Магнітні матеріали

3.2.1. Магнітом ` які матеріали.

1. Електротехнічна сталь.

2. Пермалой.

3. Альсифер

4. Магнітні сплави з особливими властивостями.

5. Магнітодіелектрики.

6. Магнітом`які ферити.

1.Масовим магнітом`яким матеріалом, що має надто широку область застосування, є спеціальна електротехнічна сталь, легована кремнієм. Вона використовується для роботи в порівняно сильних змінних магнітних полях; в силових трансформаторах всіх типів, електричних машинах, дроселях, в різних електромагнітних реле, приладах. Випускається електротехнічна сталь, легована кремнієм, в листах і рулонах. Кремній, що вводиться в сталь в кількості 0,8-4,8%, утворює із залізом твердий розчин і різко підвищує питомий електричний опір, що у свою чергу знижує втрати на вихрові струми. Наявність кремнію позначається сприятливо і на інші магнітні властивості: знижуються втрати на гістерезис, збільшується магнітна проникність в слабких і середніх полях. Кремній є корисною присадкою з чисто технологічної точки зору: він добрий розкислювач, покращує структуру, зв'язує частину розчинених газів і переводячи кисень в міцні, не відновлювані вуглецем, оксиди, що сприятливо позначається на магнітом`яких властивостях. Добавки кремнію сприяють переведенню вуглецю з більш шкідливої форми цементиту в менше шкідливу форму графіту.

Застосування листової електротехнічної сталі зниженої товщини позначається сприятливо на зниження втрат на вихрові струми. Сталі нижче 0,1 мм дуже коштовні і нестандартизовані; їх застосування виправдовується лише при підвищеній частоті, тим більше що при малих товщинах практично доводитися мати справу із збільшенням втрат на гістерезис.

У крем'янистої електротехнічної сталі різних марок магнітна проникність може мінятися в досить широких межах. Особливо у дуже якісних сталей початкова відносна проникність досягає значень 6000-8000, максимальна доходить до 200000.

У зв'язку з погіршенням магнітних властивостей листової сталі від механічної обробки (різка, штампування) готові деталі рекомендується для зняття наклепу піддавати відпалу із захистом від окислення. Окалина, що утворюється при відпалі травлених після прокатки листів, має порівняно великий питомий опір, достатній для локалізації вихрових струмів в межах одного листа.

Тривале теплове старіння листової електротехнічної сталі викликає деяке збільшення втрат, тому звичайно проводитися перевірка на старіння для різних марок при температурах 120 –150 ⁰С протягом 170 ч.

2.Класичним сплавом з великою магнітною проникністю в слабких полях є залізонікелевий сплав – пермалой. За вмістом нікелю пермалой можна поділити на дві групи: високонікелевий і низьконікелевий (з високим і порівняно низьким вмістом нікелю). Високонікелевий пермалой випускають в легованому вигляді з добавками молібдену, молібдену з міддю або молібдену з хромом, із вмістом нікелю до 80%. Низьконікелевий пермалой, що містить нікелю 45-50%, випускається нелегованим, а з дещо меншим вмістом нікелю – легованим, з добавками марганцю, кремнію, хрому.

Легований високонікелевий пермалой володіє високими значеннями початкової і максимальної відносної магнітної проникності і великим питомим опором, що гарантує знижені втрати при високих частотах. Цей пермалой широко використовують для виготовлення магнітних підсилювачів, трансформаторів зв'язку і автоматики, трансформаторів струму промислової і звукової частот; в стрічці завтовшки декілька мікрометрів легований високонікелевий пермалой може бути використаний у ряді випадків при високих частотах аж до радіочастот. Знаходить він застосування і при постійному струмі. Весь пермалой випускається у вигляді холоднокатаних стрічок, деякі марки також у вигляді гарячекатаних листів і прутків.

Низьконікелевий легований пермалой (50НХС), що містить 38-50% нікелю (з добавками марганцю, кремнію, хрому), має менше значення відносної магнітної проникності, ніж легований високонікелевий, але його питомий опір перевищує у більшості марок високонікелевого легованого пермалою. Низьконікелевий легований пермалой застосовується для виготовлення сердечників трансформаторів, котушок індуктивності, магнітопроводів приладів і різних апаратів, головним чином в телефонії і радіотехніці. Низьконікелевий пермалой марок 45Н і 50Н володіє високою індукцією насичення в порівнянні з іншими видами пермалою. Його застосовують як матеріал сердечників трансформаторів, дроселів, деталей реле, що працюють з підмагнічуванням, полюсних наконечників, магнітних екранів при слабких постійних магнітних полях.

Позитивні результати показали роботи із застосуванням деталей з пермалою, отриманих металокерамічною технологією. При застосуванні залізонікелевих сплавів слід мати на увазі, що вони надто чутливі до механічної обробки і ударів і тому готові деталі повинні піддаватися відпалу для зняття наклепу. Якщо після відпалу вироби піддаються навіть слабким механічним діям (вигини, легкі удари, зачистка абразивною шкурою), то це викликає помітне зниження магнітної проникності. Тому відпалу треба піддавати остаточно виготовлені деталі; відпал звичайно ведуть при 1000 – 1200⁰С в середовищі, що захищає матеріал від окислення.

3. До числа сплавів з великою початковою магнітною проникністю відноситься сплав заліза, алюмінію і кремнію під назвою альсифер. В цьому потрійному сплаві дуже різка залежність магнітної проникності від процентного співвідношення компонентів, що приводить до великих коливань характеристик від партії до партії. При оптимальному складі початкова магнітна проникність доходить до 35000, а максимальна – до 117000 при коерцитивній силі 1,76 А/м і питомому опорі 0,81 10^{- 6}Ом м.

Альсифер дуже твердий і крихкий сплав, він не піддається ні куванню, ні прокатці. Деталі з нього одержують тільки методом литва при товщині не менше декілька міліметрів. Деталі обробці різанням не піддаються. Можлива тільки підгонка деяких розмірів шліфуванням. Область застосування альсифера: магнітні екрани, корпуси приладів, машин, апаратів, деталі магнітопроводів для роботи при постійному та повільно змінному магнітному полі. Альсифер легко подрібнюється в тонкий порошок, що дозволяє широко його використовувати у виробництві магнітодіелектриків для високочастотних сердечників.

4. У ряді випадків потрібен такий магнітний матеріал, у якого магнітна проникність не залежить від напруженості магнітного поля. Зокрема цей матеріал застосовують в деяких дроселях, трансформаторах струму з постійною похибкою, в апаратурі телефонної телекомунікації, високочастотного багатоканального електрозв'язку, деяких вимірювальних приладах і ін. До таких матеріалів відноситься пермінвар – потрійний сплав заліза, нікелю і кобальту, але застосування пермінвару обмежується технологічними труднощами і високою вартістю. До числа сплавів, що відрізняються відомою постійністю магнітної проникності в слабких магнітних полях, відноситься сплав ізоперм, що складається із заліза, нікелю і міді з добавками алюмінію. Застосовується він у виробництві високоякісної телефонної апаратури, наприклад для виготовлення сердечників деяких котушок.

Для різних сердечників, полюсів магнітопроводів, створюючих в повітряних зазорах достатньо сильне магнітне поле (наприклад, електромагніти, магнітоелектричні вимірювальні прилади, мікрофони і пр), необхідний матеріал з більш високою, ніж у електротехнічної сталі індукцією в магнітних полях з напруженістю 1600, 4000, 8000 і 24000 А/м і вище. Такими властивостями володіють залізокобальтовий сплав пермендюр, що містить близько 50% кобальту і 1,8% ванадію. Широко застосовується пермендюр для виготовлення мембран телефонів. Індукція насичення пермендюра складає 2,4 Т. В слабких полях пермендюр має гірші магнітні властивості, ніж електротехнічна сталь. Недоліком пермендюра також є малий питомий опір, що приводить до великих втрат на вихрові струми.

Температурна похибка різних приладів електровимірювань (гальванометрів, лічильників і ін.) залежить від змінення магнітній індукції магнітопроводів і електричного опору обмоток цих приладів. Ці похибкм можуть бути зменшені при застосуванні магнітних шунтів з матеріалів, що мають в діапазоні температур від – 50 до + 50⁰С різку залежність магнітної індукції від температури. Як матеріали для термореактивних шунтів застосовують три види сплавів: мідно-нікелевий сплав – кальмалой, залізо-нікелевий – термалой і залізо-нікель-хромовий – компенсатор. Кальмалой, що містить 30% міді, компенсує похибку в межах температур 20-80⁰С, а при вмісті 40% міді – в межах від – 50 до + 10⁰С. Термалой має два недоліки: різку залежність магнітної проникності від складу і безповоротність властивостей при охолоджуванні до – 65⁰С унаслідок зміни кристалічної структури, яка викликає підвищення точки Кюрі до температури, що перевищує 600⁰С. Одним з кращих термокомпенсуючих сплавів є компенсатор. У цього сплаву магнітні властивості в порівнянні з кальмалоєм і термалоєм мало залежать від коливань складу, сплав добре обробляється куванням і прокаткою.

5. Магнітодіелектрики призначені для використовування при підвищених частотах, оскільки вони характеризуються великим питомим опором і малим тангенсом кута магнітних втрат. Магнітодіелектрики одержують шляхом пресування порошкоподібного феромагнетика з ізолюючим зерна один від одного органічним або неорганічним мастилом. Як основу застосовують карбонільне залізо, розмолотий альсифер і ін. Ізолюючим мастилом служать фенолоформальдегідні смоли, полістирол, скло і т.п. Від основи потрібна наявність високих магнітних властивостей, від зв'язки – здатність утворювати між зернами суцільну, без розриву електроізоляційну плівку.

Сердечники на основі карбонального заліза відрізняються достатньо високою стабільністю, малими втратами, позитивним температурним коефіцієнтом магнітної проникності і можуть бути використані в широкому діапазоні частот. Особливістю сердечників з альсифера є наявність у них негативного температурного коефіцієнта магнітної проникності. Це дозволяє створювати магнітодіелектрики з суміші карбонального заліза і альсифера з необхідним рівнем і знаком температурного коефіцієнта і магнітної проникності.

Магнітна проникність магнітодіелектриків практично некерована зовнішнім магнітним полем. У зв'язку з широким випуском феритів різних марок, що володіють рядом переваг у порівнянні з магнітодіелектриками, останні втратили своє технічне значення і зберегли обмежені області застосування.

6. Ферити є магнітною керамікою з незначною електронною електропровідністю. Великий питомий опір, що перевищує r заліза в 10⁶ – 10¹¹ разів, а отже, і відносно невеликі втрати енергії в області підвищених і високих частот поряд з достатньо високими магнітними властивостями забезпечують феритам найширше застосування при підвищених і високих частотах.

Ферити є системами з оксидів заліза і оксидів двовалентних, рідше одновалентних металів, відповідаючі загальній формулі МеО·Fe₂О₃, де Ме – символ двовалентного металу. Ферити мають кубічні кристалічні гратки. Феритами, що володіють найцікавішими магнітними властивостями і що знайшли технічне застосування, є, як правило, тверді розчини декількох найпростіших з'єднань, у тому числі і немагнітні.

Ферити отримують методами керамічної технології. В промисловості в основному використовують метод змішування оксидів чи карбонатів, що не розчиняються у воді, та метод термічного розпаду солей різних металів.

Магнітом`кі ферити використовують для виготовлення сердечників трансформаторів, котушок індуктивності, магнітних антен, статорів і роторів високочастотних невеликої потужності електричних двигунів, деталей відхиляючих систем телевізійної апаратури. Ферити мають більш низьку індукцію насичення, ніж металеві феромагнетики, тому в потужних полях їх використовувати не доцільно, але у високочастотних полях ферити можуть мати більш високу індукцію, так як відсутня дія, що розмагнічує, вихрові струми.

Найбільш розповсюдженими промисловими магнітом`кими феритами є тверді розчини простих феритів таких видів: нікель-цинкові, марганець-цинкові, літієві.