Российские специалисты синтезировали новый сплав для производства постоянных магнитов без использования дорогих редкоземельных металлов.
Процесс формирования природных магнитов начинается в земных недрах, где при высоких температурах и давлении кристаллизуются магнитные минералы, например магнетит. Остывая, эти кристаллы ориентируются вдоль силовых линий геомагнитного поля, фиксируя его параметры на момент образования. Так горные породы становятся естественными носителями информации о магнитном поле прошлых эпох.
В России во второй половине XVIII века на Демидовских заводах Урала производили оригинальные магниты в медных оправах. Куски магнитного железняка помещали в художественно отделанные медные коробки, торцы которых снабжали железными накладками для усиления притяжения. Конструкция включала подвижную ручку и подвешенный железный брусок с крючком, способным поднимать груз, в пять-десять раз превышающий вес магнита. Подобные изделия использовались горными инженерами, мореходами для намагничивания стрелок астролябий, учёными в экспериментах, а также… служили сувенирами для богачей. Один из таких магнитов хранится в коллекции Политехнического музея.
Стремление к созданию мощных искусственных магнитов привело к появлению в 1873 году слоистого магнита, а в 1930-х — сплава альнико (алюминий, никель, кобальт), сочетавшего хорошие магнитные свойства и доступную стоимость. В 1950-х годах распространение получили ферритовые магниты, а до 1980-х в промышленности применялись самарий-кобальтовые магниты, обладавшие высокой магнитной силой, но остававшиеся дорогими из-за редкоземельных компонентов. Решение было найдено в 1982 году, когда появился неодимовый магнит на основе сплава неодима, железа и бора.
Сегодня магниты — неотъемлемая часть современных технологий, их применяют в электронике, медицине, энергетике, производстве беспилотных летательных аппаратов и робототехнике, то есть спрос на них растёт при ограниченности сырьевой базы. Актуальной задачей остаётся поиск доступных альтернатив редкоземельным магнитам.
Специалисты Университета науки и технологий МИСИС синтезировали новый сплав на основе марганца и алюминия. Его магнитные свойства зависят от особой внутренней структуры — магнитной фазы, которая образуется при нагреве и охлаждении. Проблема в том, что эта фаза очень нестабильная: она легко разрушается при изменении температуры или неправильной обработке.
Состав и режим охлаждения позволяют точнее управлять структурой материала, как пояснил кандидат технических наук Михаил Горшенков, доцент кафедры физического материаловедения (на фото).
Исследователи добавили в сплав немного ванадия и опробовали разные способы охлаждения — от обычной закалки до сверхбыстрого охлаждения на медном диске. Выяснилось, что ванадий делает магнитную фазу менее устойчивой, но зато при сверхбыстром охлаждении она образуется сама, без лишних операций.
Лучшие результаты получены для сплава марганца, алюминия и ванадия: в литом образце после закалки и отжига доля магнитной фазы превышала 90%, а в тонких металлических лентах, полученных методом сверхбыстрого охлаждения, высокая доля фазы образовывалась без дополнительной обработки.