Магниты при повышенных температурах

Данную статью мы написали, чтобы дать ответ на вопрос о классах магнитов, их стандартах, физических характеристиках.

Несмотря на то, что предлагаемые нами магниты называются неодимовыми, они могут очень сильно отличаться друг от друга, ведь у каждого магнита есть свои физические характеристики, а не только размеры, форма и покрытие. Поэтому вопрос, какие именно неодимовые магниты Вас интересуют, не должен ставить Вас в тупик. В этой статье Вы получите ответы на многие свои вопросы.

Что обозначают буквы и цифры в классах неодимовых магнитов?

Зачастую, мы, как производители и продавцы, хотим услышать технические характеристики магнита, а именно буквы и цифры, в которых они (технические характеристики) зашифрованы. А покупатель зачастую досконально знает свою область применения магнитов, но номенклатуру, тем более международную, не знает.
Итак, начинаем разбираться с международной номенклатурой магнитов, а именно классами, техническими характеристиками и обозначениями.

В первую очередь, неодимовые магниты делят на классы, которые обозначаются буквами и числами (например, N35), в которых и заложена основная информация о магните.  Ниже приведена стандартная номенклатурная таблица характеристик неодимовых магнитов (смотрите в левый столбик – там указаны классы).

 В таблице все численные величины мы представили в двух единицах измерения. Первая, без скобочек, – это величина измерения в системе СИ (эта та система, в которой работает наша страна),  а вторая (указана в скобках), – это измерения в международной  системе СГСЕ (европейские стандарты). Для  Вашего удобства мы решили указать в таблице обе единицы измерения.

Таблица характеристик неодимовых магнитов

Начинаем изучать таблицу справа налево. Как Вы можете увидеть по правому столбику таблицы, основное классовое отличие магнитов – это их рабочая температура использования, то есть та допустимая максимальная температура, превышая которую магнит начинает терять свои магнитные свойства. Таким образом, на температурный диапазон использования магнита указывает буквенная часть его маркировки (левый столбец). Дадим расшифровку этих букв:

• Магниты марки N (Normal)– могут применяться при нормальных температурах, то есть до 80 градусов Цельсия;
• Магниты марки M (Medium) – могут применяться при повышенных температурах, то есть до 100 градусов Цельсия;
• Магниты марки H (High) – могут применяться при высоких температурах, до 120 градусов Цельсия;
• Магниты марки SH (Super High) – могут применяться при температурах до 150 градусов Цельсия;
• Магниты марки UH (Ultra High) – могут применяться при температурах до 180 градусов Цельсия;
• Магниты марки EH (Extra High) – могут применяться при температурах до 200 градусов Цельсия.

Стоит оговориться, что отрицательные температуры не оказывают влияния на магнитные свойства для большинства магнитов.

Цифры, указанные в обозначении класса магнитов: N30, 33M, 35H, 38SH, 40UH и т.д., указывают на Магнитную Энергию (четвертый столбец таблицы), измеряется в килоДжоуль на кубический метр. Этот критерий магнитов отвечает за их мощность или, так называемое, «усилие на отрыв», то есть сила, которую необходимо приложить к магниту, чтобы его «оторвать» от поверхности. Необходимо понимать, что поверхность (стальной лист) должен быть идеально ровным, а приложенная сила должна быть перпендикулярной к листу. Это, так называемые, идеальные или теоритические условия. Совершенно понятно, что чем выше цифровое обозначение магнита, тем выше его усилие на отрыв.

Сила на отрыв магнита

Но, кроме того, «сила на отрыв» зависит не только от физических характеристик магнита, но и от его размера и веса. Например, магнит 25*20 мм легче оторвать от стального листа, чем магнит 40*5 мм, так как площадь соприкосновения у второго магнита больше (25 мм против 40мм). Но линии магнитного поля, если их визуализировать, распространяются у первого магнита (25*20 мм) «дальше», значит, и «цепляется» за стальной лист он лучше.

Как сравнить силу магнитов?

Если возникает необходимость сравнить, какой из двух выбранных магнитов сильнее, рекомендуем Вам воспользоваться следующими способами.

• При одинаковых линейных размерах (точная методика):

Чтобы понять, насколько один магнит сильнее другого, необходимо значение остаточной магнитной индукции одного магнита (второй столбец таблицы) разделить на значение остаточной магнитной индукции другого магнита. Пример: неодимовый магнит N40 с В=1250 мТ и неодимовый магнит N50 с В=1400 мТ, делим их магнитные индукции и получаем 1400/1250 = 1,12, то есть магнит N50 «сильнее» магнита N40 на 12%, при условии, что линейные размеры магнитов одинаковые.

• При разных линейных размерах (грубая методика):

Чтобы понять, насколько один магнит сильнее другого, необходимо сравнить их массы. Пример: магнит 30*10 мм весит примерно 55 грамм, а магнит 25*20 мм весит 76 грамм. Делим их массы 76/55=1,38, то есть магнит 25*20 мм сильнее магнита 30*10 мм примерно на 38%, при условии, что их классы, то есть физические характеристики, одинаковые.

Коэрцитивная сила магнита

И в таблице осталась одна незатронутая колонка – Коэрцитивная Сила (третий столбец). Кратко, Коэрцитивная сила – это величина магнитного поля, в которое нужно поместить магнит, чтобы его «размагнитить». Данная величина, как правило, очень важна в случаях, если магнит эксплуатируется в условиях жёсткого внешнего магнитного поля, как правило, вблизи мощных электроузлов.

Надеемся, что в данной статье (характеристики неодимовых магнитов) Вы нашли ответы на часть Ваших вопросов. На другие вопросы мы с удовольствием ответим по телефону или электронной почте, которые указаны в контактах.

Читайте также:

Что такое неодимовый магнит?

Что такое самариевый магнит?

Правила работы с магнитами

Что такое аксиальная намагниченность?

Можно ли изготовить магниты по Вашим размерам?

&nbsp&nbsp&nbsp Как известно ?классический? материал КС25ДЦ(Sm-Co-Fe-Cu-Zr) второго поколения содержит обычно в своем химическом составе
4,5-7,8% Cu и 2-3,5% Zr. Спечённые постоянные магниты из таких сплавов могут использоваться при рабочих температурах до 300?С, а иногда до 400?С. Более высокие температуры могут привести к структурным изменениям в материале, что приводит к необратимому изменению магнитных параметров постоянных магнитов. Еще с 80-х годов известно, что увеличение содержания меди в сплаве Sm-Co-Fe-Cu-Zr позволяет увеличить рабочую температуру, но низкий уровень магнитных характеристик (намагниченности) ограничили содержание меди в интервале 4,5-7,8% в сплавах при производстве постоянных магнитов.

&nbsp&nbsp&nbsp Необходимость использования редкоземельных SmCo магнитов при повышенных (≥400?С) рабочих температурах в ряде специальных применений дали толчок практическим исследованиям, что привело к появлению специальных марок постоянных магнитов в США. (Т500 и Т550).

&nbsp&nbsp&nbsp На нашем предприятии были также проведены работы по возможному увеличению содержания меди в составе материала для изготовления постоянных магнитов с повышенной рабочей температурой, и оптимизации режимов термообработок для них.

&nbsp&nbsp&nbsp В соответствии с общепринятой точкой зрения на механизмы магнитного гистерезиса в сплавах SmCoFeCuZr высокая JHC≥20кЭ определяется наноструктурным кристаллическим состоянием и высоким содержанием меди в фазе 1:5, возникшим после низкотемпературного отжига при снижении от 850?С до 400?С. Отсюда следует, что необходим дополнительный запас Cu в магните с высокой рабочей температурой, чтобы обеспечить её достаточное содержание в фазе 1:5 с учетом того, что часть меди при T≈ 400?С-600?С обратимо уходит в другие фазы.

Экспериментальная часть.

&nbsp&nbsp&nbspВ индукционной печи в атмосфере Ar с розливом в чугунную шестилучевую изложницу был выплавлен ряд сплавов различного состава системы Sm(Co, Fe, Cu, Zr). Слитки дробились и измельчались в шаровой вибромельнице в среде ацетона. Высушенные в вакууме пресс-порошки использовали для составления смесей из двух, трёх или четырёх компонент для обеспечения требуемого состава по меди. Прессование приготовленных однородных пресс-порошков осуществляли изостатически в эластичных элементах из резины или полиуретана при давлении около 6 т/см3 в магнитном поле 1000÷1200 кА/м.

&nbsp&nbsp&nbsp Спекание проводили в вакуумных печах в вакууме не хуже 10-3 мм.рт.ст. с запуском аргона.

&nbsp&nbsp&nbsp Затем были проведены гомогенизирующие и низкотемпературные отжиги в среде инертного газа (He, Ar).

&nbsp&nbsp&nbsp После механической обработки образцы в виде дисков Ø16х5,5 мм намагничивались импульсным магнитным полем ~6 Тл и измерялись величины потокосцепления поля магнита с катушками Гельмгольца (рис.1).

Рис.1.Зависимость величины индукции в рабочей точке постоянного магнита от массовой доли Cu в составе. Содержание Fe 12,5 %.

&nbsp&nbsp&nbsp Измерения величины потокосцепления показали закономерное снижение значения индукции в рабочей точке с ростом содержания меди в составе постоянного магнита.

&nbsp&nbsp&nbsp Затем образцы на немагнитных подложках помещались в термошкаф, где подвергались воздействию температуры Тст не менее 2 часов и дальнейшему остыванию до комнатной температуры. После проводились измерения величины потокосцепления (Рис.2,3).

Рис.2.Зависимость относительной величины индукции в рабочей точке от температуры выдержки для разных составов по Cu.

Рис.3.Зависимость относительной величины индукции в рабочей точке от массового содержания Cu после выдержки при разных температурах.

&nbsp&nbsp&nbsp Анализ полученных данных позволил определить оптимальный химический состав сплава для различных рабочих температур. Результат представлен в таблице.

Состав(Cu9.4):

&nbsp&nbsp&nbsp Sm ? 27,2%, Co ? 48,3%, Fe ? 12,7%, Cu ? 9,4%, Zr ? 2,4%

&nbsp&nbsp&nbsp Sm(Co0,67 Fe0,19 Cu0,12 Zr0,02)6,75

&nbsp&nbsp&nbsp Для образцов (Cu9,4) приведены измерения параметров кривой размагничивания в замкнутой магнитной цепи электромагнита с Hmax=25 кЭ на установке ПОЗ-Прогресса до и после термостабилизации 610?С (рис.4).

Рис.4.Кривая размагничивания для образца (Cu9,4) до и после термостабилизации 610?С.

&nbsp&nbsp&nbsp Также были изготовлены образцы Ø10х5,5 мм и проведены контрольные измерения параметров кривой размагничивания в Уральском Федеральном Университете на установке Permagraf, которые подтвердили результаты наших измерений (рис.5).

Рис.5.Кривая размагничивания для образца (Cu9,4).

Практическое применение.

&nbsp&nbsp&nbsp После проведенных исследований были изготовлены постоянные магниты 30х30х15 из состава соответствующего (Cu9,0) для непосредственных нужд заказчика. Заказчик провел выдержку в вакууме до 10-7мм.рт.ст. данных образцов по режиму 2 ч ? 550?С, 8 ч ? 500 ?С, 10 ч ? 400?С. Измерения после выдержки и остывания до комнатной температуры показали, что величина необратимых потерь не превышала ~0,2%, и соответствовала заявленным нами характеристикам, максимальное энергетическое произведение для них при комнатной температуре составило 18 МГс*Э.
Таким образом, оптимизация химического состава и режимов термообработок позволяет расширить сферу применения постоянных магнитов с повышенной рабочей температурой до 600?С, в том числе, например, располагать магнитную систему внутри вакуумной оболочки СВЧ-прибора, где для достижения высокого вакуума 10-6-10-7мм.рт.ст. необходимы данные температуры. Это приведет к уменьшению габаритов и массы магнитной системы в данных приборах в несколько раз (рис.6).

Рис.6.Пример СВЧ-прибора

&nbsp&nbsp&nbsp Другим реальным исследованием новых высокотемпературных постоянных магнитов явилось применение их в индукционном жидкометаллическом насосе с рабочим телом в виде жидкого металла (например жидкого натрия). Сложность данной задачи состояла еще и в том, что помимо высокой рабочей температуры до 450?С, необходимо было упростить конструкцию магнитной системы, её сборку и обеспечить высокое значение магнитной индукции в большом рабочем зазоре. В соответствии с расчетом Заказчика этой цели удовлетворяли только магнитные полюса с оптимизированной магнитной текстурой (см. рис.7). Применив собственную технологию изготовления магнитов с неоднородной магнитной текстурой, разработанную для многополюсных колец мы изготовили заготовки из которых электроэрозионной обработкой были вырезаны сектора. Материал Sm-Co-Fe-Cu-Zr с содержанием меди 8,4 масс.% обеспечил рабочую температуру до +500?С, несмотря на высокое размагничивающее поле в магните.

Рис.7.Монолитный сектор с заданной текстурой и рабочей температурой до 500?С.

Основные результаты.

&nbsp&nbsp&nbsp ? Получены постоянные магниты Sm-Co-Fe-Cu-Zr с максимальной рабочей температурой до 600?С. Магнитные характеристики Brи (BH)max, измеренные на образцах Ø16х5,5 мм (N=0,675) при комнатной температуре после их выдержки при температурах Т=500?С, 550?С, 580?С и 610?С, превышают значения мировых аналогов.

&nbsp&nbsp&nbsp ? Оптимизация химического состава и режимов термообработок позволит расширить сферу применения постоянных магнитов с повышенной рабочей температурой до 600?С, в том числе, например, располагать постоянные магниты внутри вакуумной оболочки СВЧ-прибора или составлять из них магнитную систему ротора индукционного насоса, работающего с жидким металлом при температуре до 500-600?С.

&nbsp&nbsp&nbsp Список литературы:

&nbsp&nbsp&nbsp [1] ТУ 6391-005-55177547-2008, ООО ?ПОЗ-Прогресс?, г. Верхняя Пышма;

&nbsp&nbsp&nbsp [2] J.F. Liu et. al. Thermal stability and a radiation resistance of SmCo based permanent magnets. Proc. of space nuclear confer. 2007, p.2036;

&nbsp&nbsp&nbsp [3] US Patent 06451132. Issue date Sept. 17, 2002.