Сплавы прецизионные магнитомягкие (по ГОСТ 10160—75). Сплавы прецизионные (по ГОСТ 10994-74)

ЛЕКЦИЯ 3

Технология получения, фазовый состав и структура материалов с особыми магнитными свойствами

Магнитные стали и сплавы характеризуются магнитной проницаемостью, коэрцитивной силой и остаточной индукцией. В зависимости от значений этих величин магнитные материалы разделяют на:

· магнитно-мягкие материалы (ферромагнетики), к которым относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои);

· магнитно-твердые стали и сплавы — это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы.

Ферриты — материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂О₃ и оксидов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). У ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.

Магнитные материалы по ГОСТ 19693—74 подразделяются: на магнитомягкие с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м и магнитотвердые с коэрцитивной силой по индукции не менее 4 кА/м. Коэрцитивная сила по индукции — величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной индукции до нуля (до полного размагничивания).

Магнитомягкие металлические материалы (стали и сплавы) легко намагничиваются и перемагничиваются и характеризуются узкой петлей гистерезисного цикла. Наряду с малой коэрцитивной силой они должны обладать высокой магнитной проницаемостью и относительно большой индукцией насыщения.

Магнитомягкие материалы применяются для изготовления сердечников реле постоянного и переменного тока, магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и аппаратов, магнитных экранов и др., где требуется быстрое намагничивание с малыми потерями энергии.

Сталь электротехническая кремнистая (по ГОСТ 21427.0—75*—ГОСТ '21427.4—78). Нелегированная электротехническая сталь не находит широкого применения в электротехнике из-за низкого удельного электро­сопротивления, что увеличивает потери энергии на вихревые токи. В мощных устройствах на переменном токе шире используется электротехническая кремнистая сталь. Легирование кремнием значительно повышает электросопротивление стали. При этом увеличивается магнитная проницаемость, уменьшаются коэрцитивная сила и потери на гистерезис.

Сталь электротехническая тонколистовая (ГОСТ 21427.0—75).

Марки электротехнических горячекатаных тонколистовых сталей: 1211 - 1213, 1311- 1313, 1411-1413, 1511-1572.

Марки электротехнических холоднокатаных изотропных тонколистовых сталей: 2011-2014.

Марки электротехнических холоднокатаных изотропных тонколистовых сталей: 3411-3472.

Сталь подразделяют:

а) по структурному состоянию и виду прокатки на классы:

1 — горячекатаная изотропная;

2— холоднокатаная изотропная;

3—холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

Номера указанных классов означают первую цифру в марках электротехнической кремнистой стали;

б) по содержанию кремния:

0 — с содержанием кремния до 0,4 %;

1 —0,4—0,8 % Si;

2 — 0,8—1,8 % Si;

3 — 1,8—2,8% Si;

4 — 2,8—3,8% Si;

5 — 3,8—4,8% Si.

Номера (от 0 до 5) представляют вторую цифру в марках стали;

в) по основной нормируемой характеристике на группы:

0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7Тл и частоте 50 Гц;

1 — удельные потери при магнитной индукции 1,5Тл и частоте 50 Гц;

2 — удельные потери при магнитной индукции 1,0Тл и частоте 400 Гц для горячекатаной или холоднокатаной изотропной стали и удельные потери при магнитной индукции 1,5Тл и частоте 400 Гц для холоднокатаной анизотропной стали;

6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м;

7 — магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м или 5 А/м.

Пример расшифровки марки стали 1512 — сталь электротехническая 1-го класса (горячекатаная изотропная) с содержанием (массовой долей) кремния 3,8—4,8 % 1-й группы (основная нормируемая характеристика — удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц); тип стали 151, четвертая цифра 2—порядковый номер типа стали.

Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная плосколистовая применяется в магнитных цепях электрических машин, силовых трансформаторов и приборов.

Лента стальная электротехническая холоднокатаная анизотропная (ГОСТ 21427.4—78). Применяется эта сталь для статоров и роторов асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт, работающих при частоте тока 50Гц, якорей и полюсов машин постоянного тока, для низковольтной и высоковольтной аппаратуры.

Сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая (ГОСТ 21427.3—75). В новых разработках использовать эту сталь не рекомендуется. Ее постепенно заменяют холоднокатаными сталями.

Сплавы прецизионные магнитомягкие (по ГОСТ 10160—75). Сплавы прецизионные (по ГОСТ 10994-74).

Прецизионные сплавы — высоколегированные сплавы со специальными физическими и физико-механическими свойствами, уровень которых определяется точным химическим составом, специальной технологией выплавки и специальной термообработкой. Магнитомягкие прецизионные сплавы применяют для получения высоких значений индукции в слабых магнитных полях.

Сплавы прецизионные магнитомягкие изготовляют в виде холоднокатаных лент, холодно- и горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков и проволоки.

Из прецизионных магнитомягких сплавов наиболее широко применяются железоникелевые сплавы — пермаллои. По составу пермаллои разделяют на низконикелевые (39—65 % Ni) и высоконикелевые (75—84,5 % Ni). Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н, 50НХС и др.) имеют повышенную магнитную индукцию насыщения и повышенное удельное электросопротивление, поэтому их применяют в аппаратуре с небольшим подмагничиванием. Низконикелевые пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (50НП, 65НП) имеют близкое к единице значение коэффициента прямоугольности К_п, представляющего отношение остаточной индукции при нулевой напряженности магнитного поля к максимальной индукции на данной симметричной петле гистерезиса.

Высоконикелевые пермаллои (79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ) имеют очень высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях.

Пермаллои очень чувствительны к деформациям (наклепу), в результате чего ухудшаются их первоначальные магнитные характеристики. Легирование сплавов молибденом уменьшает их чувствительность к деформациям. Медь стабилизирует магнитную проницаемость в определенных интервалах напряженности, а хром, кремний, марганец и молибден увеличивают удельное электрическое сопротивление, что позволяет использовать пермаллои в переменных полях. Магнитные свойства пермаллоев зависят от термической обработки, которая заключается в отжиге образцов и готовых изделий в вакууме или в чистом сухом водороде.

Магнитотвердые стали и сплавы характеризуются высокой коэрцитивной силой (Нс) и остаточной индукцией (Вr) и соответственно высокими значениями максимальной удельной магнитной энергии 1\2 (ВН)_max. Согласно ГОСТ 19693—74, магнитотвердый материал — это магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции >4 кА/м.

Марки магнитотвердых литых материалов:

ЮНД4, ЮНД8, ЮНТС,

НДК18С

ЮН13ДК24С

ЮН13ДК24

ЮН15ДК24

ЮН13ДК25А

ЮН14ДК25А

ЮН13ДК25БА

ЮН15ДК25БА

ЮНДК34Т5

ЮНДК35Т5Б

ЮНДК35Т5БА

ЮНДК35Т5АА

ЮНДК38Т7

ЮНДК40Т8АА

Магнитотвердые материалы в основном используются для изготовления постоянных магнитов, которые являются важнейшими элементами многих устройств почти во всех областях техники (электронике, приборостроении, автоматических устройствах и т. д.). Они используются также для гистерезисных двигателей и магнитной записи. Повышение качества магнитотвердых материалов содействует прогрессу во многих отраслях техники.

Металлические материалы для постоянных магнитов по технологии производства классифицируют на:

· литые;

· спеченные;

· деформируемые.

Материалы магнитотвердые литые (ГОСТ 17809— на основе системы Fe — Ni — Аl, предназначенные для изготовления постоянных магнитов.

Алюминий и никель увеличивают коэрцитивную силу сплавов. Для повышения остаточной индукции в состав сплавов на основе системы Fe — Ni — А1 вводится кобальт. После термомагнитной обработки сплавы, содер­жащие свыше 18 % кобальта, приобретают особенно высокие магнитные свойства. Медь стабилизирует магнитные свойства, уменьшая их зависимость от технологии изготовления сплавов и нарушений режима термообработки.

Присадка титана повышает коэрцитивную силу, одновременно повышая хрупкость отливки, поэтому содержание титана в сплаве ограничивают 0,3—9 %.

Введение кремния и ниобия в некоторые сплавы также способствует улучшению магнитных свойств. Вредной примесью в сплавах на основе системы Fe — Ni — Al является углерод, который даже в малых количествах (0,1 %) значительно снижает коэрцитивную силу и остаточную индукцию.

Высокие магнитные свойства сплавы получают после термической обработки — закалки и высокотемпературного ступенчатого отпуска.

Дальнейшее повышение магнитных свойств достигается созданием в сплавах магнитной и кристаллографических текстур.

Недостаток литых сплавов для постоянных магнитов — их низкая технологичность. Из-за высокой твердости и хрупкости сплавы склонны к трещино- и сколообразованию, очень плохо обрабатываются резанием.

Основное назначение рассмотренных сплавов — магниты для измерительных приборов, автоматических и акустических устройств, электрических машин, магнитных муфт, поляризованных реле и т. д.

Спеченные (металлокерамические) магнитотвердые материалы (ММК) - изготовляются методом порошковой металлургии, ис пользуются порошки сплавов на основе систем:

· Fe — Ni — А1;

· Сu — Ni — Со;

· Fe — Со — Mo;

· Со — Pt и др.

Деформируемые магнитотвердые сплавы и стали. Основным преимуществом деформируемых магнитотвердых металлических материалов является возможность получать их в виде тонких сечений — листа, ленты, проволоки.

Сплавы прецизионные магнитотвердые по ГОСТ 10994—74 на основе системы Fe — Со — V получают высокие магнитные свойства после холодной пластической деформации с высокой степенью обжатия (70—90 %). Сплавы анизотропны. Проволока из сплава марки 52К13Ф после термомеханической обработки обладает высокой коэрцитивной силой 32—40 кА/м при индукции 0,80— 1,0Тл. Применяются сплавы для малогабаритных постоянных магнитов.

Сплавы марок 52К10Ф и 52К11Ф применяются также для активной части гистерезисных двигателей. Сплавы на основе систем Fe — Се — Ni — V (25КФ14Н, 35КФ10Н) и Fe — Со — Сr — V (35КХ4Ф, 35КХ6Ф и 35КХ8Ф) предназначаются для активной части гистерезисных двигателей.

Прутки из легированной магнитотвердой стали (ГОСТ 6862—71). Марки: ЕХЗ, ЕВ6, ЕХ5К5,ЕХ9К15М2 - легирующие элементы повышают коэрцитивную силу и магнитную энергию стали.

Применяют в виде горячекатаных или кованых прутков (круглых, квадратных, прямоугольных) для изготовления постоянных магнитов неответственного назначения.