Материалы с особыми магнитными свойствами

5.4.1. Магнитные стали и сплавы

По магнитным свойствам материалы делят нам ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Наибольший технический интерес представляют ферромагнетики.

В ферромагнетиках весь объем тела разделен на области – домены, разделенные узкими границами, называемыми стенками доменов. Размеры доменов составляют 0,01…0,1 мм.

Каждый домен намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рисунок 5.2), так что в отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю.

Действие внешнего поля на разных стадиях процесса намагничивания различно.

Рисунок 5.2. Схема процесса намагничивания ферромагнетика

Вначале, при слабых полях, наблюдается рост доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением внешнего поля, за счет доменов с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов путем движения стенок доменов. Всякая неоднородность структуры препятствует этому процессу.

После того, как будут поглощены все домены с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов, в более сильных магнитных полях имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. В результате этих процессов индукция магнитного поля в ферромагнетике в зависимости от величины внешнего поля меняется нелинейно, достигает насыщения и при снятии внешнего поля остается остаточная магнитная индукция (рисунок 5.3).

При неоднократном изменении направления намагничивающего поля формируется замкнутая кривая намагничивания – петля гистерезиса.

Рисунок 5.3. Петли магнитного гистерезиса: а – магнитно-мягкий материал; б – магнитно-жесткий материал

Напряженность магнитного поля, при которой магнитная индукция сводится к нулю, называется коэрцитивной силой H_с. Наклон зависимости величины магнитной индукции от напряженности магнитного поля определяет величину магнитной проницаемости материала:

,

где m₀ – магнитная постоянная.

Произведение В_ост × Н_с называется магнитной энергией или энергией перемагничивания.

Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (рисунок 5.3, а).

Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой и малой начальной магнитной проницаемостью (рисунок 5.3, б).

Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой.

К магнитно-мягким относятся такие материалы с однородной структурой, как техническое железо, электротехническая сталь(сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Fe-Si-Al), пермалой (Fe+78,5 % Ni) и супермаллой (Fe-5 % Mo-79 % Ni).

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 токов, возникающих при перемагничивании.

Легирование стали кремнием значительно повышает электрическое сопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис.

Поэтому для использования в переменных магнитных полях (трансформаторы, электродвигатели и т. п.) используют электротехническую сталь.

Электротехническую сталь 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 текстурированная, 00 – холоднокатаная малотекстурированная. Следовательно, горячекатаными электротехническими сталями являются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43, а холоднокатаными – Э1100, Э310, Э3100 и т. д.

Пермаллои и альсиферы используют в слаботочной технике (радио, телеграф, телефон).

При высоких частотах используют ферриты, обладающие очень высоким электрическим сопротивлением. Их получают спеканием порошков Fe₂O₃ и оксидов двухвалентных металлов ZnO, NiO, MnO и др. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость, например 2000 НС, 6000 НМ (НС – означает никелькремниевый, НМ - никельмарганцевый).

Для создания постоянных магнитов используют магнитно-жесткие материалы. Структура, обеспечивающая такие свойства должна быть очень неоднородной. Либо это мартенсит с большим числом дислокаций и границ зерен (стали У8-У10 либо хромистые стали типа ЕХ3, ЕХ5К5), либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой (сплавы системы Fe-Al-Ni-Co), либо сплавы с упорядоченной структурой (Co₅Sm).

Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей являются литые сплавы системы Fe-Al-Ni-Co, содержащие 7-9 % Al, 12-19 % Ni, 14-40 % Co и 3-4 % Cu (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31Т3БА, ЮНДК40Т8АА, ЮНДК35Т5БА, ЮНДК35Т5АА – в порядке возрастания магнитной энергии от 6 до 40 кДж/м³). Их высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250-1300 °С и последующего старения при 600..650 °С. Структура сплава после такой термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и ферромагнитных дисперсных частиц.

Дефицит никеля и кобальта привел к созданию таких сплавов для постоянных магнитов, как 71ГЮ (71 % Mn, Al остальное), 70ГГл (системы Mn-Ga).

5.4.2. Сплавы с особыми упругими свойствами и заданным температурным коэффициентом теплового расширения.

Прецизионные сплавы с высокими упругими свойствами используются в приборостроении для изготовления упругих чувствительных элементов. Эти сплавы подразделяют на фероромагнитные, с температурно-стабильным модулем упругости, и немагнитные, с низким модулем упругости.

К ферромагнитным сплавам на основе системы Fe-Ni принадлежат элинвары 36НХ (36 % Ni и 12 % Cr), 42НХТЮ и 44НХТЮ (41,5…45,5 % Ni,; 5,0…5,9 % Cr; 2,2…3,0 % Ti; 0,4…1,0 % Al) практически не обладающие температурной зависимостью упругих модулей.

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ подвергают термической обработке – закалке от 950 °С и отпуску-старению при 700 °С в течение 4 ч.

Термическая обработка позволяет получать значения температурного коэффициента модуля Юнга в пределах ± 1,5×10^-5 К^-1 в интервале температур 20…100 °С.

К немагнитным аустенитным сплавам с низким модулем упругости относятся 36НХТЮ и 36НХТЮМ8.

Зависимость расширения металла от температуры нагрева носит нелинейный характер.

В сплавах Fe-Ni температурный коэффициент теплового расширения имеет аномалии, связанные с магнитным превращением. Это позволило создать сплавы с заданными коэффициентами теплового расширения.

Сплав с 36 % Ni 36Н, называемый инваром, имеет минимальный температурный коэффициент теплового расширения (a = 1,5×10^-6 К^-1). Сплав с 42 % Ni имеет постоянный коэффициент теплового расширения в интервале температур от –80 до +100 °С. Инвар, легированный кобальтом и медью, 32НКД (31,5…33 % Ni, 3,2…4,2 % Co и 0,6…0,8 % Cu) имеет еще более низкий коэффициент теплового расширения (a = 1×10^-6 К^-1) и называется суперинваром. Сплав 29НК (28,5…29,5 % Ni и 17…18 % Co) предназначен для пайки и сварки с термостойким стеклом, так как имеет такой же коэффициент теплового расширения (a = 4,5…6,5×10^-6 К^-1) и называется коваром.

Сплав 47НД (46…48 % Ni и 4,5…5,5 % Cu) имеет такой же коэффициент теплового расширения, как платина и нетермостойкие стекла (a = 9…11×10^-6 К^-1) и называется платинитом.

Платинит используется для сварки и пайки с нетермостойкими стеклами в электровакуумной промышленности.

В качестве терморегуляторов в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента теплового расширения.

Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента, и сплаву с 25 % Ni, у которого коэффициент очень большой (a = 20×10^-6 К^-1).

При нагреве пластинка биметалла искривляется и замыкает или размыкает электрическую цепь.

Контрольные вопросы

1. Как называются материалы, которые легко намагничиваются при приложении электрического поля и размагничиваются при его снятии?

2. Какой материал обладает наиболее высокой магнитной способностью?

3. Как называются материалы, предназначенные для изготовления постоянных магнитов?

4. Как называются материалы для изготовления сердечников трансформаторов, электромагнитов?

5. Как называется зависимость магнитных свойств от направления испытаний в кристалле?

6. Как называется изменение линейных размеров при намагничивании ферромагнитных монокристаллов?

7. В чем заключается эффект памяти формы?

8. Как расшифровать марку сплава 36НХТЮМ8?