Каква је тврдоћа и кртост феритних магнета? На шта треба обратити пажњу током обраде?

Феритни магнети су широко коришћена врста сталног магнета са јединственим физичким својствима. Овај рад се фокусира на карактеристике тврдоће и кртости феритних магнета и истражује кључна разматрања током њихове обраде. Разумевањем ових својстава, произвођачи могу оптимизовати технике обраде како би произвели висококвалитетне феритне магнете за различите примене.

1. Увод

Феритни магнети, познати и као керамички магнети, састоје се од гвожђе оксида (Fe₂O₃) комбинованог са једним или више других металних оксида као што су стронцијум (Sr) или баријум (Ba). Они су важан део породице магнетних материјала од њихове комерцијализације средином 20. века. Због своје релативно ниске цене, добре отпорности на корозију и стабилних магнетних својстава, феритни магнети се широко користе у моторима, звучницима, магнетним сепараторима и многим другим областима. Међутим, њихове карактеристике тврдоће и кртости представљају изазове током обраде, којима је потребно пажљиво посветити пажњу.

2. Тврдоћа феритних магнета

2.1 Дефиниција и мерење тврдоће

Тврдоћа је мера отпорности материјала на локализовану пластичну деформацију, као што су удубљење или гребање. За феритне магнете, најчешће коришћене методе мерења тврдоће су Мосова скала тврдоће и Викерсов тест тврдоће.

Мосова скала тврдоће је квалитативна скала која рангира материјале од 1 (најмекши, нпр. талк) до 10 (најтврђи, нпр. дијамант). Феритни магнети обично имају Мосову тврдоћу у распону од 5 до 6. То указује да су релативно тврди у поређењу са неким уобичајеним материјалима попут бакра (Мосова тврдоћа од 3), али много мекши од материјала попут кварца (Мосова тврдоћа од 7).

Викерсов тест тврдоће је квантитативнија метода. Он подразумева утискивање дијамантског удубљења у облику пирамиде са квадратном основом у материјал под одређеним оптерећењем. Затим се мери величина удубљења и израчунава се Викерсов број тврдоће (HV). Феритни магнети обично имају Викерсову тврдоћу у опсегу од 400 до 600 HV, у зависности од њиховог специфичног састава и историје обраде.

2.2 Фактори који утичу на тврдоћу

• Састав : Додавање различитих металних оксида у базу оксида гвожђа може утицати на тврдоћу феритних магнета. На пример, стронцијум ферит (SrFe₁₂O₁₉) генерално има нешто већу тврдоћу од баријум ферита (BaFe₁₂O₁₉) због разлика у њиховим кристалним структурама и атомским везама.
• Услови синтеровања : Синтеровање је кључни корак у производњи феритних магнета, где се прашкасти материјал загрева на високу температуру испод тачке топљења како би се подстакло згушњавање и раст зрна. Температура, време и атмосфера синтеровања могу утицати на тврдоћу. Више температуре синтеровања и дуже време синтеровања могу довести до повећаног згушњавања, што може резултирати већом тврдоћом. Међутим, прекомерно синтеровање такође може изазвати абнормални раст зрна, што може негативно утицати на тврдоћу.
• Величина зрна : Генерално, мање величине зрна су повезане са већом тврдоћом код феритних магнета. То је зато што мања зрна стварају више граница зрна, које делују као баријере за кретање дислокација, кључни механизам пластичне деформације.

3. Кртост феритних магнета

3.1 Дефиниција и карактеристике кртости

Кртост је тенденција материјала да се ломи без значајне пластичне деформације када је изложен напрезању. Феритни магнети су веома крти материјали. Када се на феритни магнет примени напрезање, он ће брзо достићи своју чврстоћу на лом и сломити се уместо да се пластично деформише. Ова кртост је углавном последица јонских и ковалентних веза у кристалној структури ферита, што ограничава кретање атома и дислокација.

3.2 Фактори који утичу на кртост

• Кристална структура : Хексагонална кристална структура ферита, која је уобичајена код стронцијумових и баријумових ферита, има релативно ниску симетрију и јаке везе у одређеним правцима. Ова анизотропна веза може довести до високог степена кртости, јер се пукотине могу лако ширити дуж одређених кристалних равни.
• Порозност : Порозност код феритних магнета може значајно повећати њихову кртост. Поре делују као концентратори напона и када се примени оптерећење, пукотине могу настати и ширити се из ових пора, што доводи до превременог лома. Стога је смањење порозности правилним техникама синтеровања и обраде неопходно за побољшање жилавости феритних магнета.
• Нечистоће и дефекти : Присуство нечистоћа и дефеката у кристалној решетки ферита такође може допринети кртости. Ови несавршености могу пореметити правилан распоред веза и створити места за настанак и раст пукотина.

4. Разматрања обраде на основу тврдоће и кртости

4.1 Припрема материјала

• Избор праха : Квалитет почетног феритног праха је кључан за коначна својства магнета. Прах треба да има уску расподелу величине честица како би се осигурало равномерно синтеровање и минимизирала порозност. Мање величине честица генерално доводе до веће тврдоће, али могу повећати и кртост ако се не контролишу правилно. Стога је потребно одабрати оптималан распон величине честица на основу специфичних захтева магнета.
• Мешање праха : Прецизно мешање феритног праха са адитивима као што су везива и мазива је неопходно да би се постигла хомогена смеша. Везива помажу да се честице праха држе заједно током обликовања, док мазива смањују трење током сабијања. Избор и количина ових адитива треба пажљиво размотрити како би се уравнотежила обрадивост праха са коначним својствима магнета.

4.2 Обликовање

• Сабијање : Сабијање је процес примене притиска на прашкасту смешу како би се формирао зелени компактни материјал жељеног облика. Због кртости феритних магнета, притисак сабијања мора се пажљиво контролисати. Прекомерни притисак може изазвати пуцање или оштећење зеленог компактног материјала, док недовољан притисак може довести до ниске густине и лоших механичких својстава. Могу се користити једноосне или изостатске методе сабијања, у зависности од облика и величине магнета. Изостатско сабијање генерално пружа равномернију расподелу притиска и боље резултате за магнете сложеног облика.
• Дизајн калупа : Дизајн калупа за сабијање је такође важан. Калуп треба да буде направљен од материјала са високом чврстоћом и отпорношћу на хабање како би издржао високе притиске сабијања. Поред тога, геометрија калупа треба да буде оптимизована како би се минимизирале концентрације напрезања и обезбедио равномерни ток праха током сабијања.

4.3 Синтеровање

• Контрола температуре : Као што је раније поменуто, температура синтеровања има значајан утицај на тврдоћу и кртост феритних магнета. Температура синтеровања треба да се прецизно контролише у уском опсегу како би се постигло жељено згушњавање и раст зрна. Прениска температура може довести до непотпуног синтеровања и ниске густине, док превисока температура може изазвати абнормални раст зрна и повећану кртост.
• Контрола атмосфере : Атмосфера синтеровања такође игра кључну улогу. Феритни магнети се обично синтерују у атмосфери која садржи кисеоник како би се спречила редукција оксида гвожђа и одржала магнетна својства. Међутим, парцијални притисак кисеоника треба пажљиво контролисати како би се избегла оксидација или друге нежељене реакције које могу утицати на механичка својства.
• Брзине загревања и хлађења : Брзине загревања и хлађења током синтеровања треба контролисати како би се минимизирала термичка напрезања. Брзо загревање или хлађење може изазвати пукотине у крхким феритним магнетима. Препоручује се спор и равномеран процес загревања и хлађења како би се осигурао интегритет магнета.

4.4 Машинска обрада

• Алати за сечење : Због високе тврдоће феритних магнета, за машинску обраду су потребни посебни алати за сечење. Алати са дијамантским премазом се често користе јер је дијамант један од најтврђих познатих материјала и може ефикасно да сече феритни материјал. Међутим, брзина сечења, брзина помака и дубина реза морају бити пажљиво оптимизовани како би се избегло прекомерно хабање алата и оштећење магнета.
• Хлађење и подмазивање : Обрада феритних магнета генерише значајну количину топлоте, што може изазвати термичка оштећења и повећати кртост. Стога је адекватно хлађење и подмазивање неопходно. Расхладна средства као што су уља растворљива у води или емулзије могу се користити за одвођење топлоте и смањење трења током обраде.
• Брушење и полирање : Брушење и полирање се често користе за постизање жељене површинске завршне обраде и димензионалне тачности феритних магнета. Међутим, ови процеси такође могу увести површинске дефекте и заостале напоне, што може утицати на механичка својства. Стога треба одабрати одговарајуће параметре брушења и полирања, а могу бити неопходни и пост-обрадни третмани као што је жарење за ублажавање напона.

4.5 Контрола квалитета

• Недеструктивна испитивања : Методе недеструктивних испитивања као што су ултразвучна испитивања и рендгенска инспекција могу се користити за откривање унутрашњих дефеката као што су пукотине и порозност у феритним магнетима. Ови дефекти могу значајно смањити механичку чврстоћу и поузданост магнета, тако да је рано откривање и уклањање неисправних производа неопходно.
• Тестирање механичких својстава : Тестови механичких својстава као што су испитивање тврдоће, испитивање савијања и испитивање удара могу се извршити како би се проценио квалитет феритних магнета. Ови тестови пружају квантитативне податке о тврдоћи, чврстоћи и жилавости магнета, који се могу користити за оптимизацију параметара обраде и осигурање квалитета производа.

5. Закључак

Феритни магнети показују јединствене карактеристике тврдоће и кртости које су одређене њиховим саставом, кристалном структуром и историјом обраде. Разумевање ових својстава је кључно за оптимизацију техника обраде и производњу висококвалитетних феритних магнета. Пажљивом контролом процеса припреме материјала, обликовања, синтеровања, машинске обраде и контроле квалитета, произвођачи могу превазићи изазове повезане са тврдоћом и кртошћу феритних магнета и испунити захтеве различитих примена у индустрији мотора, звучника и магнетне сепарације. Будућа истраживања могу се фокусирати на развој нових метода обраде и материјала како би се даље побољшала механичка својства феритних магнета, уз одржавање њихове исплативости и магнетних перформанси.