы (магнитожёсткие материалы), материалы с коэрцитивной силой по индукции $H_{\text{сВ}}$ не менее 4 кА/м. Иначе их называют высококоэрцитивными материалами.

Основные характеристики магнитотвёрдых материалов

Основными техническими параметрами магнитотвёрдых материалов, характеризующими их свойства, являются $H_{\text{сВ}}$ (или нормальная коэрцитивность), коэрцитивная сила по намагниченности $H_{\text{сM}}$ (или внутренняя коэрцитивность), остаточная индукция $B_{\text{r}}$, остаточная намагниченность $M_{\text{r}}$, максимальное энергетическое произведение $(BH)_{\text{макс}}$, область рабочих температур, температура Кюри $T_{\text{C}}$, а также температурные коэффициенты $\alpha$ обратимых изменений величин $B_{\text{r}}$, $H_{\text{сВ}}$, $H_{\text{сM}}$ и т. д. Рис. 1. Второй квадрант кривых размагничивания магнитотвёрдых материалов, полученных после намагничивания до насыщения, и основные магнитные параметры магнитотвёрдых материалов.Рис. 1. Второй квадрант кривых размагничивания магнитотвёрдых материалов, полученных после намагничивания до насыщения, и основные магнитные параметры магнитотвёрдых материалов.Магнитотвёрдые материалы – материалы с большими величинами $H_{\text{сВ}}$, $H_{\text{сM}}$ и $M_{\text{r}}$. Параметры $H_{\text{сВ}}$, $H_{\text{сM}}$, $B_{\text{r}}$, $M_{\text{r}}$ и $(BH)_{\text{макс}}$ определяют из кривых размагничивания магнитотвёрдых материалов $M(H)$ и $B(H)$ (рис. 1). Зависимость намагниченности от напряжённости магнитного поля $M(H)$, как правило, используют в физике, а зависимость индукции магнитного поля от напряжённости $B(H)$ – в технике. Петля магнитного гистерезиса $B(H)$ является геометрической суммой петли $\mu_0 M(H)$ и $\mu_0 H$ (с учётом знака поля) в соответствии с формулой $B(H) = \mu_0 (M(H) + H) = \mu_0 \mu H$, где $\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7}$ Гн·м^–1 – магнитная постоянная. Величину $(BH)_{\text{макс}}$ определяют из зависимости $B(H)$ как максимальное произведение $BH$ при изменении $H$ и устанавливают наиболее энергетически выгодные условия эксплуатации изделий из магнитотвёрдых материалов c индукцией $B_{\text{d}}$ в поле $H_{\text{d}}$ (рис. 1).

В таблице 1 представлены основные параметры некоторых магнитотвёрдых материалов. Природа высоких значений коэрцитивной силы $H_{\text{c}}$ в них определяется одним из трёх основных механизмов задержки процессов перемагничивания в магнетиках: необратимым вращением вектора их спонтанной намагниченности $M_{\text{s}}$; задержкой образования и/или роста зародышей перемагничивания (зародышей магнитной фазы с иным направлением вектора спонтанной намагниченности $M_\text{s}$); закреплением доменных стенок на различных локальных неоднородностях и структурных несовершенствах кристаллов.

Таблица 1. Характеристики различных магнитотвёрдых материалов

Примечание. Материалы ЮНДКТ5, 23Х15К5ФА, КС25ДЦ240 двухфазны и имеют две температуры Кюри.

Из магнитотвёрдых материалов изготавливают постоянные магниты, эксплуатационные характеристики которых совпадают с вышеперечисленными основными параметрами магнитотвёрдых материалов. Постоянные магниты должны сохранять свои магнитные свойства длительное время, а любое намагниченное состояние магнитотвёрдого материала является метастабильным, поэтому микроструктура и химический состав магнитотвёрдых материалов формируются таким образом, чтобы максимально увеличить временну́ю стабильность величин коэрцитивной силы, гистерезиса и других магнитных свойств. При этом временна́я стабильность не связана с временем релаксации или магнитной вязкостью, а определяется термодинамикой физико-химических процессов. В настоящее время магнитные характеристики лучших магнитотвёрдых материалов (а следовательно, и постоянных магнитов на их основе) изменяются не более чем на несколько процентов за десятилетия эксплуатации в составе изделия или хранения изделия на открытых площадках.

Классификация магнитотвёрдых материалов

Основные типы магнитотвёрдых материалов: литые, спечённые и композиционные. Литые сплавы на основе систем железо – никель – алюминий – кобальт, легированные медью, титаном, ниобием, промышленно выпускаются с 1930-х гг. Эти сплавы могут быть изотропными и анизотропными. Изотропные литые магнитотвёрдые материалы имеют более низкие значения основных магнитных параметров, но являются более дешёвыми, чем анизотропные. Такие сплавы обрабатываются шлифовкой или электроэрозионной резкой. К их преимуществам относятся: высокая однородность свойств по объёму, высокая температурная стабильность, способность работать при высоких температурах (до 450 ℃), высокая радиационная стойкость. Эти материалы используются в магнитных системах измерительных приборов, сейсмодатчиках, прецизионных электродвигателях и в военной технике. К литым магнитотвёрдым материалам также относятся сплавы на основе системы железо – кобальт. Их преимущество – в наличии пластической деформации даже в высококоэрцитивном состоянии.

Спечённые магнитотвёрдые материалы изготавливают путём прессования порошков (размер частиц до 2–3 мкм) в магнитном поле с последующим спеканием. Различают следующие типы спечённых магнитотвёрдых материалов: ферритовые магнитотвёрдые материалы, материалы на основе соединений типа $\text{SmCo}_{5}$ и $\text{Sm}_{2}\text{Co}_{17}$, магнитотвёрдые материалы на основе соединения $\text{Nd}_{2}\text{Fe}_{14}\text{B}$. В настоящее время применяют различные технологии для изготовления спечённых магнитотвёрдых материалов – измельчение сплава, текстурирование в магнитном поле, спекание, кристаллизация из аморфного состояния, горячая деформация аморфного материала, HDDR-технология (гидрирование – дегидрирование – деспропорционизация – рекомбинация). Основными достоинствами спечённых магнитотвёрдых материалов являются: наличие отработанных технологий для их массового производства, существенно более высокие характеристики магнитных свойств, чем у магнитотвёрдых материалов других типов. Магнитотвёрдые материалы этой группы, имея общую керамическую технологию изготовления, существенно различаются между собой по магнитным параметрам и стоимости.

Ферритовые магнитотвёрдые материалы могут быть изотропными и анизотропными; они самые дешёвые и распространённые. Кроме низкой стоимости к их достоинствам относятся более высокие значения $H_{\text{с}}$, чем у литых магнитотвёрдых материалов. Стронциевый феррит $\text{SrFe}_{12}\text{O}_{19}$ – практически единственный материал, величина $H_{\text{сM}}$ которого не убывает, а возрастает при увеличении температуры (рис. 2).

Магнитотвёрдые материалы типа $\text{Sm}$–$\text{Cо}$ разработаны в конце 1960-х гг. К их достоинствам относятся высокие магнитные свойства (уступают только $\text{Nd}$–$\text{Fe}$–$\text{B}$), высокая температурная стабильность, позволяющая использовать их при температуре до 500 ℃, и высокая коррозионная стойкость.

МРис. 2. Влияние температуры на магнитные параметры различных марок магнитотвёрдых материалов. Цифры в скобках возле химических формул обозначают величину энергетического произведения. Графики из статьи: Walmer M. S. A new class of Sm-TM magnets for operating temperatures up to 550/spl deg/C / M. S. Walmer, C. H. Chen, V. H. Walmer // IEEE Transactions on Magnetics. 2000. Vol. 36, № 5. P. 3376–3381. Перевод: БРЭ.Рис. 2. Влияние температуры на магнитные параметры различных марок магнитотвёрдых материалов. Цифры в скобках возле химических формул обозначают величину энергетического произведения. Графики из статьи: Walmer M. S. A new class of Sm-TM magnets for operating temperatures up to 550/spl deg/C / M. S. Walmer, C. H. Chen, V. H. Walmer // IEEE Transactions on Magnetics. 2000. Vol. 36, № 5. P. 3376–3381. Перевод: БРЭ.агнитотвёрдые материалы типа $\text{Nd}$–$\text{Fe}$–$\text{B}$ разработаны в середине 1980-х гг. Их преимущества: самые высокие значения $(BH)_{\text{макс}}$ (до 440 кДж/м³) и более низкая по сравнению с $\text{Sm}$–$\text{Cо}$ стоимость. Эти материалы имеют сильную зависимость свойств от температуры (применяют до 180 ℃) (рис. 2), низкую коррозионную стойкость и, как правило, требуют нанесения защитных покрытий (цинк, никель и т. п.). Особенно эта проблема значима при их использовании в среде углеводородов (нефть, бензин). В стоимостном выражении доля магнитотвёрдых материалов типа $\text{Nd}$–$\text{Fe}$–$\text{B}$ наибольшая из всех производимых магнитотвёрдых материалов и составляет примерно 15 млрд долл. США из общего объёма рынка магнитотвёрдых материалов (23 млрд долл. США в 2020). Это связано в том числе с постоянным прогрессом в технологии и параметрах производимых магнитотвёрдых материалов. В весовом выражении производство ферритов составляет 900 тыс. т, в то время как магнитотвёрдых материалов типа $\text{Nd}$–$\text{Fe}$–$\text{B}$ – только 156 тыс. т из общего объёма производства всех видов магнитотвёрдых материалов (1150 тыс. т в 2020).

В таблице 2 приведены значения магнитных параметров современных магнитотвёрдых материалов типа $\text{Nd}$–$\text{Fe}$–$\text{B}$ и проведено их сопоставление с максимальными значениями по группам материалов ГОСТ Р 52956.

Таблица 2. Значения магнитных параметров современных магнитотвёрдых материалов марок $\text{Nd}_{2}\text{Fe}_{14}\text{B}$

К композиционным магнитотвёрдым материалам относят полимерные постоянные магниты, или магнитопласты. По технологии изготовления они могут быть литыми и прессованными. В таблице 3 приведены максимально возможные параметры промышленно выпускаемых литых и прессованных магнитопластов. Видно, что магнитные параметры прессованных магнитопластов выше, чем у литых. Достоинства литых магнитопластов – большая механическая прочность, возможность изготовления из них магнитов сложной формы без дополнительной механической обработки или даже сразу готового изделия с магнитом (например, ротор электродвигателя с валом и магнитом). Как правило, магнитопласты используются для изготовления многополюсных постоянных магнитов.

Таблица 3. Магнитные параметры современных литых и прессованных магнитопластов

При выборе прессованных магнитопластов для постоянных магнитов надо учитывать не только величины магнитных параметров магнитотвёрдых материалов разных типов, но и их временну́ю стабильность и стойкость к внешним воздействующим факторам. При отсутствии воздействия внешних размагничивающих полей лучшая временна́я стабильность у литых типа ЮНДК (Миткевич. 2015).

При совокупности внешних воздействующих факторов (внешние электромагнитные поля, температура, соляной туман, влага) наилучшую стойкость имеют магнитотвёрдые материалы типа $\text{Sm}_{2}\text{Co}_{17}$ ($\text{КС25}$ в российской терминологии). В большинстве магнитотвёрдых материалов параметры $(BH)_{\text{макс}}$ и $H_{\text{сM}}$ убывают с ростом температуры; наиболее сильно это проявляется в материалах $\text{Nd}$–$\text{Fe}$–$\text{B}$ и $\text{Nd}$–$\text{Dy}$–$\text{Fe}$–$\text{Co}$–$\text{B}$ (рис. 2).

Применение магнитотвёрдых материалов

Магнитотвёрдые материалы применяются для производства постоянных магнитов, записи магнитной информации и т. д. Они являются источниками постоянных магнитных полей, используемых в различной аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике. Каждый автомобиль, компьютер, мобильный телефон имеет несколько (современные автомобили – несколько десятков) устройств, в состав которых входят постоянные магниты. В настоящее время производятся синхронные электромашины на постоянных магнитах мощностью до 65 МВт. Для низкооборотных электромашин (ветряков, морских приводов и т. п.) нормальным уровнем является масса в 800–1000 кг постоянных магнитов, выполненных из редкоземельных магнитотвёрдых материалов, приходящаяся на 1 МВт мощности.