Для виготовлення постійного магніту, звичайно ж, недостатньо взяти шматок магнітної руди природного походження. Сучасні матеріали для магнітів повинні задовольняти вимогам до кожного конкретного виробу. Щоб зрозуміти, який матеріал потрібен для того чи іншого постійного магніту, потрібно відповісти на кілька питань:
Які магнітні властивості матеріалу необхідні?
Які вимоги пред'являються до фізичних властивостей матеріалу?
Які температури повинен витримати магніт?
Які вимоги до вартості магніту?
Сьогодні для виготовлення магнітів використовують самі різні матеріали. Це альнико, ферити, сплави самарій-кобальт, неодим-залізо-бор, залізо-хром-кобальт, а так само матеріали у вигляді суміші магнітного порошку і будь-якого сполучного компонента. В якості сполучного матеріалу можуть виступати каучук, пластик та матеріали на основі епоксидної смоли.
Кожен з перерахованих вище матеріалів має і переваги, і недоліки. Властивості матеріалів є основою при виготовленні магнітів для різних цілей.
Почнемо огляд магнітних матеріалів з одного з найстаріших...
1. Магніти-альнико AlNiCo.
Використовується ще з часів другої Світової Війни, він має незаперечні позитивні якості в порівнянні з іншими матеріалами. У нього може бути дуже висока залишкова намагніченість Br, змінюється від 6700 до 13500 Р. Температура, при якій матеріал повністю втрачає свої магнітні властивості (Температура Кюрі) у цього матеріалу приблизно 840 0С, температурна стабільність даного матеріалу дуже висока. Температурний коефіцієнт індукції та інших магнітних характеристик становить 0,02 (% / 0С), менше ніж у багатьох інших доступних матеріалів. Іншою важливою властивістю альнико є можливість формування в матеріалі магнітного поля великої кривизни. Знаменита форма Альнико – форма підкови, це викривлений магніт з північним і південним полюсами, вирівняними так, що вони можуть, наприклад, порушувати сталевий стрижень.
З недоліків слід зазначити, що Альнико дуже твердий і крихкий матеріал. Він може бути оброблений тільки поліруванням, шліфуванням або електроерозійною обробкою. Це створює труднощі при використання у складі виробу. Також у Альнико низька коерцитивна сила, що змінюється в межах 0.64-1.9 се.
2. Ферити (ферити барію, кобальту, стронцію..)
Найдешевший на сьогоднішній день магнітний матеріал - ферит (кераміка).У цього матеріалу помірно високі значення Hcb і Hci (від 2,500 до 4,000 G), що значно вище, ніж у Альнико. Його електричний опір також дуже високо. Керамічні матеріали зазвичай є діелектриками, тоді як практично всі магнітні матеріали мають помірну електричну провідність.
До недоліків феритових матеріалів можна віднести більш низьку температуру Кюрі (близько 450 0С), а також низьку температурну стабільність. Температурний коефіцієнт феритових матеріалів становить 0,2 (% / 0С), тобто вони в 10 разів менше стабільні, ніж Альнико (-0,02 (% / 0С)).
Феритові матеріали давно застосовуються у виробництві електродвигунів, де необхідний магнітний матеріал з високою коерцитивною силою, а вона для даного матеріалу змінюється в межах від 2,500 до 4,000 G, що цілком достатньо для електроприводів постійного струму, які застосовуються в промисловості. В даний час ферити стали широко застосовуватися в автомобільних двигунах постійного струму, стеклоподъемниках, вентиляторах, антенних моторах і т. д. Електроприводи в автомобілебудуванні – основна підтримка магнітного бізнесу ось вже майже 40 років.
Головне достоїнство феритів це їх низька ціна. Але не слід також забувати про високу хімічну стабільність до окислення, що дозволяє ферритам зберігати свої властивості і зовнішній вигляд без жодного покриття протягом десятиліть.
3. Магніти самарій кобальт (SmCo)
В кінці 70-х років минулого століття в Дэйтонском університеті в рамках одного з проектів ВПС США був використаний матеріал самарій-кобальт (SmCo). Енергія магнітного поля цього матеріалу виявилася більш високою, ніж у Альнико, а температурна стабільність - чудовою. У той же час, це самий дорогою з наявних магнітних матеріалів.
Перевагою магнітів SmCo є висока залишкова намагніченість Br (до 11.5 кГ), коерцитивна сила Hci (від 5,5 до 25 ке) і висока температура Кюрі.
Відомі дві марки SmCo: 1:5 -сплав, в якого температура Кюрі 750 0С, і 2:17 - сплав з температурою Кюрі 825 0С.
Магніти SmCo володіють хорошою температурною стабільністю 0,035 (% / 0С), їх температурний коефіцієнт індукції більше, ніж у Альнико.
Недоліками магнітів SmCo є їх висока вартість і крихкість. Висока ціна матеріалу зумовлена використанням у ньому дорогих рідкоземельних металів. Зокрема, технологія очищення самарія досить дорога, так само, як і кобальту досить дорога.
Із сплавів - 1:5 і 2:17 – менш дорогим (на 10-15 %) є сплав 2:17, оскільки в ньому невелика частина кобальту заміщена залізом, і зміст самарія менше, ніж у чистому сплаві 1:5. Випуск магнітів зі сплаву 2:17 поки що на 50 % вище, ніж із сплаву 1:5. Розроблені зі сплаву 2:17 магнітні системи мають велику магнітну енергію, при цьому сплав 2:17 виробляє ту ж роботу, що і сплав 1:5, і має меншу вартість.Другий недолік матеріалу SmCo – це його крихкість. Замовникам зазвичай радять мати магніти SmCo з фасками радіусом заокруглення в 1 мм.
Однак, у багатьох військових розробках, де вимагається стабільність і надійність, а ціна має менше значення, магніти SmCo змінили Альнико.
4. Магніти неодим-залізо-бор (NdFeB)
Виробники почали шукати магнітний матеріал, який мав би такий же магнітною енергією, як SmCo, але мав істотно більш низьку вартість. Було встановлено, що у сплавів NdFeB дуже високе енергетичне твір - аж до 50-55 MG*Oe - за значно меншою ціною, ніж ціна SmCo. Наукові дослідження нового магнітного матеріалу - неодим-залізо-бор (NdFeB) - розпочалися з 80-х років минулого століття, а його широке застосування в промисловості - з 1984 року.
Магніти NdFeB володіють широким діапазоном робочих температур (від -40 0С до +150 0С), деякі їх види можна використовувати аж до 200 0С.
Температурна стабільність магнітів NdFeB менше, ніж у магнітів SmCo – їх температурний коефіцієнт магнітної індукції змінюється від 0,07 до 0,13 (% / 0С) (для порівняння 0,035 (% / 0С) у SmCo). Внаслідок цього при температурах понад 180 0С магніти SmCo можуть створювати великі значення магнітного поля, ніж магніти NdFeB.
Щоб уникнути корозії, сплав NdFeB покривають цинком, нікелем, міддю або комбінацією цих матеріалів. Крім того, щоб уникнути виникнення хімічно нестабільних сполук в структурі сплаву процес виготовлення проводиться у відсутність повітря.
NdFeB має низьку температуру Кюрі – приблизно 310 0С, яка може бути підвищена додаванням кобальту. Однак, використання кобальту веде до подорожчання матеріалу.
В даний час магніти NdFeB дуже широко використовуються в двигунах електроприводів в комп'ютерній техніці завдяки своїм високим енергетичним магнітним характеристиками. У 80-х роках минулого століття для цих цілей використовувалися феритові магніти, пізніше - магніти з SmCo. Використання більш сильних магнітів дозволяє зробити привід диска більш мініатюрним. Пристрої зчитування і запису інформації, так звані VCM, а також всі дискові і шпиндельні мотори використовують спечені магніти неодим-залізо-бор. Приблизно 60 % використовується в промисловості магнітного матеріалу NdFeB застосовується в приводах комп'ютерних дисків.
Схильність корозії NdFeB змушує наносити на магніти покриття. Фарбування, покриття епоксидною смолою гарні в якості захисту від окислення, але додають зайвий шар між магнітом та іншими частинами виробу. Цей шар викликає додаткове магнітне опір в ланцюзі, подібно опору в електричної ланцюга. Покриття нікелем і цинком найбільш вигідні із-за можливості нанесення шару дуже малої товщини. Нікель особливо ефективно захищає магніт від повітря і вологості завдяки своїй герметичності. Крім того, це один з найдешевших методів захисту від окислення. Як правило, товщина покриття нікелем не перевищує 15-20 мкм.
В даний час магніти NdFeB можуть проводитися з присадками з різних матеріалів, такими як діспрозій, кобальт, ніобій, ванадій, галій і т. д., що веде до поліпшення стабільності магніту з температурної і корозійної точок зору. Ці модифіковані магніти можуть бути використані до температур +220 0С.
5. Магнитопласты або полімерні магніти
Магнитопласты виготовляються шляхом змішування магнітного порошку і будь-якого сполучного компонента. В якості сполучного речовини можуть застосовуватися каучук, акрил, поліамід, термопластик, пластик, вініл, епоксидна смола, PPS та ін.
Магніт виготовляється із змішаної маси наступними способами:
- прокаткою в суцільне полотно за допомогою пресування між двома катками (каландрованием).
- нагріта маса формується шляхом видавлювання через отвір певного перерізу (видавлювання).
- нагріта маса впорскується в матрицю, де охолоджується до затвердіння, потім матрицю відкривають і витягують виливок (метод виливка).
- покритий магнітний порошок міститься в порожнину матриці і щільно стискається під високим тиском (пресування під тиском).
Магнитопласты володіють фізичними властивостями, типовими для зв'язуючого матеріалу. Каучуковий магнитопласт гнучкий, не кришиться і не ламається. Магнитопласты на основі епоксидної смоли мають гарний опір впливу масел, бензину і звичайних розчинників. Основні зв'язувальні матеріали мають такі характерні особливості:
- Межа використання по температурі, що відповідає температурі, при якій сполучний матеріал втрачає твердість (150-180 0С).
- Негерметичність, з-за якої всередину матеріалу можуть проникати вода і повітря, які впливають на магнітні властивості матеріалу.
- Речовина може набухати, вбирати вологу і як наслідок, змінювати свої розміри і втрачати міцність.
Правильний вибір зв'язуючого матеріалу може бути важливий для мінімізації негативних ефектів.
Латунь, алюміній, сталь і навіть високотемпературні пластики можуть бути використані в процесі пресування даних магнітів, коли магнітні з'єднання формуються за рахунок перемішування магнітного порошку і зв'язуючого матеріалу.
Якщо додавати в форму для лиття два компоненти, то можна виготовити продукт, що містить два різних матеріалу. Це можуть бути два магнітних матеріалу або суміш магнітних матеріалів та пластику. Існує різновид цього процесу, звана багатокроковим методом лиття вспрыском, коли різнорідні матеріали пресуються послідовно. Часто з точки зору магнітних властивостей ця технологія дає кращі результати, ніж одночасне пресування.
Описані процеси дозволяють створювати як прості, так і дуже складні форми магнітів; з прямою, радіальної та багатополюсної намагніченістю.
Робочі температури магнитопластов низькі в порівнянні з робочими температурами спечених магнітів. Використання різних магнітних порошків дозволяє отримати «гібридний» магніт, володіє тим чи іншим набором властивостей. Особливо корисні гібриди, що представляють собою суміші феритового порошку з невеликою кількістю рідкоземельного порошку, зазвичай NdFeB. Різне співвідношення компонентів такого гібрида дозволяє отримати необхідні характеристики.
Один з недоліків магнитопластов - верхній температурний межа використання, який визначається температурним станом зв'язуючого матеріалу. Ця величина зазвичай становить від 80 0С до 220 0С. Полифенильный сульфід (PPS) володіє високою температурою експлуатації з мінімальною абсорбуючою здатністю і високим опором шкідливому впливу масел та інших нафтопродуктів. В автомобільній промисловості вже розпочато виготовлення магнітів із застосуванням PPS. Хороші результати дає також використання в якості сполучних компонент Нейлону 6 і 12.
Термоэластичные магнитопласты мають верхню межу використання по температурі близько 80 0С.
При виробництві магнитопластов і магнитоэластов використовуються порошки NdFeB, ферити, Альнико й SmCo, а також їх різні комбінації.
Однією з найбільш перспективних сфер застосування магнитопластов є створення компактних та високоефективних електричних двигунів і приводів, а також різного роду датчиків. Можливість створення магнітів самої складної форми і високої намагніченості, а також хороші механічні властивості – основні конкурентні переваги магнитопластов.
Магниты в последнее время становятся все более популярными, о чем свидетельствуют многочисленные запросы наших клиентов, которые в свою очередь используют их в быту, в промышленности, для изготовления различной продукции (от сувениров до электротехники). Магниты бывают разных видов: обычные ферритовые (популярность которых все падает, так как они слабее аналогов и быстрее размагничиваются), самариевые (используются в промышленности) и неодимовые. Последние получают все большую известность и пользуются постоянным спросом.
Часто люди називають неодимовий магніт як: супермагнит, вічний магніт, сверхмагнит, потужний магніт, рідкоземельний магніт, сильний магніт, правильний магніт, магніт неодим-залізо-бор, магніт Nd-Fe-B. Деякі помилково запитують ниобиевый магніт, дидимовый магніт, неомагніт, неомидиевый магніт, нимидьевый магніт, неедимовый магніт, неодіновий магніт, никодимовый магніт, неодиемовый магніт, ниодиевый магніт, ниадимовый магніт, дионитовый магніт, еодиновый магніт.
Правильне назва все-таки неодимовий магніт, так як в його склад входить рідкоземельний метал неодим (Nd), завдяки якому магніти і отримує свої унікальні властивості: вони дуже потужні (навіть якщо у них невеликий розмір), які не піддаються размагничиванию (втрачають всього 1% сили за сто років). Крім неодиму до складу таких магнітів входить залізо (Fe) і бор (B).
Неодимовий магніт можна використовувати в якості універсального кріплення для сувенірів, меблів, портьєр. Неодимові магніти використовують як пошукові, а також в електроніці і навіть в якості іграшки (неокуби). Повний опис застосування магнітів і техніка безпеки при їх використанні тут .
