Магнитомягкие материалы

называют особый вид микроструктуры стали, который получают при быстром ее охлаждении (закалке). Магнитомягкие материалы (МММ) должны иметь высокую маг­нитную проницаемость, малую коэрцитивную 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 прониц-ю;

-сплавы с большой индукцией насы­щения,

-ферриты.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь). Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.

Технически чистое железо используется в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и способа обработки. В зависимости от способа получения чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо применяется в постоян­ных полях.

Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное железо получают в виде порошка, и его удобно использовать для изготовления сер­дечников, работающих на повышенных частотах.

Кремнистая электротехническая сталь содержит от 0,7 до 4,8% кремния и относится к магнитомягким мате­риалам широкого применения.

Электротехническая сталь выпус­кается в виде отдельных листов, ру­лонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. Для уменьшения потерь на вихревые токи на листы стали может быть на­несен электроизоляционный лак.

Качество электротехнической стали можно повысить, уменьшая количество примесей в ее составе, Пермаллои. Они относятся к магнитомягким материалам, обладаю­щим высокой магнитной проницае­мостью в слабых полях, и представ­ляют собой железоникелевые сплавы. Такие сплавы характеризуются тем, что значения магнитной анизотро­пии и магнитострикции равны нулю; это является одной из причин особен­но легкого намагничивания пермал­лоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72...80% никеля) и низконикелевые (40... 50% никеля).

Сплавы, легированные молибденом, хромом, медью марганцем,кремнием, а также другими элементами используются шире.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химическо­го состава и наличия примесей в сплаве. На свойства пермаллоев отрицательно влияют примеси, которые не образуют твердых ра­створов со сплавом: углерод, сера и кислород. Свойства резко из­меняются от режимов термообработки.

Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев выше, чем низконикелевых, и значительно превышает 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 (см. рис. 7.6 и табл. 7.3).

Удельное электрическое сопротивление низконикелевых пермал­лоев в 2 раза выше высоконикелевых, поэтому их можно использо­вать при более высоких частотах.

Стоимость высоконикелевых пермаллоев больше, чем низкони­келевых, но'они менее технологичны.

Сплавы изготовляются в виде холоднокатаных лент толщиной 0,02...2,5 мм, шириной 30...250 мм, горячекатаных листов, горяче­катаных и кованых прутков.

Их применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, для сердечников импульсных трансформаторов, а также в устройствах связи для звуковых и высоких частот.

Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механичес­ких напряжений.

Альсифер - тройной сплав, состоящий из алюминия, кремния и железаАльсифер получают в виде литого, неков­кого материала с высокой твердостью и хрупкостью, поэтому из­делия из альсифера изготовляются методом литья с толщиной стенок не менее 2...3 мм. Область применения альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов машин, детали магнитопроводов для ра­боты в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях. Альсифер хрупок, поэтому его можно размалывать в порошок и применять для изготовления прессованных сердечников и магнитодиэлектриков.

Магнитные сплавы с особыми свойствами. В ряде случаев требу­ются материалы с повышенным постоянством магнитной прони­цаемости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свой­ствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнитным потоком, в частности в некоторых дросселях, транс­форматорах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборов и др. Магнитная проницаемость может быть обусловле­на обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость постоянна при обратимых процессах намагничи­вания, следовательно, такие материалы должны обладать обрати­мой проницаемостью в различных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемо­сти обладают материалы на основе Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co спла­вов. Тройной сплав (25% Со, 45% Ni, остальное - Fe) называют перминваром. Магнитная проницаемость перминвара после специ­альной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остается постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Более высокая стабильность магнитной проницаемости, но при меньшем ее значении (ц_ж = 30...80) имеется в сплаве изотерм, кото­рый состоит из железа, никеля, алюминия и меди. После холодной прокатки в этих материалах постоянство магнитной проницаемос­ти сохраняется при напряженности поля до 500 А/м. Применяется сплав в производстве телефонной аппаратуры.

Для различных типов сердечников, полюсов электромагнитов, работающих в магнитных полях с напряженностью 24000 А/м и выше, необходимы материалы с особо высокой индукцией насы­щения. Такими свойствами обладает Fe-Co - сплав пермендюр, который состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (осталь­ное - железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл).

Из-за его высокой стоимости применяется пермендюр в специа­лизированной аппаратуре, в частности для изготовления мембран телефонов, осциллографах и т.д. К числу недостатков пермендю-ра относится малое удельное электрическое сопротивление, кото­рое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимос­тью магнитной проницаемости от температуры для температурной

компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изго­тавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность свойств магнитных цепей с постоян­ным магнитом. С увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре основного магнита снижается. Это изменение ком­пенсируется возрастанием магнитного сопротивления шунта. Тер­момагнитный материал шунта должен иметь магнитную проница­емость, которая сильно зависит от температуры в рабочем диапа­зоне от -70 до +80 °С, и точку Кюри, близкую к рабочей температуре установки.

В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый - кальмаллой, железо-никелевый - термаллой, железо-никель-хромовый - компенсатор -

Изменение концентрации меди в кальмаллое от 3 до 40 /о позво­ляет изготавливать сплавы, которые компенсируют изменение маг­нитной проницаемости в магнитных цепях в пределах температур 20... 80 °С и от - 50 до +10 °С. Недостатком кальмаллоя является низ­кая индукция насыщения, для повышения ее в кальмаллой добав­ляют присадки железа. Термаллой содержит от 28,5 до 33,5% нике­ля. По сравнению с кальмаллоями он обладает более высокой ин­дукцией насыщения, которая резко зависит от температуры. Недостатками термаллоя являются наличие значительного темпе­ратурного гистерезиса в области низких температур, сравнитель­но низкий предел отрицательных температур, а также сильное вли­яние состава на свойства материала.

Для более широкого применения в области низких температур железо-никелевые сплавы легируют хромом. Такие сплавы назы­вают компенсаторами. Их свойства в меньшей степени зависят от состава; они хорошо обрабатываются и имеют достаточно высо­кую индукцию насыщения.

Методами порошковой металлургии разработаны термомагнит­ные сплавы на основе Fe-Ni-Mo. Магнитные свойства их близки к сплавам-компенсаторам, но эти материалы отличаются более высокой воспроизводимостью свойств.

Аморфные магнитные материалы. В последнее время уделяется большое внимание вопросам получения и применения аморфных магнитных материалов (АММ). Особенностью АММ является от­сутствие в них дальнего порядка в расположении атомов. Однако, несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных мо­ментов. АММ во многом подобны стеклам и металлическим рас­плавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществиться.

АММ обладает очень высокими магнитными характеристиками наряду с повышенным сопротивлением. Производ­ство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Перспективными высокопроницаемыми ма­териалами являются аморфные сплавы железа и никеля По магнитным свойствам АММ близки к электротехническим сталям и пермаллоям. Аморфные магнитные материалы используются в технике маг­нитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразо­вателях постоянного напряжения на частотах до нескольких мега­герц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с вы­сокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД, в качестве конструкционных материалов.

Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

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 полях, близких по значению к коэрци­тивной силе, и используются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике и других областях.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика слабо зависит от частоты.

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочета­ние высоких магнитных параметров с большим электрическим со­противлением, которое превышает сопротивление ферромагнит­ных металлов и сплавов в 10³... 10¹³ раз, и, следовательно, они име­ют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Изделия из ферритов формуются прессованием в стальных пресс-формах, выдавливанием через мундштук, горячим литьем под дав­лением, горячим прессованием. Для улучшения пластичности при изготовлении изделий в ферритовый порошок вводят пластифика­торы (вода, поливиниловый спирт, парафин и др.).

Ферритовые спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Ферриты можно обрабатывать абразивным инстру­ментом из синтетических алмазов или подвергать их резке, шли­фовке и полировке.

В ферритовых изделиях можно пробивать отверстия ультразву­ком. Ультразвук позволяет производить пайку ферритов между собой и металлом. Ферритовые детали склеивают полистироловым, эпоксидным или другими клеями. Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердеч­ников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных ан­тенн, статоров и роторов высокочастотных электрических мото­ров небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телевизи­онной аппаратуры. Ферриты обладают более низкой индукцией насыщения, чем металлические ферромагнетики, поэтому в силь­ных полях их применять нецелесообразно, однако в высокочастот-

ных полях ферриты могут иметь более высокую индукцию, так как отсутствует размагничивающее действие вихревых токов.

Простые ферриты не применяются. Наиболее распространен­ными промышленными магнитомягкими ферритами являются твер­дые растворы простых ферритов:

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.

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с плюса на минус, при­мерно 10~⁷...10~⁹ с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.

Ферриты с ППГ имеют некоторые металлические сплавы желе­за и никеля (пермаллои) и сплавы «железо-никель-кобальт» 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 применяются более широко. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания. Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цин­ка, кальция, меди, натрия и др.

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

 Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы, в отличие от магнитомягких, име­ют существенно ббльшие коэрцитивную силу (от 5ТО³ до 5ТО⁶ А/м) и площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы приме­няются для изготовления постоянных магнитов - источников постоянных магнитных полей, кото­рые во многих случаях выгоднее, чем электромагнитные.

Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор; следо­вательно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напря­женностью Н_а, снижающее индук­цию внутри магнита до B_d, которая меньше остаточной индукции В_г. Остаточная индукция В_г характери­зует материал, если магнит нахо­дится в замкнутом состоянии и предварительно намагничен до на­сыщения в сильном внешнем магнитном поле.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения под­разделяют на

-литые высококоэрцитивные сплавы,

-металлокерамические материалы,

-магнитотвердые ферриты,

-сплавы на основе ред­коземельных элементов,

- прочие магнитотвердые материалы (мартенситные сплавы, пластически деформируемые сплавы и др.).

Литые высококоэрцитивные сплавы. Наибольшее распростра­нение получили магнитотвердые материалы на основе железо-ни­кель-алюминиевых и железо-никель-кобальт-алюминиевых спла­вов, легированных различными добавками.

Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливает­ся механизмом дисперсионного твердения (иногда такие сплавы называются сплавами дисперсионного твердения).

Бескобальтовые сплавы являются дешевыми и не содержат де­фицитных металлов, но свойства их не очень высоки. Текстурованные сплавы, содержащие кобальт, имеют высокие магнитные ха­рактеристики, но в несколько раз дороже, чем бескобальтовые.

Металлокерамические и металлопластические магниты. Они со­здаются методами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать процесс производства, получать изделия со стро­го выдержанными размерами.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодисперсных порошков сплавов применением прессования и дальнейшего спека­ния при высоких температурах. Такой способ выгодно применятьдля производства мелких деталей или магнитов сложной конфигу­рации.

Металлопластические магниты изготовлять проще, чем метал­локерамические, но свойства их хуже.

Механические свойства металлопластических магнитов лучше, чем литых, но магнитные свойства хуже,

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение полу­чили магнитотвердые материалы на основе бариевого феррита и кобальтового феррита. Промышленность вы­пускает бариевые, стронциевые и смешанные бариево-стронциевые ферриты, содержащие изотропные (маркировка БИ) и анизотроп­ные (БА, СА - стронциевый и РА - смешанный) редкоземельные добавки.

 Бариевые магниты не содержат дефицитных материалов К недостаткам бариевых магнитов относятся низкая остаточ­ная индукция, высокая хрупкость и твердость, а также значитель­ная зависимость магнитных свойств от температуры. Кобальтовые ферриты более температуростабильны.

Сплавы на основе редкоземельных металлов. Интерметалличес­кие соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ)

Перспективы использования таких сплавов велики. Основные недостатки сплавов - плохие механические свойства (высокая хруп­кость), использование дефицитных материалов и высокая стоимость.

Другие магнитотвердые металлы. Кроме рассмотренных магнитотвердых материалов применяются традиционные материалы для постоянных магнитов - мартенситные стали, а также пластически деформируемые сплавы.

Мартенситом

Пластически деформируемые сплавы обладают высокими меха­ническими свойствами, хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на станках.

Наиболее распространенными являются сплавы кунифе (60% Си, 20% Ni, 20% Fe), кунико (50% Си, 21% Ni, 29% Со, остальное - Fe) и викаллой (51,0...54,0% Со, 10... 13,0% V, остальное Fe).

 Сплавы кунифе анизотропны, применяются в виде проволоки и штампо­вок. Сплавы кунико дороже сплавов кунифе и применяются для изготовления магнитов сложной конфигурации. Викаллой приме­няют для изготовления мелких магнитов сложной конфигурации.

Магнитные характеристики для всех сплавов следующие: оста­точная индукция 0,6...0,9 Тл, коэрцитивная сила 24...57 кА/м, маг­нитная энергия для викаллоя 4... 14 кДж/м³, кунифе 2,8...7,4 кДж/м, кунико 3,2...4,0 кДж/м³.