Магнитомягкие материалы

Классификация магнитных материалов

Магнитные материалы классифицируют на магнитомягкие и магнитотвердые. Материалы с малым значением коэрцитивной силы Hc и большой магнитной проницаемостью называются магнитомягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительно малой магнитной проницаемостью называются магнитотвердыми материалами. Основанием для деления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происходит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на третьем - парапроцесс (завершающий этап процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия несориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика). Согласно кривой намагничивания смещение границ доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных моментов и парапроцесс. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов. Магнитотвердые материалы намагничиваются преимущественно за счет вращения векторов намагничивания и парапроцесса.

Магнитомягкие материалы обладают следующими свойствами:

1. узкая петля гистерезиса небольшой площади при высоких значениях индукции и небольшой коэрцитивной силой Н_с<4 кА/м (см. рис. 6.3, а, б, в);

2. однородность структуры;

3. минимальные механические напряжения;

4. минимальное количество примесей и включений;

5. незначительная кристаллографическая анизотропия.

 

Магнитотвердые материалы имеют большие значения коэрцитивной силы Н_с, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной слой Н_с>4 кА/м (рис. 6.3, г) и наличием однодоменных структур, возникающих в небольших объемах магнитного вещества. Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов.

 

МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах и в других случаях где необходимо при минимальных затратах энергии достигнуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением, обычно применяют магнитопроводы собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Благодаря высоким потерям на вихревые токи технически чистое железо используется редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготавливается рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до 0.08-0.1 %. За рубежом такой материал известен под названием «армко-железо».

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь – это разновидность технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной 0,2-4 мм, содержит не свыше 0,04 % углерода и не свыше 0,6 % других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок – не менее 3500-4500, коэрцитивная сила – соответственно не более 100-65 А/М.

Особо чистое железо, содержащее весьма малое количество примесей (менее 0,05 %), может быть получено двумя сложными путями, в результате которых имеем:

1. Электролитическое железо изготавливают электролизом раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, катодом – пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок на шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг и переплавку в вакууме.

2. Карбонильное железо получают термическим разложением пенткарбонила железа согласно уравнению

Fe(CO)5=Fe+5CO.

 

Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получаемую воздействием оксида углерода на железо при температуре 200 С и давлении 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовления прессованных высокочастотных магнитных сердечников.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но от структуры материала, размера зерен, механических напряжения и.т.д.

Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышенное удельное сопротивление, что вызывает снижение потерь на вихревые токи, на гистерезис. Также уменьшается коэрцитивная сила, увеличивается магнитная проницаемость.

Сталь, содержащая до 4% кремния, обладает достаточно удовлетворительными механическими свойствами, а при наличии выше 5% кремния она становиться очень хрупкой. Путем специализированной прокатки и особой термической обработки можно изготовить текстурованную сталь крупнокристаллического строения, причем кристаллы окажутся ориентированными осями наиболее легкого намагничивания параллельно направлению прокатки. Магнитные свойства такой стали в направлении прокатки значительно выше, чем стали, не подвергавшейся подобной обработке.

Сталь электротехническую тонколистовую подразделяют и маркируют:

а) по структурному состоянию и виду прокатки на классы (первая цифра марки): 1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой;

б) по содержанию кремния (вторая цифра марки): 0 – с содержанием кремния до 0,4 % вкл. (нелегированная), 1 – от 0,4 до 0,8 % вкл., 2 – от 0,8 до 1,8 % вкл., 3 – от 1,8 до 2,8 % вкл., 4 – от 2,8 до 3,8 % вкл., 5 – от 3,8 до 4,8 % вкл.;

в) по основной нормируемой характеристике на группы (третья цифра в марке): 0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (P1,7/50); 1 – при 1, 5 Тл и 50 Гц (P1,7/50); 2 – при 1 Тл и 400 Гц (P1,7/400); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (B0,4); 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при 10 А/м (B10). Сталь маркируется четырьмя цифрами. Вместе первые три цифры означают тип стали; четвертая порядковый номер типа стали. Плотность и удельное сопротивления электротехнической стали зависит от степени ее легирования кремнием, как это показано в таблице

Степень легирования	Вторая цифра марки	Плотность Мг/	Удельное электр. Сопротивление мкОм*М
Нелегированая	0	7,85	0,14
Слаболегированная	1	7,82	0,17
Нижесреднелегированная	2	7,8	0,25
Среднелегированная	3	7,75	0,40
Повышеннолегированная	4	7,65	0,5
Высоколегированная	5	7,55	0,60

 

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Толщина листов стали 0,1-1 мм. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, приборов, электрических машин. Текстурованная сталь анизотропна и используется для сердечников трансформатора. Применение этой стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить массу и габаритные размеры на 20-25 %, а в радиотрансформаторах – на 40 %. В таблице 2 приведены предельные значения удельных потреь и индукции для стали класса 2, а в таблице 3 – для стали класса 3.

Марка	Толщина, мм	Удельные потери, Вт/кг, не более		Магнитная индукция, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м, не менее
		P1,0/50	P1,5/50	1000	2500	5000	10000	30000
2013	0,65	3,10	7,0	1,53	1,64	1,74	1,85	2,05
	0,50	2,50	5,6	1,54	1,65	1,75	1,85	2,05
2112	0,65	3,50	8,0	1,46	1,59	1,67	1,77	2,02
	0,50	2,60	6,0	1,46	1,60	1,68	1,77	2,02
2212	0,65	2,60	6,3	1,42	1,58	1,67	1,77	2,00
	0,50	2,20	5,0	1,42	1,60	1,68	1,77	2,00
2312	0,65	2,40	5,6	1,38	1,54	1,64	1,72	1,96
	0,50	1,75	4,0	1,40	1,56	1,66	1,74	1,96
2412	0,50	1,30	3,1	1,35	1,50	1,60	1,70	1,95
	0,35	1,15	2,5	1,35	1,50	1,60	1,70	1,95

Зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля для стали 1521 и 1517 приведены на рис.2.

 

Таблица 3

Марка	Толщина, мм	Удельные потери, Вт/кг, не более				Магнитная индукция, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м, не менее
		P1,0/50	P1,5/50	P1,7/50	100		250	2500
3411	0,50	1,10	2,45	3,20	-		-	1,75
	0,35	0,80	1,75	2,50	-		-	1,75
3414	0,50	0,70	1,50	2,20	1,60		1,60	1,88
	0,35	0,50	1,10	1,60	1,60		1,60	1,88
3415	0,35	0,46	1,03	1,50	1,61		1,61	1,90

 

Рис.2 Кривая 1 – 1521 толщина 0,35 мм; кривая 2 – 1572 толщина 0,1 мм

 

Одной из важнейших характеристик магнитных материалов является абсолютная магнитная проницаемость  и относительная магнитная проницаемость . Относительная магнитная проницаемость определяется по основной кривой намагничивания по вышеприведенным формулам в данной точке кривой с учетом магнитной постоянной  Гн/м. Различают магнитную проницаемость начальную (H=0), максимальную (), дифференциальную (). Магнитная проницаемость зависит от температуры, как показано на рис.3, переходя через максимум при температуре Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 768 С, для никеля 358 С, для кобальта 1131 С.При температуре выше точки Кюри магнитная проницаемость резко снижается вследствие теплового движения атомов материала, в результате чего материал перестает быть магнитным. Для характеристики изменения магнитной проницаемости при изменении темепературы пользуются те мпературным коэффициентом магнитной проницаемости ():

,

где  - магнитная проницаемость при данной температуре t.

 

Рис. 3 – Магнитная проницаемость магнитного материала в зависимости от температуры

 

Рис. 4 – Магнитная проницаемость и кривые намагничивания: 1-особо чистого железа, 2-железо чистое 99,98 % Fe, 3-железо технически чистое 99,92 % Fe, 4-пермаллой (78% Ni), 5-никель, 6 –сплав железо-никель

 

Пермаллои. Это железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практическим отсутствием у них анизотропии и магнитострикции. Различают высоконикелевые и низконикелевые пермаллои. Высоконикелевые пермаллои содержат 70-83% Ni, низконикелевые 40-50% Ni.

Характеристики пермаллоев. Основные магнитные свойства и удельное сопротивление сплавов железно-никель зависят от содержания никеля (рис. 3.) Наибольшим значением магнитной проницаемости обладает сплав, содержащий 78,5 % Ni. Очень легкая намагничиваемость объясняется практическим отсутствием у них анизотропии. Магнитные свойства пермаллоев чуствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава, примесей, а также очень резко меняются от режимов термообработки (температуры, скорости нагрева и охлаждения и.т.п.). Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев почти в два раза ниже, чем у электротехнической стали, и в полтора раза ниже, чем у низконикелевых пермаллоев. Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых и намного превосходит проницаемость электротехнических сплавов. Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем низконикелевых, поэтомы при повышенных частотах используют низконикелевые пермаллои.

Влияние легирующих добавок. Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводят добавки. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость, но при этом снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство магнитной проницаемости, повышает температурную стабильность, а также далет сплавы легко поддающимися обработке. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.

Разновидности пермаллоев. Различают пермаллои нелегированные, легированные, легированные низконикелевые, легированные высоконикелевые. Также представляет интерес сплав с высокими магнитными свойствами получивший название супермалой ( =100000,  = 1500000, Hc=0,3 А/м, Вмакс не менее 0,8 Тл,  мкОм*м). Маркировка пермаллоев:

1. Н – никель;

2. К-кобальт;

3. М-марганец;

4. Х-хром;

5. С-кремний;

6. Д-медь

Дополнительная буква У-улучшенные свойства; П- Прямоугольная петля гистерезиса. Цифра в марке указывает процентное содержание никеля (50 НХС, 79НМ-У).

Рис.5 Зависимость магнитных свойств и удельного электрического сопротивления сплавов железо-никель от содержания никеля

 

Применение пермаллоев. Сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников маломощных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей. Из сплава 50НХС изготавливают сердечники импульсных трансформаторов. Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для сердечников малогабаритных трансформаторов, магнитных экранов.

Альсиферы. Сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное Fe. Данный сплав отличается твердостью, хрупкостью. Основные свойства альсифера , , Нс=1,8 А,  мкОм*м. Хрупкость материала ограничивает его использование. Применение: магнитные экраны, корпуса приборов. Благодаря хрупкости его можно размалывать в порошок и применять наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.