Какова твёрдость и хрупкость ферритовых магнитов? На что следует обратить внимание при их обработке?

Ферритовые магниты — широко используемый тип постоянных магнитов с уникальными физическими свойствами. В данной статье рассматриваются характеристики твёрдости и хрупкости ферритовых магнитов, а также ключевые факторы, которые необходимо учитывать при их обработке. Понимая эти свойства, производители могут оптимизировать методы обработки для производства высококачественных ферритовых магнитов для различных применений.

1. Введение

Ферритовые магниты, также известные как керамические магниты, состоят из оксида железа (Fe₂O₃) в сочетании с одним или несколькими оксидами других металлов, такими как стронций (Sr) или барий (Ba). Они стали важной частью семейства магнитных материалов с момента их коммерциализации в середине XX века. Благодаря относительно низкой стоимости, хорошей коррозионной стойкости и стабильным магнитным свойствам ферритовые магниты широко используются в двигателях, динамиках, магнитных сепараторах и во многих других областях. Однако их твёрдость и хрупкость создают трудности при обработке, которые требуют тщательного решения.

2. Твердость ферритовых магнитов

2.1 Определение и измерение твердости

Твёрдость — это мера сопротивления материала локальной пластической деформации, такой как вдавливание или царапание. Для ферритовых магнитов наиболее распространёнными методами измерения твёрдости являются шкала Мооса и метод Виккерса.

Шкала твёрдости Мооса — это качественная шкала, ранжирующая материалы от 1 (самый мягкий, например, тальк) до 10 (самый твёрдый, например, алмаз). Твёрдость ферритовых магнитов по шкале Мооса обычно находится в диапазоне от 5 до 6. Это означает, что они относительно твёрдые по сравнению с некоторыми распространёнными материалами, такими как медь (твёрдость по шкале Мооса 3), но значительно мягче, чем такие материалы, как кварц (твёрдость по шкале Мооса 7).

Испытание на твёрдость по Виккерсу — более количественный метод. Он заключается в вдавливании алмазного индентора в форме пирамиды с квадратным основанием в материал под определённой нагрузкой. Затем измеряется размер отпечатка и рассчитывается число твёрдости по Виккерсу (HV). Твёрдость ферритовых магнитов по Виккерсу обычно находится в диапазоне 400–600 HV, в зависимости от их состава и истории обработки.

2.2 Факторы, влияющие на твердость

• Состав : Добавление различных оксидов металлов к основе оксида железа может влиять на твёрдость ферритовых магнитов. Например, феррит стронция (SrFe₁₂O₁₉) обычно имеет несколько более высокую твёрдость, чем феррит бария (BaFe₁₂O₁₉), из-за различий в их кристаллической структуре и межатомных связях.
• Условия спекания : спекание — важнейший этап производства ферритовых магнитов. При этом порошкообразный материал нагревается до температуры ниже точки плавления, что способствует уплотнению и росту зерен. Температура, время спекания и атмосфера влияют на твёрдость. Более высокие температуры и время спекания могут привести к усилению уплотнения, что, в свою очередь, может привести к повышению твёрдости. Однако чрезмерное спекание также может вызвать аномальный рост зерен, что может отрицательно сказаться на твёрдости.
• Размер зерна : Как правило, меньший размер зерна связан с более высокой твёрдостью ферритовых магнитов. Это объясняется тем, что меньшие размеры зёрен создают больше межзёренных границ, которые служат барьерами для движения дислокаций — ключевого механизма пластической деформации.

3. Хрупкость ферритовых магнитов

3.1 Определение и характеристики хрупкости

Хрупкость — это склонность материала к разрушению без значительной пластической деформации под действием напряжения. Ферритовые магниты — очень хрупкие материалы. При приложении напряжения к ферритовому магниту он быстро достигает предела прочности на излом и разрушается, а не деформируется пластически. Эта хрупкость обусловлена ​​главным образом ионными и ковалентными связями в кристаллической структуре феррита, которые ограничивают движение атомов и дислокаций.

3.2 Факторы, влияющие на хрупкость

• Кристаллическая структура : Гексагональная кристаллическая структура феррита, распространённая в ферритах стронция и бария, обладает относительно низкой симметрией и прочными связями в определённых направлениях. Эта анизотропная связь может привести к высокой степени хрупкости, поскольку трещины могут легко распространяться вдоль определённых кристаллографических плоскостей.
• Пористость : Пористость ферритовых магнитов может значительно повышать их хрупкость. Поры служат концентраторами напряжений, и при приложении нагрузки из них могут зарождаться и распространяться трещины, что приводит к преждевременному разрушению. Поэтому снижение пористости посредством надлежащих методов спекания и обработки имеет решающее значение для повышения прочности ферритовых магнитов.
• Примеси и дефекты : Наличие примесей и дефектов в кристаллической решётке феррита также может способствовать хрупкости. Эти дефекты могут нарушить регулярную структуру связей и создать условия для зарождения и роста трещин.

4. Рекомендации по обработке с учетом твердости и хрупкости

4.1 Подготовка материала

• Выбор порошка : Качество исходного ферритового порошка имеет решающее значение для конечных свойств магнита. Порошок должен иметь узкое распределение размеров частиц для обеспечения равномерного спекания и минимизации пористости. Более мелкие размеры частиц, как правило, обеспечивают более высокую твёрдость, но при отсутствии должного контроля могут также увеличить хрупкость. Поэтому оптимальный диапазон размеров частиц необходимо выбирать в соответствии с конкретными требованиями к магниту.
• Смешивание порошка : Для получения однородной смеси необходимо точное смешивание ферритового порошка с добавками, такими как связующие и смазочные вещества. Связующие вещества помогают удерживать частицы порошка вместе во время формования, а смазочные вещества снижают трение при прессовании. Выбор и количество этих добавок следует тщательно продумать, чтобы сбалансировать обрабатываемость порошка с конечными свойствами магнита.

4.2 Формирование

• Компактирование : Прессование — это процесс приложения давления к порошковой смеси для формирования сырой прессовки желаемой формы. Из-за хрупкости ферритовых магнитов давление прессования необходимо тщательно контролировать. Избыточное давление может привести к растрескиванию или повреждению сырой прессовки, а недостаточное — к низкой плотности и ухудшению механических свойств. В зависимости от формы и размера магнита могут использоваться методы одноосного или изостатического прессования. Изостатическое прессование, как правило, обеспечивает более равномерное распределение давления и лучшие результаты для магнитов сложной формы.
• Конструкция пресс-формы : конструкция пресс-формы также важна. Пресс-форма должна быть изготовлена ​​из материала высокой прочности и износостойкости, чтобы выдерживать высокие давления прессования. Кроме того, геометрия пресс-формы должна быть оптимизирована для минимизации концентрации напряжений и обеспечения равномерного потока порошка во время прессования.

4.3 Спекание

• Контроль температуры : Как упоминалось ранее, температура спекания оказывает существенное влияние на твёрдость и хрупкость ферритовых магнитов. Для достижения желаемого уплотнения и роста зёрен температуру спекания необходимо точно контролировать в узком диапазоне. Слишком низкая температура может привести к неполному спеканию и низкой плотности, а слишком высокая — к аномальному росту зёрен и повышенной хрупкости.
• Контроль атмосферы : Атмосфера спекания также играет решающую роль. Ферритовые магниты обычно спекают в кислородсодержащей атмосфере, чтобы предотвратить восстановление оксидов железа и сохранить магнитные свойства. Однако парциальное давление кислорода необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать окисления и других нежелательных реакций, которые могут повлиять на механические свойства.
• Скорость нагрева и охлаждения : Скорость нагрева и охлаждения во время спекания следует контролировать для минимизации термических напряжений. Быстрый нагрев или охлаждение могут привести к образованию трещин в хрупких ферритовых магнитах. Для обеспечения целостности магнитов рекомендуется медленный и равномерный процесс нагрева и охлаждения.

4.4 Обработка

• Режущие инструменты : Из-за высокой твёрдости ферритовых магнитов для обработки требуются специальные режущие инструменты. Широко используются инструменты с алмазным покрытием, поскольку алмаз — один из самых твёрдых известных материалов и способен эффективно резать феррит. Однако скорость резания, подача и глубина резания должны быть тщательно оптимизированы, чтобы избежать чрезмерного износа инструмента и повреждения магнита.
• Охлаждение и смазка : Обработка ферритовых магнитов сопровождается выделением значительного количества тепла, что может привести к термическому повреждению и повышению хрупкости. Поэтому необходимо обеспечить достаточное охлаждение и смазку. Для отвода тепла и снижения трения во время обработки можно использовать охлаждающие жидкости, такие как водорастворимые масла или эмульсии.
• Шлифовка и полировка : Шлифовка и полировка часто используются для достижения желаемого качества поверхности и точности размеров ферритовых магнитов. Однако эти процессы также могут привести к появлению поверхностных дефектов и остаточных напряжений, влияющих на механические свойства. Поэтому следует выбирать правильные параметры шлифовки и полировки, а также может потребоваться последующая обработка, например, отжиг для снятия напряжений.

4.5 Контроль качества

• Неразрушающий контроль : Неразрушающие методы контроля, такие как ультразвуковой контроль и рентгеновский контроль, могут использоваться для выявления внутренних дефектов, таких как трещины и пористость, в ферритовых магнитах. Эти дефекты могут значительно снизить механическую прочность и надежность магнитов, поэтому раннее обнаружение и устранение дефектной продукции имеют решающее значение.
• Испытания механических свойств : Для оценки качества ферритовых магнитов могут быть проведены испытания механических свойств, такие как испытания на твёрдость, изгиб и ударную вязкость. Эти испытания предоставляют количественные данные о твёрдости, прочности и вязкости магнитов, которые могут быть использованы для оптимизации параметров обработки и обеспечения качества продукции.

5. Заключение

Ферритовые магниты обладают уникальными характеристиками твёрдости и хрупкости, которые определяются их составом, кристаллической структурой и историей обработки. Понимание этих свойств критически важно для оптимизации технологий обработки и производства высококачественных ферритовых магнитов. Тщательно контролируя процессы подготовки материала, формования, спекания, механической обработки и контроля качества, производители могут преодолеть проблемы, связанные с твёрдостью и хрупкостью ферритовых магнитов, и удовлетворить требования различных областей применения в двигателях, динамиках и магнитной сепарации. Дальнейшие исследования могут быть направлены на разработку новых методов обработки и материалов для дальнейшего улучшения механических свойств ферритовых магнитов при сохранении их экономической эффективности и магнитных характеристик.