Магнитно-мягкие и магнитно-твердые сплавы: от сердечника трансформатора до магнита в космическом аппарате

Мы привыкли видеть магниты на дверце холодильника, в игрушках или сувенирах. Но в действительности магнитные материалы — это незаметные «труженики» современной техники. Без них не заработает трансформатор на электростанции, магнитно-резонансный томограф в больнице или электродвигатель в электромобиле.

Все магнитные сплавы условно делятся на две большие группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Различие между ними заключается в устойчивости намагниченности:

• Магнитно-мягкие сплавы легко намагничиваются и также легко теряют намагниченность.
• Магнитно-твердые сплавы, напротив, надолго сохраняют магнитное состояние даже после снятия внешнего поля.

Эти материалы различаются не только по магнитным параметрам, но и по химическому составу, структуре, технологии обработки, стоимости и, конечно, по областям применения.

Магнитно-мягкие сплавы — «сердце» трансформаторов и катушек

Представьте материал, который мгновенно реагирует на появление магнитного поля и тут же «отпускает» его, когда поле исчезает. Именно так ведут себя магнитно-мягкие сплавы — ферромагнитные материалы, которые легко намагничиваются и столь же легко размагничиваются. Их главная особенность — неспособность длительно удерживать остаточную намагниченность.

Основные характеристики магнитно-мягких сплавов

• Высокая индукция насыщения — материал достигает значительной намагниченности уже при малой напряженности магнитного поля.
• Низкая коэрцитивная сила (< 100 А/м) — позволяет быстро и многократно изменять направление намагниченности без нагрева и деградации свойств.
• Высокая магнитная проницаемость (μ > 10³) — материал почти не препятствует прохождению магнитного потока.
• Узкий магнитный гистерезис — минимальные потери энергии при изменении магнитного поля.

Эти свойства делают магнитно-мягкие сплавы незаменимыми в электротехнике, электронике и приборостроении, где важна эффективность и точность.

Как структура влияет на магнитные свойства?

Секрет работы магнитно-мягких материалов в их особой структуре: крупные зерна, минимум дефектов и внутренних напряжений. Так магнитные домены (маленькие области с одинаковой намагниченностью) могут свободно перемещаться, а материал — быстро «откликаться» на внешнее магнитное воздействие.

Основные особенности структуры включают:

• Однородность кристаллической решетки — отсутствие или минимальное количество дефектов и неоднородностей облегчает перемещение магнитных доменов и снижает коэрцитивную силу.
• Минимальные внутренние напряжения — не препятствуют перемещению магнитных доменов. 
• Крупнозернистость — уменьшает энергетические барьеры для перемещения магнитных доменов и способствует высокой магнитной проницаемости и легкости намагничивания.

Дислокации и вакансии (причины внутренних напряжений) уменьшают магнитную проницаемость, поэтому в магнитно-мягких сплавах их сводят к минимуму с помощью термической обработки, что улучшает магнитные свойства материала. Особое значение имеет отжиг в вакууме: нагрев материала до определенной температуры и его выдержка в вакууме.

В процессе отжига:

• Снимаются внутренние механические напряжения, что способствует однородности кристаллической решетки и снижению коэрцитивной силы.
• Кристаллическая структура становится более однородной, что улучшает магнитные свойства материала.
• Предотвращается окисление поверхности сплава, что минимизирует вероятность образованию нежелательных фаз на поверхности материала.

Именно благодаря этому «мягкие» материалы так быстро откликаются на внешнее магнитное поле.

Применение магнитно-мягких сплавов

• Сердечники трансформаторов и дросселей — преобразование и передача энергии с минимальными потерями для эффективной работы электросетей. Изготавливают из электротехнических сталей.
• Датчики положения — точное определение расположение объекта в пространстве в системах автоматического управления и контроля. Часто используют кобальтовые сплавы, например, 27КХ.
• Магнитные экраны — защита чувствительного оборудования от электромагнитных помех, локализация магнитного поля сильноточных цепей. Благодаря высокой магнитной проницаемости для этих целей отлично подходит сплавы 81НМА, 50Н, 50НП, 79НМ.
• Катушки индуктивности — настройка и фильтрация сигналов в радиочастотных устройствах. Зачастую производятся из пермаллоев.

Магнитно-твердые сплавы: основа мощных постоянных магнитов

Теперь представим иной материал — тот, что однажды намагнитившись, сохраняет это состояние почти навсегда. Даже сильное внешнее воздействие не способно легко его размагнитить. Это магнитно-твердые сплавы — основа мощных постоянных магнитов, используемых в электродвигателях, генераторах, спутниках и медицинской технике.

Основные свойства магнитно-твердых сплавов

• Высокая коэрцитивная сила (сотни — десятки тысяч А/м) — способность материала сопротивляться размагничиванию.
• Большая остаточная индукция (Bᵣ > 0,8 Тл) — величина магнитного потока, сохраняющегося в материале после снятия внешнего магнитного поля. Чем выше остаточная индукция, тем сильнее магнит.
• Устойчивость к внешним факторам — стабильные магнитные свойства при воздействии температуры, влажности, вибрации, других механических нагрузок и эксплуатационных условий.

Пример: сплав системы неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) — основа неодимовых магнитов — один из самых сильных магнитных материалов, способный удерживать груз в тысячу раз тяжелее собственного веса.

Особенности структуры

• Упорядоченная кристаллическая решетка способствует формированию магнитных доменов — областей с однородной намагниченностью, и препятствует перемещению доменных границ, что обеспечивает высокую коэрцитивную силу и остаточную индукцию.
• Высокий градиент внутренних напряжений повышает сопротивление размагничиванию. Дефекты кристаллической решетки (вакансии, дислокации, междоузельные атомы) тщательно контролируются, так как влияют на свойства сплавов, а управление ими позволяет получить материал с оптимальными магнитными характеристиками.
• Пластическая обработка улучшает магнитные свойства сплавов и повышает устойчивость к размагничиванию. Высокая степень нагартовки приводит к образованию дефектов и искажению кристаллической решетки, что создает высокий градиент внутренних напряжений и способствует увеличению коэрцитивной силы.

Упрочненная структура с контролируемыми дефектами способна «запереть» доменные границы. Поэтому, чтобы перемагнитить такой материал, нужно приложить огромное усилие.

Области применения магнитно-твердых сплавов

• Электроника и электротехника — постоянные магниты для различных электронных устройств: электродвигатели, генераторы, трансформаторы и разнообразные датчики. Именно магнитно-твердые материалы обеспечивают стабильную работу электромобилей и дронов и повышают их эффективность.
• Медицина — магнитно-резонансные томографы (МРТ), аппараты для магнитно-терапевтических процедур и другие медицинские устройства, где требуется создание стабильного магнитного поля.
• Аэрокосмическая промышленность — различные датчики, актуаторы (линейные приводы), стабилизаторы и системы управления полетом. Обеспечивают высокую надежность и устойчивость оборудования, работающего в вакууме и при экстремальных перепадах температур.

Магнитно-мягкие vs магнитно-твердые: ключевые различия

Коэрцитивная сила

Для применения в условиях, где требуется быстрая смена магнитного состояния, идеально подходят магнитно-мягкие сплавы за счет низкой коэрцитивной силы. Благодаря ей такие материалы легко намагничиваются и размагничиваются. 

Магнитно-твердые сплавы обладают высокой коэрцитивной силой. Поэтому они подходят для устройств, которые должны сопротивляться размагничиванию и сохранять намагниченность в условиях внешних воздействий.

Остаточная индукция

Сохранять сильный магнитный поток после удаления внешнего магнитного поля способны магнитно-твердые сплавы с высокой остаточной индукцией. Магнитно-мягкие материалы таким качеством «похвастаться» не могут.

Применение

Если требования к оборудованию предусматривают легкость в изменении магнитного состояния, например, в трансформаторах, электромагнитах и магнитных сердечниках, то используются магнитно-мягкие сплавы.

Магнитно-твердые применяются для создания постоянных магнитов, которые должны сохранять свои магнитные свойства в течение длительного времени, например, в электродвигателях, датчиках, медицинском оборудовании и т.д.

Структура и свойства

Магнитно-мягкие сплавы часто имеют простую кристаллическую структуру, которая способствует легкому перемещению магнитных доменов. Магнитно-твердые обладают более сложной структурой с фазами и дефектами, что способствует увеличению коэрцитивной силы и улучшению магнитных свойств.

Обработка и производство

Благодаря мягкости и пластичности магнитно-мягкие сплавы легко поддаются обработке и формированию. Магнитно-твердые же требуют более сложных процессов обработки и легирования для достижения необходимых магнитных и механических свойств.

Где купить качественные магнитные сплавы?

Выбор между «мягкими» и «твердыми» материалами зависит от задачи. Если нужен сплав, который легко меняет магнитное состояние — выбирайте магнитно-мягкий. Если необходим устойчивый магнит — подойдет магнитно-твердый.

На ПЗПС можно купить холоднокатаную ленту:

• из магнитно-мягких сплавов марок 49К2ФА-ВИ, 27КХ, 50Н, 50НП, 79НМ, 81НМА;
• из магнитно-твердых сплавов ЭП-298, 13НХМ.

Мы не только подбираем материалы под конкретные задачи, но и анализируем образцы заказчика, адаптируем технологию, создаем аналоги зарубежных сплавов и разрабатываем новые материалы с уникальными свойствами.

Наш завод выпускает как опытные партии для испытаний, так и крупносерийную продукцию. Производственные мощности обеспечивают высокую точность обработки, а научно-исследовательский центр внедряет инновационные разработки.

‍