Магнитно-мягкие сплавы

 

Магнитно-мягкие стали применяют для получения магнитопроводов постоянного и переменного тока, применяемых для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д.

Общие требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам ‒ высокая магнитная проницаемость m, низкая коэрцитивная сила HC, а для деталей магнитопроводов, работающих в переменных магнитных полях, – малые потери при перемагничивании и малые потери на вихревые токи Фуко.

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости ферромагнитный магнитно-мягкий материал должен быть чистым по примесям и неметаллическим включениям, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). Даже слабый наклеп снижает магнитную проницаемость и повышает Н_С. Поэтому сплав должен быть полностью рекристаллизован для устранения внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

Для характеристики явления намагничивания вводится величина I – намагниченность вещества, которая измеряется в А/м, т.е. в тех же единицах, что и напряжённость магнитного поля. Физический смысл намагниченности вещества состоит в том, что она представляет собой векторную сумму магнитных моментов частиц вещества (молекул) в единице его объёма:

 

,

 

где - намагниченность вещества, А/м; V – объём вещества, м³;  - магнитные моменты отдельных молекул, А×м².

Намагниченное вещество создаёт дополнительное магнитное поле с индукцией , Тл:

 

,

 

где m₀ – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м. Это постоянная величина, m₀ = 4p×10^-7 Гн/м =1,26×10^-6 Гн/м.

Намагниченность вещества связана с напряжённостью магнитного поля:

 

,

 

где Н – напряжённость магнитного поля электрического тока, намагничивающего ферромагнетик, А/м; k - магнитная восприимчивость ферромагнетика; m - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. Величины k и m – безразмерные величины. Относительная магнитная проницаемость равна отношению суммарной магнитной индукции поля в веществе (B) к магнитной индукции поля в вакууме (B₀=m₀H) в той же точке среды:

 

.

 

Отсюда следует, что магнитная восприимчивость ферромагнетика равна отношению дополнительной магнитной индукции к магнитной индукции поля в вакууме в той же точке среды:

 

 

Из этого следует связь между общей магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля:

 

.

 

Иногда в справочной литературе напряжённость магнитного поля приводится во внесистемных единицах – эрстедах (э). Соотношение между А/м и э следующее:

1 э =  А/м = 79,577 А.

Петлёй гистерезиса называется сложная кривая зависимости магнитной индукции поля (B) или намагниченности ферромагнетика (I) от напряжённости магнитного поля (Н), создаваемого переменным синусоидальным электрическим током, в которое помещён ферромагнетик.

При снятии внешнего поля ферромагнетик остаётся намагниченным с остаточной индукцией B_r. Чтобы размагнитить ферромагнетик, нужно снять остаточную индукцию, для этого нужно создать поле противоположного направления.

Напряжённость поля H_C (отрезок 0-3), при которой индукция обращается в нуль, называется коэрцитивной напряжённостью или коэрцитивной силой. Значению – H (точка 4 на рисунке 1) соответствует намагниченность насыщения -I_H (или индукция насыщения - B_H) и, соответственно, +Н (точка 1 на рисунке 1) – намагниченность насыщения + I_H (или индукция насыщения + B_H). За один цикл изменения напряжённости поля от +Н до – H на перемагничивание ферромагнетика расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса.

С учётом требований к магнитно-мягким материалам, нужно отметить, что площадь петли гистерезиса у них должна быть минимальной, т.е. петля гистерезиса должна быть достаточно узкой. Для ферромагнетиков (в частности для магнитно-мягких сталей) обычно указывается начальная относительная магнитная проницаемость (m_н), когда напряжённость поля и индукция близки к нулю, и максимальное значение относительной магнитной проницаемости (m_max), так как зависимость m=f(H) проходит через максимум.

К магнитно-мягким сплавам сейчас предъявляются всё более сложные требования: сплавы не должны подвергаться температурным воздействиям, вибрации, воздействию ионизирующих излучений (не должны стареть) и т.д. С 1950 года, когда Эльменом был изобретён пермаллой – классический магнитно-мягкий материал, было разработано несколько десятков магнитно-мягких сплавов, в основном на основе систем Ni-Fe, Co-Fe, Fe-Al, Fe-Si.

Старейшие магнитно-мягкие материалы – это сплавы системы Ni-Fe – пермаллои, которые наиболее полно изучены. В этой системе сплавы делят на две группы: низконикелевые (45-50% Ni) и высоконикелевые (79-83% Ni). Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н, 60НХС) имеют повышенную магнитную проницаемость и индукцию насыщения. Их свойства колеблются в пределах: m_н = 2000 – 3000, m_max = 30000-35000, B_H = 1,0 – 1,5 Тл, H_C = 8 – 16 А/м.

Высоконикелевые пермаллои (79НМ, 81НМА, 80НХС) характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых полях при сравнительно небольшой индукции насыщения и малой коэрцитивной силе: m_н = 20000-35000, m_max = (1,0-1,2)×10⁵, B_H = 0,7 – 1,1 Тл, H_C = 1,2 – 2,4 А/м. Пермаллои часто легируют Si, Mo и Сr, что приводит к уменьшению чувствительности к пластической деформации, повышению удельного электросопротивления (уменьшение потерь с вихревыми токами Фуко) и относительной магнитной проницаемости.

Индукцию насыщения B_H повышают присадками в пермаллои кобальта. Зарубежные аналоги таких сплавов получили название «перминвары» (37НКДП, 35НКХСП, 33НКМСП). «П» в обозначениях сплавов означает то, что их подвергают термообработке в магнитном поле.

Нашли применение магнитно-мягкие сплавы на основе системы Co – Fe. Эти сплавы обычно легируют ванадием (50КФ). Зарубежные аналоги таких сплавов получили название «перминдюры». Положительным качеством сплавов этой системы является их способность сохранять ферромагнитные свойства при сравнительно высоких температурах. Основной недостаток этих сплавов – это низкие значения их удельного электросопротивления (r).

Ряд магнитных сплавов разработан на основе системы Fe – Al. Среди легированных железоалюминиевых сплавов наиболее широко применяются 16ЮХ и 12ЮК (легированные Cr и Co). Сплавы системы Fe – Al ферромагнитны при содержании алюминия не свыше 17%. Характерное влияние Al в этих сплавах проявляется в увеличении прочности, повышении стойкости к истиранию, росте удельного электросопротивления (r). Резервы свойств сплавов на основе системы Fe – Al могут быть увеличены при легировании хромом (Cr) и рением (Re): 16ЮИХ.

Прецизионные сплавы на основе системы Fe – Si содержат кремния не свыше 7%, так как сплавы с большим содержанием кремния непластичны и хрупки. Обычно содержание кремния в прецизионных магнитно-мягких сплавах 3 – 7%. С повышением содержания кремния увеличивается магнитная проницаемость (m), твёрдость (HB), прочность (s_в). Кроме того, в сплавах Fe – Si при ударных нагрузках, вибрациях, сжатии и колебаниях температур наблюдается большая стабильность магнитных свойств, чем в сплавах системы Ni – Fe.