Что такое магнитомягкий металл

Обновлено: 05.05.2024

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,

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 (цж = 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 10 3 . 10 13 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 5ТО 3 до 5ТО 6 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 На, снижающее индук­цию внутри магнита до Bd, которая меньше остаточной индукции Вг. Остаточная индукция Вг 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,

-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/м 3 , кунифе 2,8. 7,4 кДж/м , кунико 3,2. 4,0 кДж/м 3 .

Магнитомягкие прецизионные сплавы

Магнитомягкие сплавы – это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Принимается, что сплавы данного класса имеют значения коэрцитивной силы не превышающие 1000-1200 А/м, что обусловлено их малой петлей гестерезиса. Быстро намагничиваются в том числе и в слабых магнитных полях, но и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Рассматриваемые материалы относятся к одной из самых многочисленных групп прецизионных сплавов - с высокой магнитной проницаемостью.

Основными компонентами рассматриваемых материалов являются железо (Fe) и никель (Ni). Достаточно большое количество марок имеют в своем составе еще и кобальт (Co). В качестве легирующих элементов можно отметить хром (Cr), молибден (Mo), ванадий (V), медь (Cu) и кремний (Si). Сплавы системы Fe-Ni часто называют пермаллои, Fe-Co - пермендюры.

Классификация

По основным магнитным, электрическим, механическим свойствам, а также в соответствии с промышленным назначением магнито-мягкие сплавы можно разделить на 8 групп.

Таблица 1
Группа Марка Общая техническая характеристика Назначение
С наивысшей магнитной проницаемостью в магнитных полях 79НМ
80НХС
77НМД		 Наивысшая магнитная проницаемость (μa=20000÷200000, μmax=100000÷1000000); наименьшая коэрцитивная сила от 4 до 0,2 А/м при значениях индукции насыщения 0,5-0,8 Тл Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, дефектоскопов, головок аппаратуры магнитной записи, магнитные экраны
С высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением 50НХС Большие значения магнитной проницаемости (μa=1500÷6000, μmax=15000÷100000); удельное электрическое сопротивление от 0,9 до 1,0 мкОм·м при значениях индукции насыщения 1,0-1,4 Тл Сердечники аппаратуры связи дросселей, импульсных трансформаторов
С высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения 45Н (ЭП462)
50Н (ЭП467)
50Н-ВИ		 Большая магнитная проницаемость (μa=1500÷6000, μmax=15000÷100000); индукция насыщения не менее 1,5 Тл Витые и штампованные сердечники междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей
С прямоугольной петлей гистерезиса 50НП
34НКМП
40НКМП
70НМ		 Имеют высокую петлю гистерезиса (Bτ/Bs=0,85÷0,98); наивысшая максимальная магнитная проницаемость (μmax=40000÷1200000) при индукции насыщения до 1,5 Тл Сердечники магнитных усилителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформаторов, магнитных элементов, счетно-решающих устройств
С высокой индукцией насыщения 49КФ
49К2ФА		 Наивысшая индукция насыщения (2,0-2,4 Тл); большое значение температуры Кюри Сердечники и полюсные наконечники обычных и сверхпроводящих магнитов, электромагнитов, малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей, экранов, роторов и статоров, электрических машин, телефонных мембран, магнитострикционных приборов. Сердечники импульсных и широкополосных трансформаторов
С низкой остаточной индукцией 47НК
64Н
40НКМ
68НМ
79Н3М		 Низкая остаточная индукция (5% от Bs); малая зависимость проницаемости от величины намагничивающего поля; высокая стабильность свойств при изменении температуры и воздействии магнитных полей
С высокой коррозионной стойкостью 36КНМ Коррозионная стойкость в условиях повышенной влажности, морской воде и во многих агрессивных средах Магнитопроводы различных систем управления, якорей и электромагнитов, магнитопровод пневматических и гидравлических клапанов, работающих без защитных покрытий во влажной и агрессивных средах
С высокой магнитострикцией 49К2Ф Наивысшие значения магнитострикции 35-8010-6 и низкая коэрцитивная сила до 240 А/м Сердечники магнитострикционных преобразователей ультразвуковой, гидроакустической аппаратуры, электромеханических фильтров, линий задержки

Свойства магнитомягких сплавов

Свойства того или иного материала зависят от его химического состава, способа производства и некоторых других факторов. Логично рассматривать свойства магнитомягких прецизионных сплавов в рамках групп, описанных в разделе Классификация. Они приведены в столбце Общая техническая характеристика в таблице 1.

Марки

Основные марки прецизионных магнитомягких сплавов приведены в разделе Классификация, таблица 1. Химический состав и прочие требования к ним регламентируются стандартами ГОСТ 10994-74 и ГОСТ 10160-75.

Достоинства / недостатки

    Достоинства:
  • имеют большие значения магнитной проницаемости в слабых полях;
  • обладают малой коэрцитивной силой.
    Недостатки:
  • большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям;
  • пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями;
  • сравнительно высокая стоимость.

Области применения

Пермаллои, пермендюры и другие представители данного класса прецизионных сплавов находят широкое применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц, а для микронного проката и до более высоких частот. Конкретные варианты применения магнитомягких сплавов приведены в разделе Классификация в таблице 1.

Продукция

--> --> Основные виды полуфабрикатов, которые производятся из магнито-мягких сплавов, определяются дальнейшим применением данных материалов. Это, в основном, магнитопроводы, сердечники и прочие подобные электротехнические элементы. Соответственно, среди заготовок можно выделить листы, ленты (в том числе микронной толщины) и прутки.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Магнитомягкие сплавы

Магнитомягкие сплавы — ферромагнитные сплавы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса и поэтому малой коэрцитивной силой. Хотя магнитномягкие материалы не ограничены конкретным значением коэрцитивной силы, принимается, что она не превышает 10—12 Э.

При таком общем определении магнитомягких сплавов к ним нужно отнести трансформаторную сталь и другие электротехнические стали, в том числе железо, а также некоторые конструкционные и нержавеющие ферромагнитные стали. Однако в силу большой номенклатуры указанных сталей и сплавов, а также специфики их магнитных свойств и применения (относительно крупное электромашиностроение, трансформаторостроение и т. д.), как правило, их выделяют в самостоятельные группы.

По основным магнитным, электрическим, механическим свойствам и назначению описываемые здесь магнитомягкие сплавы можно разделить на 12 групп (табл. 1).

Магнитные свойства магнитомягких сплавов в постоянном поле определяются химическим составом, структурой и текстурой сплава после окончательной термической обработки. В свою очередь структура и текстура сплава зависят от способа изготовления. Некоторые свойства (намагниченность насыщения и температура Кюри) сравнительно слабо меняются при небольших изменениях состава и обычно не зависят от условий изготовления и термической обработки. Наоборот, такие характеристики, как проницаемость, коэрцитивная сила, потери на гистерезис, сильно зависят от этих факторов и более других физических свойств чувствительны к изменениям содержания примесей или условий и режима термической обработки. Поэтому их называют структурно чувствительными свойствами.

Структурно чувствительные свойства зависят также от химического состава, содержания примесей, неметаллических включений, температуры испытаний, кристаллической структуры, в том числе сверхструктуры и наведенной анизотропии, ориентации кристаллов, дефектов кристаллической решетки и напряжений. В зависимости от величины основных физических констант (констант анизотропии и магнитострикции), которые определяются общим составом сплава, указанные факторы могут в разной степени воздействовать на структурно чувствительные свойства. Иногда эти факторы действуют в противоположных направлениях, как например растягивающие и сжимающие напряжения в области предела упругости в сплавах с положительной или отрицательной магнитострикцией. Именно поэтому при изготовлении магнитномягких сплавов можно путем различных технологических операций (выплавка, горячая и холодная прокатки, промежуточная и окончательная термическая обработки) оказывать направленное воздействие на структуру, анизотропию (кристаллографическую или наведенную), тип и количество неметаллических включений, примесных атомов и другие факторы, постигая тем самым требуемого сочетания и уровня свойств.

В связи с этим технологический процесс изготовления магнитомягких сплавов, как правило, строго регламентирован начиная с подбора шихтовых материалов и кончая окончательной термической обработкой.

В настоящее время выплавку магнитомягких сплавов в промышленных условиях проводят в индукционных открытых и вакуумных печах, а также индукционных печах с контролируемой атмосферой. В некоторых случаях для получения экстремальных свойств используют различные виды переплава: электрошлаковый (ЭШ), электроннолучевой (ЭЛ), плазменно-дуговой (ПД).

Последующий передел слитков проводится с применением различных способов обработки. К их числу относятся ковка, горячая, теплая и холодная прокатка, волочение, термическая обработка, в контролируемых рафинирующих средах и вакууме и термомагнитная обработка (в продольном или поперечном магнитном поле).

В каждом частном случае технология выплавки и последующих операций определяется механизмом формирования конечных свойств в сплаве данного состава.

Нормируемые ГОСТом и техническими условиями свойства магнитомягких сплавов гарантируются после изготовления изделия (магнитопровода) из нагартованной ленты (листа, прутка), и термической обработки в нормируемых условиях по рекомендованному режиму. В связи с высокой чувствительностью основных магнитных свойств к локальным или макроскопическим воздействиям, вызывающим пластическую или упругую деформацию (вырубка, рихтовка пластин, резка и навивка ленты, зачистка, сверление отверстий, сварка, электроизоляционное покрытие и т. д.), все технологические операции по изготовлению магнитопровода необходимо проводить до окончательной термической обработки.

В некоторых случаях, как например при изготовлении головок магнитной записи, неизбежны операции после окончательной термической обработки, вызывающие возникновение напряжений (пропитка, механическая полировка). При этом нужно учитывать неизбежное снижение магнитных свойств, степень которого будет зависеть от технологии этих операций, а в конечном счете — от величины возникающих напряжений.

Магнитные свойства сердечников в переменных и импульсных полях в значительной степени зависят от качества электрической изоляции между витками витого или пластинами наборного сердечника. Электроизоляционное покрытие и технология его нанесения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) высокая однородность, сплошность и достаточное электрическое сопротивление при толщине покрытия 0,5—5 мкм (на сторону);

2) высокая термическая стойкость при температурах отжига 1100—1300°С в среде чистого сухого водорода или глубокого вакуума;

3) отсутствие химического взаимодействия или взаимной диффузии компонентов металла и покрытия.

Магнитомягкие сплавы изготовляют и поставляют в виде холоднокатаных лент толщиной от 0,0015 до 2,5 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков. Сплав 50НП изготовляют только в виде лент толщиной 0,02; 0,05 и 0,1 мм.

Размер и допускаемые отклонения для холоднокатаных лент толщиной 0,02—2,5 мм и горячекатаных листов, и прутков нормируются ГОСТ 10160—75 («Сплавы железоникелевые с высокой магнитной проницаемостью»), приведены в табл. 2 и 3 соответственно.

Аналогичные данные на ленту толщиной менее 0,02 мм нормируются техническими условиями и приводятся при описании сплавов.

Допускаемые ГОСТ 10160—75 отклонения по ширине лент приведены в табл. 4.

Сплавы поставляют в холоднокатаном состоянии без термической обработки. Для получения нормируемых магнитных свойств изделия из сплавов должны пройти термическую обработку, указываемую для каждого сплава.

Изложенные ниже материалы содержат данные о сортаменте и нормируемых свойствах, а также обширные справочные сведения о поведении сплавов в различных условиях эксплуатации. Приведены свойства сплавов в постоянных и переменных полях при воздействии положительных и отрицательных температур, при механических воздействиях. Кроме того, приведены данные о физических свойствах сплавов.

Магнитные свойства, приведенные в марочнике, соответствуют наиболее характерным свойствам, получаемым при изготовлении образцов и проведении термической обработки по рекомендациям ГОСТ или технических условий.

МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

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 Нс 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 Нс, трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность. Они обладают широкой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной слой Нс>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.

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

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 стальявляется 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.

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

Все вещества в природе являются магнетиками в том понимании, что они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем.

Магнитными называют материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств микрочастиц, структуры атомов и молекул.


Классификация магнитных материалов

Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные.

К слабомагнитнымотносят диамагнетики и парамагнетики.

К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми. Формально отличие магнитных свойств материалов можно охарактеризовать относительной магнитной проницаемостью.

Диамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых не обладают результирующим магнитным моментом. Внешне диамагнетики проявляют себя тем, что выталкиваются из магнитного поля. К ним относят цинк, медь, золото, ртуть и другие материалы.

Парамагнетиками называют материалы, атомы (ионы) которых обладают результирующим магнитным моментом, не зависящим от внешнего магнитного поля. Внешне парамагнетики проявляют себя тем, что втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относят алюминий, платину, никель и другие материалы.

Ферромагнетиками называют материалы, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Любое ферромагнитное тело разбито на домены – малые области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля, направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирующая намагниченность всего тела может быть равна нулю.


Магнитомягкие и магнитотвердые материалы

К магнитомягким материалам относят:

1. Технически чистое железо (электротехническая низкоуглеродистая сталь).

2. Электротехнические кремнистые стали.

3. Железоникелевые и железокобальтовые сплавы.

4. Магнитомягкие ферриты.

Магнитные свойства низкоуглеродистой стали (технически чистого железа) зависят от содержания примесей, искажения кристаллической решетки из-за деформации, величины зерна и термической обработки. По причине низкого удельного сопротивления технически чистое железо в электротехнике используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Электротехническая кремнистая сталь является основным магнитным материалом массового потребления. Это сплав железа с кремнием. Легирование кремнием позволяет уменьшить коэрцитивную силу и увеличить удельное сопротивление, то есть снизить потери на вихревые токи.

Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах или рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах - являются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов (сердечников).

Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент.

Железоникелевые сплавы называют пермаллоями. Они обладают большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых магнитных полей. Пермаллои применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и реле.

Ферриты представляют собой магнитную керамику с большим удельным сопротивлением, в 1010 раз превышающим сопротивление железа. Ферриты применяют в высокочастотных цепях, так как их магнитная проницаемость практически не снижается с увеличением частоты.

Недостатком ферритов является их низкая индукция насыщения и низкая механическая прочность. Поэтому ферриты применяют, как правило, в низковольтной электронике.

К магнитотвердым материалам относят:

1. Литые магнитотвердые материалы на основе сплавов Fe-Ni-Al.

2. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые путем прессования порошков с последующей термообработкой.

3. Магнитотвердые ферриты. Магнитотвердые материалы – это материалы для постоянных магнитов, использующихся в электродвигателях и других электротехнических устройствах, в которых требуется постоянное магнитное поле.

Читайте также: