Магнитные сплавы с особыми свойствами

Перминвар - тройной сплав (25%Со, 45%Ni, остальное – Fe). Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300А/м. Индукция насыщения достигает 1,55Тл. Применение его ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Пермендюр - сплав Fe-Со, который со­стоит из 30-50% кобальта, 1,5-2%V и остальное – Fe. Этот сплав может работать в магнитных полях с напряженностью 24000А/м и обладает наивысшей из всех известных ферромаг­нетиков индукцией насыщения до 2,43Тл.

Пермендюр из-за высокой стоимости применяется только в специализированной аппаратуре: для изготовления мембран телефонов, осциллографах и т. д.

В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый сплав – кальмаллой, железоникелевый – термаллой, железоникель-хромовый компенсатор.

В этих материалах с увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре магнита падает. Недо­статком кальмаллоя является низкая индукция насыщения, для повышения ее в кальмаллой добавляют присадки железа. Для расширения работы в области низких температур железо-никелевые сплавы легируют хромом. Такие сплавы называют ком­пенсаторами.

Аморфные магнитные материалы (АММ). Такие материалы получаются при быстром охлаждении из расплавленного состояния без кристалли­зации со скоростью охлаждения до 10⁶ °С/с. Эти материалы обладают высокими магнитными свойствами с повышенным сопротивлением. К ним относятся сплавы железа и никеля с добавками хрома, молибдена, бора, кремния, фосфора.

АММ можно использовать в различных типах специальных транс­форматоров, в магнитных усилителях, воспроизводящих и записы­вающих головках.

Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие из конгломерата частиц низкокоэрцитивного магнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим ди­электриком, который играет роль и связующего элемента. Так как частицы ферромагнитной фазы изолированы, то магнито­диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и ма­лыми потерями на вихревые токи, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Они харак­теризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой ста­бильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц производится жидким стеклом, различными смолами (полистиролом, фенолформальдегидной смолой). Разме­ры ферромагнитных частиц составляют d =10^-2-10^-4см.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденово­го пермаллоя.

Технология изготовления изделий из магнитодиэлектриков со­стоит из приготовления ферромагнитного порошка, прессования изделия и обработки.

Магнитодиэлектрики предназначаются для работы в слабых магнитных нолях, близких по значению к коэрцитивной силе, и ис­пользуются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике, так как их магнитная проницаемость слабо зависит от частоты

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротив­лением в 10³-10¹³ раз больше сопротивления ферромагнитных металлов.

Химический состав ферритов может быть записан химической формулой MeO-Fe₂0₃ или Me²⁺Fe₂³⁺O₄^2-, где используются двухвалентные ионы металлов: Мn²⁺, Fе²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²

Название ферритов определяют по хорактеризующему металлическому иону, например NiFe₂0₄ – никелевый феррит, ZnFe₂0₄ – цинковый феррит. Структура феррита аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой плотнейшую упа­ковку образуют относительно большие ионы кислорода (ионный ра­диус 0,132нм). Металлические ионы с меньшим ионным радиусом (0,04-0,1нм), располагаются в промежутках меж­ду ионами кислорода. В структуре типа шпинели существует два типа промежутков: тетраэдрические - образованные четырьмя иона­ми кислорода, и октаэдрические, образованные шестью ионами кис­лорода. В центрах этих промежутков находятся ионы металла.

В элементарной кубической ячейке содержится 64 тетраэдрических и 32 октаэдрических промежутка. В структуре шпинели иона­ми металла занято восемь тетраэдрических (A -узлы), и 16 октаэд­рических (B-узлы) промежутка.

Распределение ионов двух- и трехвалентного металла по узлам кристаллической решетки оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритов. В зависимости от распределения ионов металла рассматривают три типа шпинелей:

а) нормальная шпинель – в А -узлах размещены ионы двухва­лентного металла, а в В-узлах – ионы трехвалентного железа. Хи­мическая формула:

Me²⁺[Fe₂³⁺]O₄^2-

б) обращенная шпинель – A -узлах находится часть ионов трех­валентного железа, а в B -узлах – оставшаяся часть ионов трех­валентного железа и ионы двухвалентного металла, химическая формула:

Fe³⁺[Me²⁺Fe_2-x^3-]O₄^2-,

где х – доля ионов железа в А-узлах:

в) смешанная шпинель – ионы двух- и трехвалентного металла и железа одновременно появляются одновременно в A и B узлах:

Ме_x^2-Fе_1-x³⁺ [Ме_1-x²⁺Fе_1+x³⁺]О₄^2-.

Распределение ионов по A - и B -узлам определяется следующими факторами: а) ионным радиусом; 6) конфигурацией электронных оболочек ионов; в) электростатической энергией.

Выше отмечалось, что в ферритах осуществляется косвенное об­менное взаимодействие, которое приводит к антипараллельной ори­ентации магнитных моментов соседних ионов. В феррошпинелях соседними ионами оказываются ионы, находящиеся в А - и В -узлах (А-В -взаимодействие), что можно представить решетку состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток А и В. Причем внутри подрешеток магнитные моменты ионов оказываются параллельны друг другу и суммарная намагничен­ность феррита может быть представлена как разность намагниченностей подрешеток – октаэдрической Мв(В) и тетраэдрической Ма (А), т. е. М_s= |М_b-М_а|.

Если намагниченность неодинакова, как это на­блюдается в случае ферритов, возникает спонтанная намагничен­ность.

Цинковый и кадмиевый ферриты, которые обладают структурой нормальной шпинели, немагнитны, так как диамагнитные ионы Zn²⁺ и Cd²⁺ занимают A -узлы, тем самым взаимодействие А-В ликвидируется, взаимодействие в подрешетке В (В - В -взаимодействие) мало и не в состоянии создать упорядочение магнит­ных моментов.

При повышении температуры магнитное упорядочение разруша­ется и спонтанная намагниченность уменьшается, что аналогич­но зависимости для металлических магнитных материалов.

Технология получения ферритов. Ферриты получают методом керамической технологии, т.е. смешивают оксиды и карбонаты нерастворимых в воде металлов и метод термического разложения солей различных металлов. Технология получения ферритов путем смешивания оксидов или карбонатов наиболее проста и заключается в следующем: исходные компоненты взвешивают и подвергают первому помолу и тщательному перемешиванию в шаровых или вибрацион­ных мельницах. Затем после сушки и прессования брикетов (или гранулирования) осуществляют предварительный обжиг при темпе­ратуре на несколько сотен градусов ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол и порошок исполь­зуют для получения изделий из ферритов путем прессования в стальных пресс-формах, выдавливания через мундштук, горячего литья под давлением. Для повышения пластичности в ферритовый порошок вводят пласти­фикаторы (поливиниловый спирт, парафин). Окончательный обжиг ферритового изделия проводят при температуре 1100-1400°С. Для спекания частиц и окончательной ферритизации в твердой фазе по типу:

МеО + Fe₂0₃→MeFe₂0₄

Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому их обрабатывают алмазным инструментом путем резания, шлифования, полирования, пробивать отверстия ультразвуком и производить пайку ультразвуком ферритов между собой и с металлами. Ферритовые детали склеивают поли­стироловым и эпоксидным клеями.

Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следую­щих видов:

а) никель-цинковые, представляющие твердые растворы ни­келевого феррита NiFe₂0₄, и феррита цинка ZnFe₂О₄:

Ni_1-x Zn_xFe₂0₄,

где х доля концент­рации цинка в феррите.

Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (x=0,4-0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции и магнитной проницаемости и постоянному уменьшению температуры Кюри;

б) марганец-цинковые - твердые раство­ры марганцевого феррита MnFe₂0₄ и цинкового феррита ZnFe₂0₄. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области ча­стот 1 МГц;

в) литиевые типа Li_0,5 Fe_2,5 0₄ обладают струк­турой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индук­цию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.

Магнитомягкие ферриты маркируются: на первом месте примерное значение магнитной проницаемости, а затем буквы, определяющие частотный диапазон: Н – низкочастотный диапазон (0,1-50МГц), ВЧ - высокочастотный (50-600МГц), а затем буквы, означающие состав материала: М – марганец-цинковые, Н – никель-цинковые, их маркируют также маркой ВЧ. Например, низкочастотные 20000НМ, высокочастотные 150ВЧ.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Магнитные материалы с прямоугольной пет­лей гистерезиса (ППГ) особенно важны в устройствах автома­тического управления аппара­туры телеграфной связи, вы­числительной техники, комму­тирующих дросселей.

Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса κ_пу, который определяется как отношение остаточной индукции к макси­мальной магнитной индукции:

κ_пу=В_r / B_max<1

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с + В_r на - В_r, которое должно быть примерно 10^-7-10^-9с), иметь высокую температурную стабильность маг­нитных параметров.

ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы железо-никель-кабальт с содержанием ко­бальта от 30 до 55%, легированные медью или другими металла­ми. Они изготовляются в виде лент толщиной от единиц до нескольких сотен микрометров, их коэффициент прямоугольности от 0,85 до 0,98. Прокатка микронной ленты, ее термообработка и изготов­ление сердечников сложнее, чем производство изделий из ферритов, поэтому ферриты с ППГ находят более широкое применение. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания.

Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магний-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, на­трия и др. Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности κ_пу=0,9-0,94; остаточная ин­дукция B_r=0,15-0.25Тл, температура Кюри T_k=110-250°С (для магний-марганцевых ферритов); 550-630°С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схе­мах автоматического управления, лежит в пределах 10-20А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, - 100-1200А/м.

Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников раз­личных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15×15мм, которые содержат 16*16=256 отверстий.

К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температур­ная стабильность параметров, чем металлических сплавов.