Таблица 8.1. Предельные значения основных характеристик магнитотвердых материалов

ИЗ видов одноосной анизотропии К, если известна их намагниченность насыщения и поле анизотропии Яд.

Константа магнитной анизотропии К отражает степень реализации в материале явления магнитной анизотропии, состоящго в том, что расположение атомных магнитных моментов и, следовательно, самопроизвольной намагниченности насыщения 4л;/ в одних направлениях кристалла энергетически выгоднее, чем в других. Как следствие этого, в кристалле существуют направления легкого и трудного намагничивания.

471/(Я)

(ВН)

,(2)

л /, / - am ,Н>Лк1-, 2,2,2 - для /Я = 4я 2; 3, i\

3 - для /Я < 4л/

Поле анизотропии Яд является одной из характеристик магнитотвер-яых материалов, используемой для оценки перспективности материала.

Поле анизотропии Яд условное понятие, вводимое выражением Яд= -, где К - константа магнитной анизотропии, - намагниченность насыщения. Физический смысл Яд офаничен. Согласно теории микромагнетизма, Яд это поле, при приложении которого к идеальному бездефектному однодомйнному кристаллу в направлении оси легкого намагничивания кристалла впервые возникает зародыш перемагничивания. Для идеальной бездефектной однодоменной частицы в направлении оси легкого намагничивания Яд является предельным значением коэрцитивной силы jH. Грубо Яд можно считать пределом /Я, когда магнитный гистерезис обусловлен трудностью в образовании зародыша перемагничивания.

За последние 100 лет магнитные свойства магнитотвердых материалов претерпели существеннейшие изменения. Магнитные свойства основных магнитотвердых материалов в своем развитии приведены в табл. 8.2.

Увеличение магнитной энергии сплавов для постоянных магнитов на протяжении прошлого столетия можно представить в виде зависимости по годам (рис. 8.2), которая достаточно хорошо аппроксимируется гладкой кривой и описывается экспоненциальным уравнением

(ВН) = 8,3 ехр[(год - 1910)/20], кДж/м, Таблица 8.2. Основные этапы развития магнитотвердых материалов

-400

1 320

Q. Ф I

о: 240 го

i 160

5 80

1 О § 1

Nd2Fe,4B

Сплавы SmCo

Спеченные Fe-Ni-Al-

Столбчатые Fe-Ni-Al-Co Fe-Ni-Ab;Cojl js Со,

Igjil;rfEi:фiFpит

НО 1920 1930 1940 1950 i960 1970 1980 1990 Год

Рис. 8.2. Изменение магнитной энергии постоянных магнитов в процессе развития магнитотвердых материалов в XX столетии

согласно которому до 1990 г. магнитная энергия каждые 20 лет увеличивалась в 2,7 раза. При сохранении подобной тенденции дальнейшая экстраполяция этой зависимости позволяет ожидать к 2010 г. достижения магнитной энергии около 1190 кДж/м- (140 МГс Э)*.

Достижение таких значений магнитной энергии становится возможным при условии использования одноосных ферромагнитных соединений с намагниченностью насыщения более 2,44 Тл**. Среди классических ферромагнетиков такой намагниченностью насыщения при климатических температурах обладают сплавы Fe-Co (2,45 Тл), при температурах жидкого гелия редкоземельные металлы ТЬ (3,27), Но (3,75), Dy (3,70), Ег (3,42), Тт (2,72 Тл).

Кроме указанных в табл. 8.2 сплавов, развивались и другие магни-тотвердые материалы: Си-Ni-Fe, Си-Ni-Со, Fe-Со-Мо, Ее-Mo-V, Fe-Co-V, Fe-Pt, Co-Pt, Mn-Al, Mn-Bi, в которых бьши реализованы различные механизмы перемагничивания.

Механизмы перемагничивания и их реализация в магнитотвердых материалах

Причинами магнитного гистерезиса магнитотвердых материалов М являются необратимые процессы изменения магнитного состояния при

* 1 МГс Э = 7,96 кДж/м. ** 1 Тл = 104 Гс.

А= 21

/max

Причиной изменения энергии доменной границы могут быть или неферромагнитные включения, или внутренние напряжения. При наличии только неферромагнитных включений

dS Эх

да ах

а при наличии только внутренних напряжений

Imax

где 8 и 5 - толщина и площадь доменной границы соответственно, а - внутренние напряжения.

При задержке образования устойчивого зародыша перемагничивания коэрцитивная сила уЯ определяется полем старта Н, при приложении которого такой зародыш возникает. Поле старта сложным образом зависит от дефектной структуры материала, локальных значений констант анизотропии и величины приложенного при намагничивании поля.

В случае, когда гистерезис обусловлен необратимыми процессами вращения,

г де - эффективная константа одноосной анизотропии, которая может приобретать различные значения, а именно: для одноосной кристаллической анизотропии - К, для одноосной анизотропии упругих напряжений - и для одноосной анизотропии формы, когда маг-

нитотвердая однодоменная частица представляет собой вытянутый эллипсоид вращения с размагничивающим фактором ууд вдоль длинной оси эллипсоида и вдоль его короткой оси, - (Лв У\)/2-

намагничивании. В настоящее время вьщеляют три основные причины магнитного гистерезиса:

1. Задержка смещения границ доменов.

2. Задержка образования устойчивого зародыша перемагничивания.

3. Необратимые процессы вращения вектора намагниченности в од-нодоменных частицах.

Каждый из этих механизмов различным образом определяет величину коэрцитивной силы jH материала. При задержке смещения границ доменов коэрцитивная сила определяется максимальным градиентом энергии доменной границы

Классификация магнитотвердых материалов [1]

Поскольку магнитные характеристики магнитотвердых материалов зависят от реализаиии того или иного механизма перемагничивания, то их классификацию удобнее всего произвести по видам анизотропии и механизмам перемагничивания. При такой классификации все магнитотвердые материалы можно разделить на три большие группы:

1. Материалы с одноосной анизотропией полей рассеяния (анизотропией формы), причина магнитного гистерезиса в которых обусловлена необратимым врашением вектора намагниченности в однодоменных частицах. К этой группе следует отнести магниты из однодоменных удлиненных частиц железа или сплава Fe-Co (ESD-магниты) и сплавы на основе Fe-Ni-А1-Со и Fe-Со-Сг.

2. Материалы с одноосной кристаллической анизотропией, причина магнитного гистерезиса в которых связана с трудностью необратимого смешения доменных границ или трудностью образования зародыша обратной намагниченности. Сюда следует отнести материалы на основе интерметаллических соединений РЗМ с Зй?-переходными металлами и сплавы на основе Fe-Pt, Co-Pt, Mn-Al, Мп-Bi.

3. Материалы с неодноосной кристаллической анизотропией, гистерезис перемагничивания которых происходит в результате затруднения необратимого смещения доменных границ при наличии неферромагнитных включений или внутренних напряжений. К третьей группе относятся сплавы на основе Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Fe-Со-Мо, Fe-Mo-V, Fe-Co-V и углеродистые стали с W, Сг и Со.

Магнитотвердые материалы с одноосной анизотропией полей рассеяния (анизотропией формы)

Магнитотвердые материалы на основе системы Fe-Ni-Al-Co [2]

В 1932 г. бьши открыты сплавы на основе Fe-Ni-Al. По своим магнитным свойствам они резко отличались от широко применявшихся в то время магнитотвердых кобальтовых сталей. Исследование фазового равновесия показало, что при температурах выше 1000 °С сплавы находятся в состоянии однофазного а-твердого раствора с кристаллической решеткой ОЦК, в котором при охлаждении происходит расслоение на две изоморфные ОЦК фазы а и с очень близкими параметрами решетки (0,2868 и 0,2878 нм соответственно). Высококоэрцитивное состояние

с наилучшими магнитными свойствами (Я - 570 Э)* бьшо получено в результате охлаждения с критической скоростью (около 10 °С) из состояния однофазного а-твердого раствора.

Изучение ме.ханизма и кинетики фазовых превращений показало, что высококоэрцитивное состояние формируется в процессе распада и дорас-пада твердого раствора. На стадии распада при температурах 875...775°С формируется морфология структуры, состоящей из удлиненных ферромагнитных частиц с преобладающим содержанием железа, расположенных в слабомагнитной мaтpщe на основе интерметаллического соединения NiAl. В процессе последующего дораспада при более низких температурах происходит перераспределение компонентов между фазами aj и (х2, в результате чего фаза а, обогащается железом, а фаза - никелем и алюминием. В результате этих процессов формируется структура высококоэрцитивного состояния, которая представляет собой сильномагнитные анизотропные по форме вьщеления фазы а ориентированные в каждом кристаллите вдоль трех кристаллографических направлений <100> неферромагнитной матрицы В поликристаллическом материале в этом случае все удлиненные частицы равновероятно ориентированы в произвольных направлениях. Такие материалы являются изотропными и свойства их не очень высоки.

Существенное улучшение магнитных свойств сплавов на основе Fe-Ni-А1-Со связано с термомагнитной обработкой и созданием магнитной текстуры. Если направление магнитного поля, прикладываемого при термообработке, совпадает с одним из направлений <100> распадающегося твердого раствора, то в структуре наблюдается единственная ориентировка вьщелений фазы aj вдоль приложенного магнитного поля. Подобный эффект термомагнитной обработки реализуется в монокристаллических магнитах. В поликристаллическом материале, когда магнитное поле ориентировано произвольно относительно направлений <100> каждого кристаллита, сильномагнитные вьщеления фазы а, ориентируются вдоль некоторых направлений, расположенных между направлениями магнитного поля и <100>, ближайшего к направлению магнитного поля. В этом случае во всем поликристаллическом материале вьщеления фазы своими длинными осями ориентированы внутри конуса, ось которого совпадает с магнитным полем. Такие материалы являются анизотропными, и их магнитные свойства вдоль направ-

1 КА

4п м