Реферат: Металлы и сплавы в химии и технике.
При соответствующей технологической обработке (прессование мелких частиц в магнитном поле и последующее спекание), обеспечивающей возникновение однодоменных частиц, появляются огромные коэрцитивные силы. Кроме того, они обладают высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах и, как следствие этого, высокой остаточной индукцией BR. Все это позволяет создавать из таких материалов постоянные магниты с очень большой максимальной магнитной энергией до 32 млн. Гс-Э, что в несколько раз больше, чем соответствующие энергии для лучших сплавов на основе элементов группы железа.
Подобные материалы открывают большие возможности в создании миниатюрных автономных источников постоянного магнитного поля. Соединения типа SmCo5 сейчас занимают ведущее место среди материалов, из которых изготовляются весьма сильные и компактные магниты для различных устройств в электротехнике, радиотехнике и автоматике (например, для создания миниатюрных электромоторов, магнитных элементов вакуумных приборов — ламп с бегущей волной, магнетронов, магнито - фокусирующих систем, для медицинских приборов и др.).
Дальнейшее улучшение материалов для постоянных магнитов на основе редкоземельных соединений требует лучшего понимания физики намагничивания ферромагнитных систем RCо5, а также изучения магнитных свойств новых соединений, например,Sm2Co17 и различных смешанных систем. Важным также является изучение влияния кристаллической структуры и дефектов структуры на магнитные свойства подобных материалов, а также отработка технологических приемов получения качественных магнитов из этих соединений.
МАТЕРИАЛЫ С ГИГАНТСКОЙ МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ
Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металлов при низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2—3 порядка большие, чем магнитострикции в металлах, сплавах и ферритах элементов группы железа. Интерметаллические соединения ТЬFе2 и DуFe2 также обладают огромными магнитострикциями, преимуществом этих соединений является то, что они имеют огромные магнитострикции при комнатных температурах. Техническое использование подобных материалов возможно для получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов, позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различными контактными и сканирующими устройствами, для вибробурения, для геофизического карротажа скважин, дефектоскопии.
Для успешного применения редкоземельных магнитострикционных материалов необходимо, прежде всего, принимать меры к снижению вредного влияния огромной магнитной анизотропии, т. е. уменьшать поле НS для того, чтобы можно было “управлять” этой магнитострикцией с помощью малого поля.
В настоящее время большой интерес к редкоземельным магнитострикционным материалам проявляют ученые-гидроакустики.В современной гидроакустике в основном применяются пьезокерамические преобразователи звука. Недостатком последних является малая мощность излучения и небольшая механическая прочность. Исследования показывают, что магнитострикционные излучатели, в которых используются соединения типа RFe2, могут быть более эффективными, чем пьезокерамические излучатели. Эффективность работы магнитострикционного преобразователя характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются: константа динамической магнитострикции Л и коэффициент полезного действия преобразователя или, как его еще называют, коэффициент электромеханической связи k.
НОВЫЕ МАГНИТЫ ИЗ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ С КОБАЛЬТОМ
Основой первых спеченных постоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом (R—Со) было соединение SmСо5, и сегодня большинство R— Со магнитов все еще получают из спеченного порошка соединения SmСо5. Популярность SmСо5объясняется тем, что из него довольно легко можно изготовить магниты с прекрасными магнитными свойствами.Тем не менее становится все более очевидным, что в конкретном случае применения не 'все свойства в равной степени важны, так что потенциальные возможности магнитов из SmСо5не всегда полностью используются. Вследствие этого стало желательным расширить разнообразие R— Со магнитов путем разработки новых типов со свойствами, ориентированными на конкретное применение.В данной статье мы представляем три новых типа R—Со магнитов: СеММ0,8Sm0,2Co5, типа 2 :17 и магниты с пластичными связками.
Магниты из СеММ 0,8 Sm 0,2 Co 5
Сегодня большинство постоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом изготовляют на основе SmСо5. Для уменьшения стоимости сырьевых материалов Sm может быть частично или целиком замещен более дешевым цериевым мишметаллом (СеММ), представляющим собой природную смесь легких редкоземельных элементов, содержащую, %(ат.): 45— 60 Се, 23—25 Lа, 9-20 Nd и 3—7 Рг .
Замещение самария СеММ ведет к уменьшению как магнитной энергии, так и коэрцитивной силы. Но магниты СеММСо5, не содержащие самарий, все еще обладают хорошими свойствами. Снижение магнитных свойств, вызванное замещением самария СеММ, до некоторой степени отражает сопутствующее понижение первичных магнитных свойств.
Магниты СеММ0,8Sm0,2Co5изготавливают по той же технологии, что и магниты SmСо5.
Технологические этапы процесса производства магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом .
Сплавы редкоземельных металлов с кобальтом получают или плавкой металлов в атмосфере инертного газа, или кальциетермическим восстановлением окислов РЗМ в присутствии кобальта или окиси кобальта.
Затем cплавы R— Со подвергают размолу в порошок с частицами размером менее 0,5мм, смешиванию с целью корректировки состава и дальнейшему измельчению в струе газообразного азота до получения тонкого порошка с размером частиц в несколько микрон. Размер зерен и их распределение тщательно контролируют. кроме того окисление порошка следует сводить до минимума. На следующем этапе порошок ориентируют в магнитном поле и прессуют до получения полуфабрикатов с плотностью приблизительно 70% от теоретической. Можно применять гидростатическое прессование или прессование через матрицу. При прессовании через матрицу получают магниты желаемой формы и размеров, совсем или почти не требующие дополнительной механической обработки. Заготовки магнитов затем опекают в атмосфере инертного газа для достижения высокой плотности (свыше 92% от теоретической). Процесс спекания -наиболее ответственный технологический этап, где требуется точный контроль температуры, чтобы обеспечить отсутствие открытой пористости и сохранение высокой коэрцитивной силы. Вслед за процессом спекания с целью дальнейшего увеличения коэрцитивной силы проводят термическую обработку. Затем магниты подвергают механической обработке для получения изделий заданных размеров. Поскольку магниты из редкоземельных металлов с кобальтом довольно хрупки, то следует применять шлифование, резку алмазными кругами, сверление ультразвуком, электроискровую обработку. Используя эти ды, легко достичь допусков порядка 10 мкм. Затем магниты намагничивают в сильном магнитном поле.
Для достижения максимальной долговременной стабильности магниты подвергают температурной стабилизации.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ
Это свойство металлов открыто сравнительно недавно и оно получило название “память формы”.Примером этого может служить лезвие, если его согнуть, то оно сразу же разогнется, значит метал помнит исходную форму, находясь под любым напряжением, не превышающем предела упругости. Такая память металла имеет два важных недостатка.
Во-первых, ее “объем” мал: она хорошо работает только при небольших отклонениях от исходной формы, когда деформации измеряются долями процента, однако при деформации около 10% поведение металла уже характеризуется практически полной забывчивостью.
Значение даже такой “куцей” памяти металлов очень велико. Достаточно сказать, что не будь ее, не работала бы ни одна пружина. Кроме того, есть способ увеличения памяти путем использования сплавов, обладающих сверхупругостью.
Гораздо интереснее иметь дело с металлом, обладающим полноценной памятью, когда фазы хранения и извлечения независимы и когда хранение не связанно с участием посторонних сил.
Здесь мы можем сказать прямо, что удалось получить сплавы обладающие именно такой памятью. Они могут хранить исходную форму в своей памяти очень долго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти” металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.
Сотрудники лаборатории военно-морской артиллерии США, вели планомерный поиск сплавов никеля с титаном с приблизительно равным содержанием этих двух компонентов. Каждый из двух металлов хорошо сопротивляется коррозии, и сплав получится в этом отношении отличным. Кроме того, оказалось, что он имеет высокую прочность и пластичность. Но вовсе неожиданным и замечательным было то, что он проявлял ярко выраженную способность к запоминанию формы. Это было редчайшей удачей. Никель и титан значительно дешевле и доступней, чем, например, сплав Оландера, в котором около половины - золото. Сочетание же свойств нового сплава было удивительно благоприятным и этот сплав был назван нитинол.
КОСМИЧЕСКИЕ И ЗЕМНЫЕ ПРОФЕССИИ ЗАПОМИЕАЮЩИХ СПЛАВОВ
Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь перед конструкторами – широкое поле деятельности, усеянное принципиально новыми инженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космического корабля антенны, механизмы стабилизации, солнечные батареи распрямляются или выдвигаются от действия солнечного тепла.
Созданы соединения способами, заменяющими сварку, пайку и другие трансформационные методы. Для соединения двух трубок в топлевном двигателе самолета, берут втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутренний диаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединительных трубок. В жидком азоте деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметр становится на 4% больше наружного диаметра трубок. Теперь концы трубок мы можем ввести внутрь втулки, которая, отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок, обеспечивая прочное и герметичное соединение.
В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений. Они показали высокую надежность и работают безотказно. Это значительно проще, чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения в труднодоступных местах, когда сварка или пайка вообще невозможны, - например, на дне моря.
Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяют при операциях, связанных со сращиванием костных переломов. В организм больного оперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильную форму кости. Стержень помнит заранее заданную ему форму правильной кости и начинает вспоминать ее при небольшом превышении температуры.