Vật liệu từ cứng dùng để làm nam châm vĩnh cửu cần phải có các đặc tính từ sau:
- lực khử từ Hc lớn để cản trở từ hóa,
- tổn thất từ trễ cao tức là có đường cong từ trễ “béo” như biểu thị ở hình 5.17a, đặc tính này được đánh giá bằng tích số (Br.Hc). Để đạt được tích số (Br.Hc)max yêu cầu cả hai đại lượng Br và Hc đều có giá trị lớn nhất, nhưng trong thực tế giá trị Br bị giới hạn bởi sự b∙o hòa từ của vật liệu sắt từ (sắt), cho nên tăng tổn thất từ trễ thường chỉ nhờ bằng tăng Hc.
- các tính chất trên ổn định và không thay đổi theo thời gian. So với cảm ứng từ dư, lực khử từ Hc rất nhạy cảm với sự thay đổi của tổ chức. Lực khử từ tăng lên khi có ứng suất đàn hồi bên trong không đồng nhất, xô lệch của mạng tinh thể, trong pha cơ sở sắt từ có những phần tử không từ tính ở dạng phân tán. Các tác dụng này đồng thời cũng làm tăng độ cứng của hợp kim, do vậy có tên là từ cứng.
Tổ chức của các hợp kim từ cứng thường là dung dịch rắn với sự xô lệch mạng cao và các pha thứ hai nhỏ mịn được tạo ra khi tôi và hóa già tiếp theo ra tổ chức mactenxit. Các nguyên tố đưa vào sắt ở dạng dung dịch rắn (để làm tăng tổn thất từ trễ) là cacbon (thường là 1%), crôm (3 ữ 10%), vonfram (tới 6%), côban (tới % ữ15%).
Thường dùng các loại vật liệu từ cứng sau đây.
Thép cacbon. Thép cacbon với các số hiệu CD100 ữ CD120 (1,0 ữ1,2%C) được dùng làm nam châm vĩnh cửu kích thước bé (do độ thấm tôi thấp). Sau khi tôi để đạt tổ chức mactenxit chúng có Hc = 48000 ữ 52000A/m và Br = 0,8 ữ
0,85T/m.
Thép hợp kim. Các nguyên tố hợp kim đưa vào làm tăng độ thấm tôi của thép, lực khử từ, cảm ứng từ dư và giúp ổn định các tính chất từ theo thời gian. Các thép hợp kim từ cứng của Nga được ký hiệu bắt đầu bằng chữ E và hệ thống chữ + số biểu thị nguyên tố hợp kim và lượng chứa của chúng.
Thép từ cứng crôm EX2 và EX3 (chứa 2 và 3 %Cr) sau khi tôi ở 820 ữ
8600C, gia công lạnh ở -700C, hóa già ở 1000C trong 10 ữ 24h có các tính chất từ không khác thép cacbon bao nhiêu (Hc = 50000A/m, Br = 0,95T), song do có độ thấm tôi lớn hơn nên có thể làm nam châm với kích thước lớn hơn. Thép từ cứng vonfram với mác EB6 (0,68 ữ 0,78%C và 5,2 ữ 6,2%W, 0,3 ữ 0,5%Cr) cũng có các tính chất từ như EX2 và EX3.
Cho côban vào thép có chứa crôm làm cho lực khử từ tăng lên rất nhanh, Hc = 90000 ữ 150000A/m trong khi đó cảm ứng từ dư không cao, Br = 0,8 ữ
0,85T. Thường dùng hai mác với 5 và 15%Co: EX5K5 và EX9K15M2, do vậy khá đắt. Để đạt được Hc cao như vậy, các mác này phải được nhiệt luyện theo quy trình phức tạp. Thoạt tiên thép được tôi trong không khí ở nhiệt độ cao (1200 ữ12200C) để hòa tan hết cacbit, ram ở 7000C sau đó tôi thường ở 1030 ữ 10500C đối với EX9K15M2 và 9500C đối với EX5K5 bằng cách làm nguội trong dầu.
Trong kỹ thuật các hợp kim từ cứng hệ Fe - Ni - Al không chứa cacbon
(nên không phải là thép) có giá trị công nghiệp lớn hơn cả, chiếm tới hơn 80% số lượng nam châm vĩnh cửu. Loại hợp kim này có 15 ữ 35%Ni và 8 ữ 15%Al. Để nâng cao lực khử từ hợp kim còn được đưa thêm vào 15 ữ 25%Co, 4 ữ 8%Cu và khoảng 5%Ti. Bảng 5.12 trình bày thành phần hóa học và các tính chất từ của một số mác hợp kim từ cứng Fe - Ni - Al của Nga.
Bảng 5.12. Thành phần hóa học (%) và các tính chất từ của một số hợp kim từ cứng đúc Fe - Ni - Al (ΓOCT 17809-73) Mác hợp kim Ni Al Co Cu ng.tố khác Hc, A/m Br, T ЮHД4 24-25 13-14 - 3-4 0,2-0,3Ti, 0,1-0,2Si 500000 0,5 ЮHДK15 18-19 8,5-9,5 14-15 3-4 0,2-0,3Ti 600000 0,75 ЮH14ДK24 13,5-14,5 7,5-8,5 23,5-24,5 2,5-3,5 - 600000 1,25 ЮH14ДK25A 13,5-14,5 8-8,5 24-26 3,5-4 ≥0,03Ti 650000 1,33 ЮH14ДK25БA 13,5-14,5 8-8,5 24-26 3,5-4 ≥0,03Ti, 0,8-1Nb 720000 1.3 ЮHДK35T5БA 14-14,5 6,8-7,2 34,5-35,5 3,3-3,7 4,7-5,5Ti, 0,05-0,1Ce 1900000 0,75
Hợp kim từ cứng đơn giản Fe - Ni - Al có tên là alni (aluminum và niken) với các mác ЮHД4, ЮHД8, ЮHД12 có giá trị Hc cao tới 500000A/m nên cho phép chế tạo những nam châm vĩnh cửu mạnh với kích thước nhỏ.
Cho thêm côban vào alni tạo nên hợp kim mới có tên là alnicô (aluminum,
niken và côban) làm cho lực khử từ và đặc biệt là cảm ứng từ dư còn tăng lên cao nữa, Hc = 600000A/m, Br > 1T. Nếu hợp kim có thêm Nb (1%) và Ti (4,5%) Hc còn tăng lên cao nữa.
Khác với các thép từ cứng được dùng ở trạng thái biến dạng (rèn), các hợp kim từ cứng Fe Ni Al được dùng ở trạng thái đúc do chúng giòn (sau khi đúc chỉ được phép gia công bằng mài).
Nhiệt luyện để nâng cao các đặc tính từ của alni và alnicô khá đặc biệt. Lực khử từ lớn nhất của chúng đạt được sau khi tôi ở nhiệt độ cao (> 10000C) với tốc độ nguội thích hợp (10 ữ 200C/s). Tốc độ nguội nhanh hoặc chậm quá đều không được, bởi vì như đ∙ biết Hc cao liên quan đến quá trình phân hóa của dung dịch rắn một pha. Các alnicô với lượng chứa côban dưới 35% đạt được các tính chất từ cao nhất sau khi nhiệt luyện trong từ trường. Đó là các quá trình nung nóng các nam châm tới nhiệt độ cao (13000C) rồi làm nguội với tốc độ thích hợp trong từ trường mạnh với cường độ 2000000 ữ 3000000A/m. Khi làm nguội có quá trình tiết ra các pha sắt từ phân tán với định hướng (năng lượng từ dọc theo phương tác dụng của từ trường sẽ cao hơn 4 ữ 7 lần so với phương vuông góc, do vậy nam châm phải có hình dạng nhất định để lợi dụng đặc tính có hướng về từ tính này của vật liệu). Hợp kim sẽ còn có các đặc tính từ cao hơn nữa nếu trước khi từ - nhiệt luyện nó được kết tinh dẫn hướng có textua tinh thể.
Hiện nay cũng đ∙ dùng nhóm hợp kim từ cứng biến dạng, đó là các hợp
kim trên cơ sở các hệ Fe - Co - Mo (cômôl), Cu - Ni - Co (cunicô), Fe - V - Co (vicallôi), chúng được cán thành các tấm, băng, lá, dây, đôi khi với chiều dày chỉ
vài micrômet. Đáng chú ý là vicallôi với khoảng 52%Co, 13%V với các mác