Загальні відомості

Лекція № 6

Тема: Магнітом’які матеріали

Мета: Вивчити магнітом’які матеріали

Методи: словесний

План:

1 Загальні відомості

2 Різновиди матеріалів

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Магнітом’ягкие матеріали повинні мати високу магнітну проникність, малу коерцитивну силу, більшу індукцію насичення, вузьку петлю гістерезису, малі магнітні втрати.

Магнето м’ягкие матеріали можна розділити на наступні групи: технічно чисте залізо (низько вуглеводну сталь); кремениста електротехнічна сталь; сплави з високою початковою магнітною проникністю; сплави з великою індукцією насичення; ферити.

Технічно чисте залізо (низько вуглеводна сталь). Залізо являє собою, магнітом’ягкий матеріал, властивості якого сильно залежать від змістів домішок.

Технічно чисте залізо містить не більше 0,1 % вуглецю, сірки, марганцю й інших домішок і має порівняно малий питомий електричний опір, що обмежує його застосування. Використається воно в основному для магніто проводів постійних магнітних потоків і виготовляється рафінуванням чавуну в мартенівських печах. Магнітні властивості заліза сильно залежать від його чистоти й способу обробки.

Залежно від способу одержання чистого заліза розрізняють залізо електролітичне й карбонільне.

Пермаллои. Они относятся к магнитомятким материалам, об­ладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях, и представляют собой железоникелевые сплавы. Такие сплавы ха­рактеризуются тем, что магнитная анизотропия и магнитострикция практически отсутствуют; это является одной из причин особенно легкого намагничивания пермаллоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72—80% никеля) и низконикелевые (40— 50 % никеля).

В настоящее время в большей мере используются сплавы, леги­рованные молибденом, хромом, медью, марганцем, кремнием, а также другими элементами. Высокие магнитные свойства классиче­ского пермаллоя получаются в результате высокотемпературного отжига при 1300 °С в чистом сухом водороде и длительном отпуске при 400—500 °С.

Отрицательно на свойства пермаллоев влияют примеси, которые не образуют, твердых раство­ров со сплавом, такие, как углерод, сера и кислород; кроме того, свойства резко изменяются от режимов термообработки. 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 электрическое сопротивление низконикелевых пермаллоев в два раза выше высоконикелевых, поэтому они могут работать на более высоких частотах.

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 железоникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить следующие группы:

1) нелегированные низконикеле­вые пермаллои — марки 45 Н и 50 Н (содержание никеля 45 и 50 %);

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, 80 НХС, 76 НХД.

Все сплавы содержат в неболь­ших количествах марганец и крем­ний. В марках пермаллоев буква Н означает никель, М — марганец, X— хром, Д — медь, К — кобальт, С — кремний, П—прямоугольную петлю гистерезиса. Сплавы с улуч­шенными свойствами обозначают дополнительно буквой У.

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. Постоянство проницаемости наблюдается при обратимых процессах намагничивания; следовательно, такие мате­риалы должны обладать обратимой проницаемостью в достаточно большом интервале магнитных полей.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемо­сти обладают материалы на основе Fe—Ni, Fe—Со, 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 практически постоянной в интервале полей от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Для различных 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—Со — сплав пермендюр, который со­стоит из 30—50 % кобальта, 1,5—2 % ванадия и остальное — же­лезо. Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромаг­нетиков индукцией насыщения до 2,43 Тл.

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

Аморфные магнитные материалы. В последнее время уделяется большое внимание вопросам получения и применения аморфных магнитных материалов (АММ). Такие материалы получаются при быстром охлаждении из расплавленного состояния без кристалли­зации. Быстрое охлаждение расплавленного сплава достигается различными технологическими приемами, среди которых есть не­прерывные или полунепрерывные методы. Аморфная структура получается при скорости охлаждения расплава до 10⁶ °С/с. Совре­менными методами можно изготовить из аморфного материала проволоку или ленту различного профиля непосредственно из распла­ва со скоростью до 1800 м/мин. АММ обладает очень высокими маг­нитными характеристиками наряду с повышенным сопротивлением. Перспективными высокопроницаемыми материалами являются аморфные сплавы железа и никеля с добавками хрома, молибдена, бора, кремния, фосфора, углерода или алюминия с магнитной про­ницаемостью до 500, коэрцитивной силой Н_с около 1 А/м и индук­цией насыщения В₈ от 0,6 до 1,2 Тл,

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

Магнитодиэлектрики. Это такие материалы, которые состоят из конгломерата частиц низкокоэрцитивного магнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим ди­электриком, который играет роль и связующего элемента. Благода­ря тому что частицы ферромагнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и ма­лыми потерями на вихревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Кроме того, магнитодиэлектрики харак­теризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой ста­бильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц производится жидким стеклом, различными смолами, например полистиролом, фенолформальдегидной смолой или другими связующими. Разме­ры ферромагнитных частиц составляют d = 10^-2 ~ 10^-1 см.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлек-трики 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. Для магнитодиэлектрика на основе карбонильного железа начальная магнитная проницаемость находится в пределах 10—20, на основе альсифера — 20—94, на основе пермаллоев — 60—250. Изделия из магнитодиэлектриков изготовляются в виде кольцевых и броневых сердечников или других конфигураций.

Феррити. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротив­лением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10^я—10^й раз, и, следовательно» они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использо­вать их в высокочастотных электромагнитных устройствах. Металлические ионы, имеющие меньший ионный радиус (0,04—0,1 нм), располагаются в промежутках (узлах) 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 тетраэдрическ х (А-узлы) и 16 октаэд­рических (В-узлы) промежутка.

Література:

1 Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 2 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 3 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 4 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983