Обновлено: 14.05.2024

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 (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 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 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,

-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 .

Магнитные материалы, применяемые для изготовления электрических аппаратов

Для изготовления магнитопроводов в аппаратостроении и приборостроении применяются следующие ферромагнитные материалы: технически чистое железо, качественная углеродистая сталь, серый чугун, электротехническая кремнистая сталь, железоникелевые сплавы, железокобальтовые сплавы и др.

Рассмотрим кратко некоторые их свойства и возможности применения.

Технически чистое железо

Для магнитных цепей реле, электроизмерительных приборов, электромагнитных муфт, магнитных экранов и т. п. широко используется технически чистое железо. Этот материал имеет очень малое содержание углерода (меньше 0,1%) и минимальное количество марганца, кремния и других примесей.

К таким материалам обычно относят: армко-железо, чистое шведское железо, электролитическое и карбонильное железо и т. п. Качество чистого железа зависит от незначительных долей примеси.

Наиболее вредное влияние на магнитные свойства железа оказывают углерод и кислород. Получение химически чистого железа сопряжено с большими технологическими трудностями и является сложным и дорогим процессом. Специально разработанная в лабораторных условиях технология с двукратным высокотемпературным отжигом в водороде позволила получить монокристал чистого железа с исключительно высокими магнитными свойствами.

Наибольшее распространение нашла сталь типа армко , полученная мартеновским способом. Этот материал имеет достаточно высокую магнитную проницаемость, значительную индукцию насыщения, сравнительно невысокую стоимость и вместе с тем обладает хорошими механическими и технологическими свойствами.

Низкое электрическое сопротивление стали армко прохождению вихревых токов, увеличивающих время срабатывания и отпускания у электромагнитных реле и муфт, принято считать крупным недостатком. В то же время при использовании этого материала для электромагнитных реле времени это свойство, наоборот, является положительным фактором, так как позволяет получить исключительно простыми средствами сравнительно большие замедления работы реле.

Промышленность производит три марки листовой технически чистой стали типа армко: Э, ЭА и ЭАА. Они отличаются величинами максимальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы.

Углеродистые стали выпускаются в виде прямоугольных, круглых и других сечений, из них также отливаются детали различного профиля.

Для магнитных систем серый чугун, как правило, не применяется вследствие плохих магнитных свойств. Использование его для мощных электромагнитов может быть оправдано экономическими соображениями. Он также применяется для оснований, плат, стоек и других деталей.

Чугун хорошо отливается и легко обрабатывается. Ковкий чугун, специальным образом отожженный, а также некоторые сорта серого легированного чугуна обладают достаточно удовлетворительными магнитными свойствами.

Электротехнические кремнистые стали

Тонколистовая электротехническая сталь получила широкое применение в электроприборостроении и аппаратостроении и используется для всевозможных электроизмерительных приборов, механизмов, реле, дросселей, феррорезонансных стабилизаторов и других устройств, работающих на переменном токе с нормальной и повышенной частотой. В зависимости от технических требований к потерям в стали, магнитным характеристикам и применяемой частоте переменного тока выпускается 28 марок тонколистовой стали толщиной от 0,1 до 1 мм.

Для увеличения электрического сопротивления вихревым токам в состав стали добавляется различное количество кремния и в зависимости от его содержания получают: слаболегированные, среднелегированные, повышеннолегированные и высоколегированные стали.

При введении кремния потери в стали уменьшаются, магнитная проницаемость в слабых и средних полях возрастает, а коэрцитивная сила уменьшается. Примеси (в особенности углерод) в этом случае влияют слабее, старение стали уменьшается (потери в стали с течением времени изменяются слабо).

Применение кремнистой стали улучшает стабильность работы электромагнитных механизмов, увеличивает быстродействие на срабатывание и отпускание и уменьшает возможность «залипания» якоря. В то же время с введением кремния ухудшаются механические свойства стали.

При значительном содержании кремния (более 4,5%) сталь делается хрупкой, твердой и трудно обрабатываемой. Мелкие штамповки дают значительный брак и быстрый износ штампа. Увеличение содержания кремния также снижает индукцию насыщения. Кремнистые стали выпускаются двух видов: горячекатаные и холоднокатаные.

Холоднокатаные стали имеют различные магнитные свойства в зависимости от кристаллографических направлений. Их подразделяют на текстурованные и малотекстурованные. Текстурованные стали обладают несколько лучшими магнитными свойствами. Холоднокатаная сталь по сравнению с горячекатаной имеет более высокую магнитную проницаемость и низкие потери, но при условии, если магнитный поток совпадает с направлением прокатки стали. В противном случае магнитные свойства стали значительно снижаются.

Применение холоднокатаной стали для тяговых электромагнитов и других электромагнитных устройств, работающих при сравнительно высоких индукциях, дает значительную экономию в н. с. и потерях в стали, что позволяет уменьшить общие габариты и вес магнитной цепи.

Согласно ГОСТ буквы и цифры отдельных марок сталей обозначают: 3 - электротехническая сталь, первая за буквой цифра 1, 2, 3 и 4 указывает степень легирования стали кремнием, а именно: (1 - слаболегированная, 2 - среднелегированная, 3 - повышеннолегированная и 4 - высоколегированная.

Вторая за буквой цифра 1, 2 и 3 обозначает величину потерь в стали на 1 кг веса при частоте 50 гц и магнитной индукции В в сильных полях, причем цифра 1 характеризует нормальные удельные потери, цифра 2 - пониженные и 3 - низкие. Вторая за буквой Э цифра 4, 5, 6, 7 и 8 указывает: 4 - сталь с удельными потерями при частоте, равной 400 гц, и магнитной индукции в средних полях, 5 и 6 - сталь с магнитной проницаемостью в слабых полях от 0,002 до 0,008 а/см (5 - с нормальной магнитной (проницаемостью, 6 - с повышенной), 7 и 8 - сталь с магнитной проницаемостью в средних (полях от 0,03 до 10 а/см (7 - с нормальной магнитной проницаемостью, 8 - с повышенной).

Третья по порядку следующая за буквой Э цифра 0 обозначает, что сталь холоднокатаная текстурованная, третья и четвертая цифры 00 указывают, что сталь холоднокатаная малотекстурованная.

Например, сталь Э3100 является повышеннолегированной холоднокатаной малотекстурованной с нормальными удельными потерями при частоте 50 гц.

Буква А, поставленная после всех этих цифр, обозначает особо низкие удельные потери в стали.

Для трансформаторов тока и некоторых видов аппаратов связи, магнитные цепи которых работают при очень малых индукциях.

Эти сплавы, известные также под названием пермаллоев , главным образом применяются для изготовления аппаратов связи и автоматики. Характерными свойствами пермаллоев являются: большая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, малые потери в стали, а для ряда марок - наличие, кроме того, прямоугольной формы петли гистерезиса.

В зависимости от соотношения железа и никеля, а также содержаний других компонентов, железоникелевые сплавы выпускаются нескольких марок и имеют различные характеристики.

Железоникелевые сплавы изготавливаются в виде холоднокатаных термически необработанных лент и полос толщиной 0,02 - 2,5 мм различной ширины и длины. Выпускаются также горячекатаные полосы, прутки и проволоки, но они не нормируются.

Из всех марок пермаллоев сплавы с содержанием никеля 45-50% обладают наиболее высокой индукцией насыщения и сравнительно высоким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому эти сплавы позволяют получить при небольших воздушных зазорах необходимое тяговое усилие электромагнита или реле при малых потерях н. с. на сталь и вместе с тем обеспечить достаточное быстродействие.

Для электромагнитных механизмов весьма существенным является остаточная тяговая сила, получаемая за счет коэрцитивной силы магнитного материала. Применение пермаллоя дает снижение этой силы.

Сплавы марок 79НМ, 80НХС и 79НМА, обладающие очень малой коэрцитивной силой, весьма высокими магнитной проницаемостью и удельным электрическом сопротивлением, могут быть использованы для магнитных цепей высокочувствительных электромагнитных, поляризованных и других реле.

Применение пермаллоев марок 80НХС и 79НМА для маломощных дросселей с малым воздушным зазором дает возможность получить весьма большие индуктивности при малых по объему и весу магнитопроводах.

Для более мощных электромагнитов, реле и других электромагнитных устройств, работающих при сравнительно большой н. с, пермаллой не имеет особых преимуществ перед углеродистыми и кремнистыми сталями, так как индукция насыщения значительно ниже, а стоимость материала выше.

Промышленное применение получил сплав, состоящий из 50% кобальта, 48,2% железа и 1,8% ванадия (известен под названием пермендюр). При сравнительно небольших н. с. он дает наибольшую индукцию из всех известных магнитных материалов.

В слабых полях (до 1 а/см) индукция пермендюра ниже индукции горячекатаных электротехнических сталей Э41, Э48 и в особенности холоднокатаных электротехнических сталей, электролитического железа и пермаллоя. Потери на гистерезис и вихревые токи пермендюра сравнительно велики, а удельное электрическое сопротивление относительно мало. Поэтому этот сплав представляет интерес для изготовления электрической аппаратуры, работающих при большой магнитной индукции (электромагниты, динамические репродукторы, мембраны телефонов и т. п.).

Например, для тяговых электромагнитов и электромагнитных реле применение его при малых воздушных зазорах дает определенный эффект. Заданное тяговое усилие можно получить при меньших габаритах магнитной цепи.

Материал этот выпускается в виде холоднокатаных листов толщиной 0,2 - 2 мм и прутков диаметром 8 - 30 мм. Существенным недостатком железокобальтовых сплавов является их высокая стоимость, вследствие сложности технологического процесса и значительной стоимости кобальта. Кроме перечисленных материалов, в электрических аппаратах используются и другие, например железоникелекобальтовые сплавы, которые имеют постоянную магнитную проницаемость и очень малые потери на гистерезис в слабых полях.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Электротехнические стали. Марки, свойства и области применения

Электротехнические стали (ЭТС) – класс ферромагнитных материалов, применяющихся для изготовления магнитно-активных частей электромашин и приборов, вырабатывающих и преобразующих электрическую энергию: генераторов, трансформаторов, электродвигателей, реле, электромагнитов. По способу изготовления ЭТС делятся на горячекатаные и холоднокатаные. Несмотря на то что химический состав ЭТС обычно не нормируется, они распределяются на группы в зависимости от массовой доли главного легирующего элемента (кремний или кремний совместно с алюминием), как это показано в табл. 1.

Стали могут изготовляться с незащищённой металлической поверхностью или иметь электроизоляционное покрытие. Термостойкость обозначается в марке буквой Т, улучшение штампуемости – буквой Ш, нетермостойкое покрытие – буквой Н. Если для листовой стали проводился контроль внутренних дефектов, то добавляется буква У.

Обозначение марки стали состоит из четырёх- пяти цифр с возможным добавлением одной-двух букв.

Первая цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки:

• 1 – горячекатаная изотропная,
• 2 – холоднокатаная изотропная,
• 3 – холоднокатаная анизотропная.

Вторая цифра – группа стали по содержанию кремния (см. табл. 1).

Третья цифра – вид стали по основным нормируемым характеристикам магнитных свойств.

• при цифре 0 – это величина удельных магнитных потерь при частоте тока в 50 Гц и индукции 1,7 Тл, а также индукция при напряжённости поля 100 А/м;
• при цифре 1 – величина удельных магнитных потерь при частоте тока в 50 Гц и индукции 1 и 1,5 Тл, а также индукция при напряжённости поля 2500 А/м;
• при цифре 2 – величина удельных магнитных потерь при частоте тока от 200 Гц и индукции 0,75, 1 и 1,5 Тл;
• при цифре 6 – величина индукции в слабых полях при напряжённости поля 0,4 А/м;
• при цифре 7 – величина индукции в сильных полях при напряжённости поля 10 А/м;
• цифра 8 характеризует релейные стали.

Таким образом, первые три цифры определяют тип стали. Для всех сталей, кроме релейных, четвёртая (последняя) цифра означает уровень основных нормируемых характеристик: 1 – нормальный, 2 – повышенный, 3 – высокий, 4 и более – высшие уровни.

Для релейных сталей четвёртая и пятая цифры задают величину их характеристики (значение коэрцитивной силы в А/м).

По сортаменту и видам продукции ЭТС подразделяются следующим образом:

• для электромашин промышленной частоты тока (трансформаторы, генераторы, электродвигатели) они выпускаются в виде рулонов, листов и резаных лент;
• для аппаратов, работающих при повышенных частотах тока, – в виде лент;
• для магнитопроводов машин и приборов, работающих в режиме включение – отключение (реле, пускатели, электромагниты), – в виде листов, рулонов, лент и профилей из релейных сталей.

Ниже (табл. 2–5) приводятся основные показатели магнитных свойств (удельные магнитные потери, индукция и её разброс) ЭТС различных типов. Здесь и далее частота задаётся в герцах, магнитная индукция – в теслах. Таким образом, например, Р_1,5/50 означает величину удельных магнитных потерь в Вт/кг при магнитной индукции, равной 1,5 Тл, и частоте тока 50 Гц.

Для релейных сталей содержание основных элементов обычно не должно превышать: 0,04% углерода; 0,3% кремния; 0,3% марганца.

В настоящий момент производятся 20 марок таких сталей, их магнитные свойства должны соответствовать нормам, приведённым в табл. 5.

Магнитные материалы

К магнитным материалам относятся материалы с упорядоченной магнитной структурой и большой магнитной восприимчивостью: ферромагнетики и ферримагнетики. Комплекс магнитных свойств магнитного материала описывается кривыми намагничивания-размагничивания (зависимостью индукции в материале от напряженности переменного магнитного поля) – петлями гистерезиса (hysteresis – отставание, запаздывание). Наиболее информативной является предельная петля гистерезиса, когда индукция в материале достигает максимально возможного значения для взятого образца (материал полностью намагничен). Предельная петля гистерезиса определяет следующие параметры магнитного материала:

- начальная магнитная проницаемость, μ_нач (при напряженности магнитного поля на начальной кривой намагничивания близкой к нулю);

- максимальная магнитная проницаемость,μ_макс (в точке кривой намагничивания с максимальным значением производной);

- индукция насыщения , В_нас (индукция полного намагничивания образца);

- остаточная индукция , В_ост (индукция на кривой размагничивания при напряженности магнитного поля, равной нулю);

- коэрцитивная сила , Н_с (напряженность магнитного поля на кривой размагничивания при индукции в образце равной нулю);

- магнитные потери на гистерезис – потери энергии на перемагничивание, пропорциональные площади, охватываемой петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса представлена на рисунке:

92. От чего зависит значение магнитной проницаемости магнитных материалов?

Магнитная проницаемость – это производная индукции в материале по напряженности внешнего магнитного поля, и её значение зависит от этих параметров. При напряженности внешнего магнитного поля близкой к нулю магнитные моменты доменов материала образуют замкнутые магнитные цепи, что является причиной малых значений магнитной проницаемости (порядка 10 2 ), называемой начальной – μ_нач . При росте напряженности внешнего магнитного поля домены материала перестраиваются, направление суммарного магнитного момента все больше соответствует направлению внешнего поля. Магнитная проницаемость достигает максимального значения - μ_макс. При дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля перестройка доменов постепенно заканчивается и магнитная проницаемость снижается до 1.

93. Что такое «индукция насыщения»?

Индукция насыщения, В_нас – значение индукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напряженности магнитных полей, соответствующих намагниченности технического насыщения , к нулевому значению напряженности магнитного поля.

При намагниченности технического насыщения магнитная перестройка материала завершилась, и его магнитная проницаемость приблизилась к 1.

94. Что такое «остаточная индукция»?

Остаточная индукция – индукция, сохраняющаяся в магнитном материале после намагничивания его до намагниченности технического насыщения и уменьшения напряженности поля в нем до нуля.

95. Что такое «коэрцитивная сила»?

Коэрцитивная сила по индукции – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной индукции от остаточной до нуля.

Коэрцитивная сила по намагниченности – величина, равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагниченности от остаточной до нуля.

96. По какому параметру различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы?

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы различают по значению коэрцитивной силы. Условная граница – 4000 А/м.

У магнитомягких материалов коэрцитивная сила, как правило, ниже 800 А/м. Эти материалы используются, например, для магнитопроводов электрических машин переменного тока, и малая коэрцитивная сила обусловливает малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы имеют коэрцитивную силу более 4000 А/м. Они имеют также большую остаточную индукцию и используются как материалы для постоянных магнитов.

Магнитомягкие материалы имеют малую площадь петли гистерезиса, а магнитотвердые – большую.

97. Назовите виды магнитных потерь.

Потери на перемагничивание (на гистерезис) – потери энергии, нагревающие магнитный материал и связанные с перестройкой доменов в переменном магнитном поле. Удельная мощность потерь, расходуемых на гистерезис, пропорциональна максимальному значению индукции В_макс (возникающей материале при перемагничивании) в степени 1,6…2,0 и частоте, f:

Потери на вихревые токи – потери энергии, нагревающие магнитный материал и обусловленные индуктированными в нем переменным магнитным полем вихревыми токами, бǒльшими при бǒльшей электропроводности материала. Удельная мощность потерь, расходуемых на вихревые токи, пропорциональна квадрату максимального значения индукции В_макс (возникающей материале при перемагничивании) и квадрату частоты, f:

98. Перечислите известные Вам виды магнитных материалов.

- магнитотвердые закаливаемые стали;

- магнитные материалы специального назначения (термомагнитные, магнитострикционные, с прямоугольной петлёй гистерезиса и т.д.).

99. Что такое «электротехническая сталь»?

Начальная магнитная проницаемость электротехнической стали лежит в пределах 200…300; максимальная магнитная проницаемость может достигать десятка тысяч; индукция насыщения не превышает 2 Тл.

100. Что такое «феррит»?

Феррит – это керамический магнитный материал, кристаллическая решетка которого состоит из окисла железа (Fe₂O₃) и окислов других (одного-трех) металлов. Начальная магнитная проницаемость ферритов лежит в пределах от 10 до нескольких тысяч; максимальная магнитная проницаемость может достигать десятка тысяч; индукция насыщения не превышает 1 Тл.

101. По какому параметру ферриты принципиально отличаются от электротехнических сталей?

Основное отличие ферритов от электротехнических сталей состоит в том, что ферриты – это слабопроводящие материалы. Удельное электрическое сопротивление ферритов лежит в пределах от 0,02 до 10 12 Ом×м, а у электротехнических сталей – (0,14…0,6)10 -6 Ом×м. В результате потери на вихревые токи в ферритах практически отсутствуют, поскольку мощность потерь обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению материала. Это позволяет использовать магнитомягкие ферриты для магнитопроводов высокочастотных устройств.

Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния

Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.

В зависимости от способа изготовления чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.

Карбонильное железо используется, главным образом, в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.

Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.

По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные (горячекатаные), которые имеют изотропные свойства, и на текстурованные (холоднокатаные), которые имеют магнитную текстуру, вследствие чего они являются анизотропными.

По содержанию кремния электротехнические листовые стали делятся на:

- стали с содержанием кремния от 0,7 до 1,8%. Используются для изготовления деталей электрических машин, работающих в постоянном магнитном поле;

- стали с содержанием кремния от 1,8 до 2,8%. Используются в электрических машинах переменного тока;

- стали с содержанием кремния от 2,8 до 4,8%. Используются, главным образом, для изготовления магнитопроводов трансформаторов.

Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)

К материалам с высокой начальной проницаемостью относится группа сплавов железа и никеля с содержанием никеля от 35 до 80%, известных под названием пермаллои. Наряду с совершенно чистым железом это наиболее ярко выраженные магнитомягкие материалы вообще. Сплав супермаллой с приблизительным составом 79% Ni, 15% Fе, 5% Мо, 0,5% Мn имеет максимальную относительную проницаемость до 2 10 6 при незначительной коэрцитивной силе H_с=0,2 А/м.

Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость (содержат дефицитные металлы), необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.

Материалы с постоянной магнитной проницаемостью отличаются узкой петлей гистерезиса. Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемостью является перминвар (состав: 45% Ni, 29,4% Fе, 25% Со и 0,6% Mn). Сплав подвергают отжигу при 1000 °С, после чего выдерживают при 400 - 500 °С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу, начальная магнитная проницаемость перминвара равна 300 и сохраняет постоянное значение в интервале напряженности поля до 250 А/м при индукции 0,1 Тл. Перминвар недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям. Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изопермом, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь. Изоперм имеет магнитную проницаемость 30-80, которая мало изменяется в поле напряженностью до нескольких сот ампер на метр.

Наибольшей магнитной индукцией насыщения наряду с кремнистыми электротехническими сталями с низким содержанием кремния отличаются материалы типа пермендюр на основе железокобальтовых сплавов, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, т.е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Это сплавы железа с кобальтом при содержании кобальта от 49 до 70%, легированные ванадием (2%).

Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т.д.

Читайте также:

  
• Чем резать быстрорежущую сталь
  
• Сталь 35хгса термообработка твердость
  
• Гост на стальные мойки
  
• Билд висп стальной путь
  
• Макс из живая сталь