Пермаллои

Технически чистое железо.

Магнитомягкие материалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцетивную силу, большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.

Магнитомягкие материалы можно разделить на следующие группы: технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь); кремнистая электротехническая сталь; сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью; сплавы с большой индукцией насыщения; ферриты.

Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.

Технически чистое железо содержит не более 0,1% углерода, серы, марганца и других примесей и обладает сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает его применение. Используется оно в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков и приготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и способа обработки.

В зависимости от способа получения различают железо электролитическое и карбонильное.

Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая электротехническая сталь содержит углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8 % и относится к магнитомягким материалам широкого потребления. Легирование стали кремнием приводит к существенному повышению удельного электрического сопротивления, которое растет линейно от 0,1 мкОм*м при нулевом содержании кремния до).6 мкОм*м при содержании кремния 5% к увеличению начального и максимального значений μ, снижению коэрцетивной силы Нr, снижению потерь на гистерезис. Сталь с содержанием кремния 6,8% обладает наивысшей магнитной проницаемостью, но в промышленности применяют сталь с содержанием кремния не выше 5 %. Так как кремний ухудшает механические свойства стали, она становится непригодной для штамповки.

Свойства стали улучшает холодная прокатка, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, и отжиг в среде водорода при температуре 900-1000˚С, снимающий механические напряжения и способствующий укрупнению кристаллических зерен, причем оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката; о такой стали говорят, что она обладает ребровой структурой. Магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.

Электротехническая сталь выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. На сталь может быть нанесено электроизоляционное покрытие.

Сталь электротехническая тонколистовая подразделяется:

- на три класса по структурному состоянию и виду прокатки;

- на шесть классов по содержанию кремния;

- на восемь групп по основной нормируемой характеристике.

По структурному состоянию и виду прокатки различают три класса электротехнической тонколистовой стали:

1 класс – горячекатанная изотропная сталь;

2 класс – холоднокатанная изотропная;

3 класс – холоднокатанная анизотропная сталь с ребровой текстурой.

По содержанию кремния:

0 – сталь с содержанием кремния от 0,4% до 0,8%;

1 – сталь с содержанием кремния от 0,8% до 1,8%;

2 – сталь с содержанием кремния от 1,8% до 2,8%;

3 – сталь с содержанием кремния от 2,8% до 3,8%;

4 – сталь с содержанием кремния от 3,8% до 4,8%;

Добавление кремния в электротехническую сталь улучшает магнитные характеристики стали, повышает ее удельной электрическое сопротивление и снижает потери на вихревые токи.

В зависимости от основной нормируемой характеристики сталь делят на группы:

0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются ρ_1,7/50);

1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются ρ_1,5/50);

2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются ρ_1,0/400);

6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н= 0,4 А/м (В_0,4);

7 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н= 10 А/м (В₁₀);

Электротехнические стали обозначают посредством системы вышеприведенных цифр. Вместе первые три цифры в обозначении марки означают тип стали; четвертая – порядковый номер типа стали.

Пермаллои относятся к магнитомягким материалам, обладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях и представляют собой железноникелевые сплавы. Такие сплавы характеризуются тем, что магнитная анизотропия и магнитострикция пркатически отсутствуют; это является одной из причин особенно легкого намагничивания пермаллоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72-80% никеля) и низконикелевые (40-50% никеля).Классический пермаллой с концентрацией никеля 78,5 % имеет наибольшие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости μ. Высокие магнитные свойства классического пермаллоя получаются в результате высокотемпературного отжига при 1300˚С в чистом сухом водороде и при длительном отпуске при 400-500˚С.

Следует отметить: магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев выше, чем низконикелевых и значительно превосходит проницаемость электротехнических сталей, но индукция насыщения пермаллоев в 1,5-2 раза меньше; следовательно их нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, в которых используется большой магнитный поток. Удельное сопротивление низконикелевых пермаллоев в два раза выше высоконикелевых, поэтому они могут работать на более высоких частотах.

Стоимость высокинелевых пермаллоев больше низконикелевых, в то же время они менее технологичны.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, позволяет упростить технологию получения, уменьшает чувствительность к механическим напряжениям и снижает индукцию насыщения. Медь благоприятно сказывается на температурной стабильности и стабильности магнитной проницаемости при изменении напряженности внешнего поля. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление.

Из железноникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить следующие группы:

1) нелегированные низконикелевые пермаллои – марки 45Н и 50 Н (содержание никеля 45 и50%) – эти сплавы обладают наиболее высокой индукцией насыщения, поэтому они применяются для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, которые работают при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплав 50НХС обладает повышенным сопротивлением и используется для сердечников импульсных трансформаторов и устройств связи звуковых и высоких частот.

2) сплавы, обладающие текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса, - 50 НП, 65 НП, 34 НКП;

3) низконикелевые пермаллои (50% Ni), легированные хромом и кремнием – 50 НХС;

4) высоконикелевые пермаллои, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью – 79 НМ, 80НХС, 76НХД. Эти сплавы применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов, при толщине 0,02мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных

Все сплавы содержат в небольших количествах марганец и кремний. В марках пермаллоев буква Н означает – никель, М – марганец, Д – медь, К – кобальт, С –хром, П –прямоугольную петлю гистерезиса.

Пермаллои изготавливаются в виде холоднокатанных лент, горячекатанных листов, горячекатанных и кованных прутков.

Недостатками пермаллоев является их относительная высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.