Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
Сплавы, имеющие точно определенный состав и специальные физические или физико-механические свойства, называют прецизионными. При их изготовлении требуется строго соблюдать режимы выплавки и обработки. При отклонении от строго регламентированных режимов недостижимы высокие параметры, характерные для того или иного сплава.
К прецизионным относят сплавы со специальными электрическими, тепловыми, магнитными, упругими и другими свойствами.
Большинство прецизионных сплавов создано на основе Fe, Ni и Со, либо на основе их сочетания (например, Fe - Со, Fe - Ni, Ni - Со). Для усиления соответствующих физических свойств сплавы легируют элементами: Мо, Сr, Мn, Сu, Zr, Ti, Nb, Ве и другими.
Эти сплавы, как правило, безуглеродистые (содержание углерода в них 0,005…0,05 %). Содержание других примесей также должно быть возможно более низким. Очень важно для получения требуемых свойств прецизионных сплавов обеспечить строгое соблюдение режимов промежуточных и окончательных обработок на всех этапах их изготовления.
|
|
В материаловедении по магнитным свойствам материалы разделяют на магнитно-мягкие, магнитно-твердые и немагнитные материалы.
Прежде чем рассматривать эти группы материалов, напомним, как происходит процесс намагничивания материалов при приложении внешнего магнитного поля.
Известно, что даже в монокристаллах, а тем более в поликристаллических материалах весь объем тела разделен на области - домены, разделенные узкими границами, носящими название стенок доменов. Размеры доменов различны для разных веществ, и даже в одном материале они зависят от структуры и свойств определенного образца. Как правило, размеры доменов составляют 10-3…10-2 см, а толщина стенок между доменами - порядка 10…100 нм. Каждый из доменов ориентирован в присущем ему направлении легкого намагничивания (рис. 19).
При беспорядочном расположении энергия стенок доменов, вклады магнитокристаллической и магнитострикционной энергий - минимальны и материал - немагнитен. Приложение магнитного поля, прежде всего, приводит к росту доменов за счет присоединения соседних доменов близкой ориентации, а затем их рост происходит путем обращения полей доменов, ориентированных близко к направлениям обратным приложенному полю. Кроме этого процесса, происходит другой процесс - вращение доменов, приводящий к изменению направления их спонтанной намагниченности, т. е. к ориентированию их в направлении приложенного поля.
Процессом технического намагничивания называется создание в ферромагнетиках результирующей намагниченности - М, равной суммарному магнитному моменту атомов в единице объема. При этом в отличие от парамагнетиков, для которых характерна линейная связь между приложенным внешним полем и намагниченностью, для ферромагнетиков при приложении поля намагниченность изменяется нелинейно, достигает насыщения, а затем, если изменить направление намагничивающего поля, кривая пойдет выше, чем первоначальная, и при поле равном нулю будет существовать остаточная намагниченность.
|
|
Рис. 19. Ориентация магнитных моментов в ферромагнетиках
в отсутствие внешнего магнитного поля:
а – монокристалл; б – поликристалл
При неоднократном изменении направления намагничивающего поля постепенно формируется замкнутая кривая (петля гистерезиса). Максимальная магнитная индукция называется индукцией насыщения. Величина магнитной индукции ± В, сохраняющаяся после снятия приложенного магнитного поля, называется остаточной магнитной индукцией.
Существование явления остаточной магнитной индукции привело к созданию постоянных магнитов. Напряженность магнитного поля Н (А/м), при которой магнитная индукция сводится к нулю, называют коэрцитивной силой Нс (задерживающей напряженностью). Магнитной энергией или энергией перемагничивания называется произведение В.Нс.
Рис. 20. Петли магнитного гистерезиса для магнитно-мягких материалов (а) и магнитно-твердых материалов (б). Обратите внимание на масштаб по оси абцисс
Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Для этих материалов характерна малая работа перемагничивания (рис. 20).
Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой Н и малой начальной проницаемостью. Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой.
Магнитно-мягкие материалы используют в трансформаторах, генераторах, переключателях и других устройствах. К числу этих материалов относятся чистое железо, трансформаторная и динамная стали (сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Fe - Si - Al).
В приборостроении и слаботочной промышленности также применяют магнитомягкие материалы - пермалои (Fe + 78,5 % Ni) и супермалои (Fe-5 % Мо-79 % Ni). Как правило, это однофазные материалы.
Для уменьшения потерь энергии необходимо использовать материалы с узкой петлей гистерезиса. При малой площади петли гистерезиса соотношение между В и Нс практически линейно. Коэффициент пропорциональности этого соотношения m - магнитная проницаемость. Для обычного железа проницаемость равна нескольким тысячам, а для сплава супермалой - порядка миллиона.
Для изготовления трансформаторов и электромоторов необходимы такие магнитно-мягкие материалы, в которых намагниченность заметно меняется даже при приложении небольших магнитных полей. Для этого стенки магнитных доменов должны легко двигаться, что достигается в материалах с небольшим количеством дефектов (включений второй фазы, дислокаций).
Высокие свойства пермаллоев обусловлены физическими свойствами компонентов, входящих в них. Направление легкого намагничивания в никеле - <111>, а в железе - <100>. При смешивании их в определенной пропорции получается, что в сплаве эти два направления становятся эквивалентными, т. е. в сплаве не будет предпочтительного направления легкого намагничивания и для намагничивания сплава будет необходима лишь небольшая энергия. Кроме того, в этих сплавах практически не проявляется магнитострикция. Поскольку наклеп повышает коэрцитивную силу и снижает магнитную проницаемость, эти сплавы обычно используют в отожженном состоянии. Крупное зерно способствует повышению магнитной проницаемости, поэтому материалы стараются рекристаллизовать на крупное зерно.
|
|
Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагниты, реле и т. п.). Недостатком чистого железа являются большие потери мощности из-за вихревых токовФуко, возникающих при перемагничивании.
Легирование железа кремнием (трансформаторная и динамная стали) значительно повышает электросопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Но кремний, при его содержании в железе выше 3 %, вызывает хрупкость.
Электротехническую сталь выпускают в виде листов холоднокатаных и горячекатаных. Для увеличения размера зерна при рекристаллизации и выжигания углерода сталь подвергают отжигу при 1100…1200 °С (в вакууме, водороде или диссоциированном аммиаке). Динамную сталь выпускают в виде листа толщиной 0,5 мм, причем отжигом добиваются изотропной структуры. Трансформаторную же сталь (толщиной 0,35 мм) выпускают обязательно в виде текстурованных листов и ленты, т. е. добиваются преимущественной одинаковой ориентировки всех зерен вдоль направления прокатки. Наиболее распространенной текстурой, которую стараются получить в трансформаторной стали, является текстура Госса - {110}<001>, потому что в направлении <100> железо легко намагничивается. В последнее время в промышленности начинают использовать стали с кубической текстурой, т. е. с такой преимущественной ориентировкой зерен, когда с плоскостью прокатки совпадает грань куба {100}, а с направлением прокатки его ребро <100>. При такой текстуре в плоскости прокатки располагаются два направления легкого намагничивания - вдоль и поперек направления прокатки. Как текстура Госса, так и кубическая текстура создаются в трансформаторных сталях путем сложных технологических переделов. Текстура Госса получается путем сочетания горячей прокатки, двух- или трехкратных холодных прокаток и окончательного высокотемпературного отжига в вакууме или защитной атмосфере. Для получения кубической текстуры используют три способа: получение ее в результате вторичной рекристаллизации, в результате многократной первичной рекристаллизации из литых заготовок с кубической аксиальной текстурой <100>. Для получения кубической текстуры необходимо применять очень чистые шихтовые материалы и плавку проводить в вакууме. Образованию кубической текстуры способствует легирование стали марганцем (0,3…0,35 %) или никелем (1…2 %). В настоящее время кубическая текстура получается как в ленте толщиной 0,10…0,20 мм, так и в ленте толщиной 0,35…0,5 мм.
|
|
Электротехнические стали принято маркировать буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра - удельным потерям на перемагничивание (1 - нормальные удельные потери, 2 - пониженные, 3 - низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, 00 - холоднокатаная малотекстурованная. Следовательно, горячекатаные сорта сталей маркируются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43. Холоднокатаные стали маркируются Э1100, Э310, Э3100 и т.д.
С увеличением содержания кремния в стали потери на перемагничивание (так называемые ваттные потери) уменьшаются. С ростом частоты тока потери увеличиваются. Для существенного их снижения следует повышать электросопротивление материалов. Поэтому при высоких частотах целесообразно использовать ферриты. Ферриты получают спеканием порошков Fe2O3 и оксидов двухвалентных металлов: ZnO, NiO, MnO и др. Омическое сопротивление ферритов высокое и составляет 106…107 Ом/см, у них сравнительно небольшая намагниченность насыщения, равная 100…2000 Гс. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость mо, которую указывают в начале марки феррита: 2000 НС, 6000 НМ и так далее (НС - означает никелькремниевый, НМ - никельмарганцевый). Применение ферритов позволило уменьшить размеры многих приборов. Их применяют также в запоминающих устройствах ЭВМ. Ферриты производят с очень высоким электросопротивлением (108…109 Ом/см). Их недостатком является высокая твердость и хрупкость, низкая точка Кюри (ниже 200 0C) и низкая индукция насыщения.
Пермаллои широко используют в слаботочной промышленности (радио, телеграф, телефон). Широко применяют также альсиферы (5,4 % Аl, 9,6 % Si, 85 % Fe), преимущество которых перед пермаллоями - их недефицитность.
Для создания постоянных магнитов используют материалы с широкой петлей гистерезиса (рис. 20, б), чтобы при снятии внешнего намагничивающего поля намагниченность осталась большой (магнитно-твердые материалы). Энергия постоянных магнитов (В.Hс) будет тем больше, чем выше значения обоих сомножителей. Поскольку значения В ограничены магнитным насыщением ферромагнитных материалов (Fe, Ni, Со), то для увеличения энергии увеличивают коэрцитивную силу.
Структура, обеспечивающая такие свойства сплавов, должна быть очень неоднородной (либо это мартенсит с большим числом дислокаций, границ зерен, либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой, либо сплавы со сверхструктурой, т.е. упорядоченной структурой).
Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей, является сплав типа альнико (51 % Fe; 8 % Аl; 14 % Ni; 24 % Со; 3 % Сu). Его высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250…1300 °С и последующего старения при 600…650 °С. Структура сплава после термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и вкрапленных в нее мелких магнитных же частиц. Ферромагнитная матрица обеспечивает достаточно высокую остаточную индукцию.
Дефицит никеля и кобальта привел к необходимости создания новых сплавов, сочетающих высокую магнитную энергию и хорошие механические свойства. Так, сплав 71ГЮ (71 % Мn, Аl - остальное) используют при изготовлении многополюсных магнитов и двухполюсных, для роторов электродвигателей и других магнитов в приборостроении. Магнитный сплав системы 70ГГл (системы Мn - Gа) применяют для изготовления мелких магнитов с большим размагничивающим фактором.
В технике постоянных магнитов применяют и материалы, в которых в парамагнитную матрицу вкраплены мелкие (практически однодоменные) ферромагнитные частицы. К числу таких сталей относятся ЕХ3 (3 % Сr); ЕХ5К5 (5% Сr, 5% Со); ЕХ9К15М (9% Cr, 15% Со, 1 % Мо). Эти стали легко обрабатываются резанием и деформируются, но пока применяются лишь для не очень ответственных магнитов.
В радиоаппаратуре и электромашиностроении иногда требуются магнитодиэлектрики, которые отличаются высоким постоянством магнитной проницаемости. Магнитодиэлектрики получаются обычно методами порошковой металлургии из карбонильного железа и альсифера с изолирующими материалами. Иногда в электромашиностроении требуются немагнитные материалы с низкой электропроводностью и высокими механическими свойствами. Для этих целей используют аустенитные стали и чугуны. К числу таких сталей относятся Н12ХГ, 45Г13Ю3, Х18Н9 и др. Применение аустенитных сталей ограничено плохой обрабатываемостью.