Мартенситные высокоуглеродистые стали

Мартенситную структуру в высокоуглеродистых сталях получают их закалкой, нагревая до температуры, при которой сталь представляет собой раствор углерода в железе (аустенит), и последующим резким охлаждением в воде или в масле. При мартенситной структуре кристаллы железа резко искажаются – вытягиваются в длину, а оставшаяся часть раствора углерода вызывает внутренние напряжения. Это обеспечивает магнитную твёрдость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных сталей.

В качестве мартенситных сталей применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали. В хромистые стали в качестве легирующего компонента вводят хром (1,3 – 3,6%), в вольфрамовые стали – вольфрам (5,2 – 6,5%) и хром (0,3 – 0,5%), в кобальтовые стали – кобальт (5 – 17%), молибден (1,2 – 1,7%) и хром (8 – 10%). Такие стали содержат (0,9 – 1,1%) углерода, остальное – железо.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению.

Основные магнитные характеристики стальных магнитов: хромистых – остаточная магнитная индукция 0,95 Тесла, коэрцитивная сила 4800 А/метр; вольфрамовых – остаточная магнитная индукция 1,0 Тесла, коэрцитивная сила 4800 А/метр; кобальтовых – остаточная магнитная индукция 0,8 – 0,9 Тесла, коэрцитивная сила 11000 – 13000 А/метр.

Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых сталей и вольфрамовых.

Все стали находят ограниченное применение ввиду сравнительно невысокого уровня их магнитных характеристик.

2.Железоникельалюминиевые сплавы.

Сплавы этого состава, легированные кобальтом, титаном или ниобием, подвергнутые особой термической обработке, обладают высокими магнитными характеристиками: остаточная магнитная индукция 0,5 – 1,4 Тесла, коэрцитивная сила 40000 – 150000 А/метр. Эти сплавы имеют марки: ЮНД4, ЮНД8, ЮНДК15, ЮН13ДК24С, ЮНДК34Т5, ЮНДК35Т5 и др. буквами обозначают компоненты, входящие в состав сплавов на основе железа: Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий. Постоянные магниты из этих нековких сплавов можно получать только литьём с последующей обработкой шлифованием.

Высокая магнитная твёрдость магнитов из этих сплавов достигается специальной термообработкой, заключающейся в следующем. Вначале магниты нагревают до 900 – 1200 градусов с последующим охлаждением на воздухе или в воде. При этом все составные части сплава (алюминий, никель и др.) будут растворены в железе и образуют пересыщенный раствор. С течением времени растворённые в железе компоненты сплава начинают выпадать в виде мелкодисперсных частиц, которые вызывают внутренние напряжения в кристаллах железа. Это обеспечивает материалу высокую магнитную твёрдость. Чтобы ускорить этот процесс, закалённые магниты отпускают, т.е. нагревают до температуры 500 – 650 градусов, при которой начинают выпадать растворённые в железе компоненты. При этом соблюдают критическую скорость охлаждения: 15 – 20 градусов в секунду. Таким образом, процесс тепловой обработки магнитов из этих сплавов, называемый дисперсионным твердением, состоит из двух этапов: закалки и отпуска.

Магнитные характеристики сплавов с содержанием кобальта от 17% и выше можно повысить термомагнитной обработкой отлитых магнитов. Для этого их нагревают до 1300 градусов и охлаждают в сильном магнитном поле со скоростью 10 – 15 градусов в секунду. Вследствие ориентации магнитных доменов в направлении действия внешнего магнитного поля, охлаждённые магниты приобретают магнитную текстуру. В результате этого магнитная энергия возрастает в среднем на 60 – 80% за счёт резкого увеличения остаточной магнитной индукции. После закалки магнитов во внешнем магнитном поле их отпускают, т.е. повторно нагревают до 600 градусов и охлаждают с оптимальной скоростью.

Такие магниты значительно более стойки к старению, чем мартенситные стали. Недостатком этих сплавов является то, что они не поддаются обычным методам механической обработки вследствие большой твёрдости и хрупкости, поэтому магниты из них можно обрабатывать только шлифованием.

3.Нековкие металлокерамические материалы.

При массовом производстве магниты очень малых размеров или сложной формы стараются изготовлять из металлокерамических материалов. Эти материалы получают из металлических порошков, которые берут в соотношениях, обеспечивающих магнитную твёрдость магнитам после их прессования и последующего спекания при высоких температурах. Металлокерамические магниты изготовляют на основе порошков из металлов железо – никель – алюминий и железо – никель – алюминий – кобальт. Чистые металлы или их сплавы измельчают до частиц размером 10 – 75 мкм, а затем из порошкообразной массы при давлении 1 – 2 МПа прессуют магниты, которые спекают в защитной атмосфере или вакууме при 1100 – 1300 градусах. Спечённые магниты закаливают, а затем отпускают, охлаждая с заданной скоростью. Магниты, в состав которых входит кобальт, подвергают термомагнитной обработке под действием внешнего магнитного поля, что заметно улучшает их магнитные характеристики (остаточную магнитную индукцию и коэрцитивную силу).

В готовом виде металлокерамические магниты имеют небольшую пористость (2 – 5%), которая несколько снижает их магнитные характеристики. Достоинствами металлокерамических магнитов являются шероховатость поверхности, не требующая дополнительной обработки, и точность заданных размеров. Магниты из металлокерамических материалов обрабатываются только шлифованием.

УРОК № 44.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 22.

ТЕМА. ИЗУЧЕНИЕ МАРОК, СОСТАВОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МАРТЕНСИТНЫХ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ.

Смотри урок № 43, вопрос № 1. ДЗ (1), с. 170.

УРОК № 45.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 23.

ТЕМА. ИЗУЧЕНИЕ МАРОК, СОСТАВОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЬАЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

Смотри урок № 43, вопрос № 2 и № 3. ДЗ (1), с.170 – 172.

УРОК № 46.

ТЕМА. ИТОГОВОЕ, ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ ЗАНЯТИЕ.

1.КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА (итоговое тестирование).

2.ОЦЕНКА КОНСПЕКТОВ (рабочих тетрадей).

3.ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЙ ЗАЧЁТ (окончательная оценка знаний по предмету).