Какими свойствами обладает магнитомягкие материалы
МАГНИТОМЯ́ГКИЕ МАТЕРИА́ЛЫ, магнитные материалы, способные намагничиваться в слабых магнитных полях (напряжённостью менее 800 А/м); обладают низкой коэрцитивной силой Hc (⩽ 100 А/м), большими начальной магнитной проницаемостью μa (до 105) и макс. магнитной проницаемостью μмакс (до 106). Разл. группы М. м. характеризуются рядом др. свойств: большой индукцией насыщения Bs (железо, электротехнич. стали, пермендюр), малыми магнитными потерями (ферриты, электротехнич. стали), прямоугольными петлями гистерезиса (перминвары, некоторые аморфные и нанокристаллич. материалы), большим электрич. сопротивлением ρ (магнитные диэлектрики, ферриты) и т. д. Такое разнообразие свойств обусловливает широкое применение М. м. в разл. областях техники.
В формировании свойств М. м. важное значение имеет магнитная доменная структура, которая образуется при темп-ре ниже Кюри точки TС. Перестройка доменной структуры под действием магнитного поля происходит в осн. за счёт движения доменных границ, обладающих большой подвижностью, зависящей от однородности материалов, наличия в них примесей, пустот, границ зёрен, внутр. напряжений. В некоторых случаях (особенно в высокочастотных полях) важны также процессы вращения вектора намагниченности. Свойства М. м. чувствительны к структурным особенностям материалов, вследствие чего их можно регулировать с помощью термич., термомагнитной и термомеханич. обработки образцов.
Существует большое разнообразие М. м., отличающихся разл. наборами осн. параметров (табл.). Классификация М. м. неоднозначна, хотя и может быть проведена, напр., по экстремальным величинам параметров или по конкретным областям применения. Так, можно выделить материалы, необходимые для работы в постоянных магнитных полях (железо, пермаллои), переменных магнитных полях малых частот (до 400 Гц) (электротехнич. стали), в полях высоких частот (104–108 Гц) (порошки карбонильного железа, пермаллоя, алсифера) и в полях сверхвысоких частот (ферриты).
| Основные параметры некоторых магнитомягких материалов | |||||||
| Материал | Основной состав, % по массе | Bs, Тл | Tc, C | ρ·106, Ом·м | μа·10-З | μмакс·10-3 | Hc, А/м |
| Железо техническое | около 0,2% примеси | 2,16 | 770 | 0,1 | 0,2 | 6 | 72 |
| Железо чистое | 0,05% примеси | 2,16 | 770 | 0,1 | 25 | 350 | 0,8 |
| Кремнистое железо | 96%Fe, 4%Si | 1,97 | 690 | 0,6 | 0,65 | 7 | 40 |
| Текстурированное кремнистое железо | 96,7%Fe, 3,3%Si | 2 | 740 | 0,47 | 1,5 | 40 | 8 |
| Алсифер | 85%Fe, 10%Si, 5%Al | 1 | 500 | 0,6 | 30 | 120 | 4 |
| 80-HM супермаллой | 15%Fe, 80%Ni, 5%Mo | 0,8 | 400 | 0,55 | 100 | 1000 | 0,4 |
| 45-пермаллой | 55%Fe, 45%Ni | 1,6 | 440 | 0,45 | 2,5 | 25 | 24 |
| Cr-пермаллой | 18%Fe, 78,2%Ni, 3,8%Cr | 0,8 | 420 | 0,65 | 12 | 62 | 4 |
| 79HM (молибденовый пермаллой) | 17%Fe, 79%Ni, 4%Mo | 0,84 | 450 | 0,5 | 40 | 200 | 1,6 |
| Перминвар* | 34%Fe, 43%Ni, 23%Co | 1,55 | 715 | 0,19 | 2,5 | 427 | 2,4 |
| КФ-ВИ (пермендюр) | 49%Fe, 49%Co, 2%V | 2,35 | 980 | 0,4 | 1 | 50 | 40 |
| Ni–Zn-феррит | 48,5%Fe2O3, 35,5%ZnO, 16%NiO | 0,2 | 130 | IO6 | 5 | 7,56 | 4 |
| Mn–Zn-феррит | (Mn, Zn)O • Fe2O3 | 0,35–0,4 | 170 | IO5 | 1 | 2,5 | 48 |
| 2НСР (аморфный)* | 78%Fe, 1%Ni, 9%Si, 12%B** | 1,45 | 426 | 1,3 | 10 | 15 | 5 |
| 71KHCP (аморфный)* | 5%Fe, 60%Co, 10%Ni, 10%Si, 15%B** | 0,5 | 250 | 1,35 | 20 | 150 | 0,8 |
| 82КЗХСР* (аморфный) | 3%Fe, 67%Co, 3%Cr, 15%Si, 12%B** | 0,43 | 140 | 1,8 | 100 | 300 | 0,4 |
| Файнмет | 73,5%Fe, 1%Cu, 3%Nb, 13,5%Si, 9%B** | 1,25 | 570 | 1,25 | 53 | 400 | 0,6 |
| * Термомагнитная обработка. ** Атомные проценты. | |||||||
Чистое железо обладает хорошими магнитомягкими свойствами, однако из-за малого электрич. сопротивления используется лишь в машинах, работающих на постоянных токах. Отличными магнитомягкими свойствами обладают пермаллои; они имеют высокую магнитную проницаемость (μa и μмакс) и низкую коэрцитивную силу, но, как и чистое железо, характеризуются низким электрич. сопротивлением, что ограничивает область их применения. Особые магнитомягкие свойства присущи супермаллою, который применяется в радиотехнике, телефонии, телемеханике.
Широко используются в технике электротехнич. стали с содержанием Si до 5%. Добавки кремния к железу снижают электрич. сопротивление электротехнич. сталей, а следовательно, и удельные потери электромагнитной энергии, что позволяет применять их в переменных полях с частотой до 400 Гц. Используются как изотропные (в генераторах и динамо-машинах), так и анизотропные (в силовых трансформаторах) электротехнич. стали, обладающие изотропной разориентацией осей зёрен и хорошей текстурой соответственно.
Важной характеристикой электротехнич. сталей является величина удельных потерь электромагнитной энергии, которые имеют гистерезисную и вихретоковую составляющие. Первая из них связана с причинами, приводящими к увеличению ширины петли гистерезиса (см. в ст. Гистерезис). Для силовых трансформаторов используют совершенные электротехнич. стали с хорошей текстурой. В них осн. роль играет вихретоковая составляющая удельных потерь, порождаемая движением доменной границы. Один из способов её уменьшения – увеличение содержания Si в сталях, что приводит к увеличению электрич. сопротивления, но при этом происходит нежелательное снижение индукции насыщения.
Установлено, что удельные потери пропорциональны ширине L доменов. В свою очередь, L пропорциональна корню квадратному из размера кристаллита. В холоднокатаных электротехнич. сталях обычно зёрна велики (до 10 мм и более) и текстура совершенна, что приводит к широким доменам и большим электромагнитным потерям. Эти потери снижают путём измельчения доменной структуры. Разработаны разл. способы такого измельчения (нанесение на листы магнитоактивных покрытий, обработка поверхности листа лазерным лучом и др.). Наилучшими свойствами обладают электротехнич. стали марки HI-B, имеющие на частоте переменного поля 50 Гц полные потери 0,8 Вт/кг и вихретоковые потери 0,45 Вт/кг (при индукции В = 1,7 Тл и толщине листа 0,18 мм).
В СВЧ-технике незаменимыми являются ферриты, которые обладают очень высоким электрич. сопротивлением и малыми потерями.
В кон. 20 – нач. 21 вв. широкое распространение получили аморфные и нанокристаллич. магнитомягкие сплавы на основе железа и кобальта. Технология получения аморфных сплавов проста, их производят в виде тонких лент. Они имеют очень высокие μa и μмакс. К недостаткам этих материалов относятся малая Bs (0,4-0,6 Тл) и низкая температурная и временнáя стабильность. Более удачными являются нанокристаллич. сплавы на основе Fe и Co. По своим свойствам они не уступают свойствам аморфных сплавов и даже в некоторых аспектах превосходят их. Так, μa и μмакс этих материалов сопоставимы с проницаемостями аморфных материалов, но они обладают высокой температурной и временнóй стабильностью и могут иметь Bs=1,25 Тл.
В особые группы М. м. можно выделить магнитострикционные материалы, магнитодиэлектрики (см. в ст. Магнитные диэлектрики) и термомагнитные материалы – ферромагнитные сплавы (Ni–Fe, Ni–Cu, Ni–Fe–Cr и др.) с сильной зависимостью Bs от темп-ры в определённом магнитном поле. Последние применяют, напр., в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры.
Магнитомягкие материалы, обладая высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформаторов, в электромагнитах, в измерительных приборах и везде, где необходимо при наименьших затратах достигнуть наибольшей индукции. В настоящее время выпускается много разновидностей магнитомягких материалов, мы рассмотрим электротехническую сталь и пермаллои.
Электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. Если в железо добавить кремний, то изменяются следующие свойства:
а) увеличивается удельное сопротивление (следовательно, снижаются потери на вихревые токи). Удельное сопротивление при увеличении кремния до 5 % увеличивается от 0,1·10-6 до 0,6·10-6;
б) увеличиваются начальная магнитная проницаемость µн (при Н = 0) и максимальная магнитная проницаемость µmax;
в) уменьшается коэрцитивная сила (следовательно, уменьшаются потери на гистерезис);
г) ухудшаются механические свойства, увеличивается хрупкость (при содержании кремния выше 5 % она становится непригодной для штамповки).
Ферромагнитные материалы характеризуются также магнитной анизотропией, выражающейся в различной легкости намагничивания вдоль различных осей. Анизотропия может усиливаться во время обработки стали.
Различают горячекатаную и холоднокатаную стали. При горячей прокатке происходит лишь слабая ориентация зёрен в направлении проката, сталь имеет незначительную анизотропию. При прокатке в холодном состоянии магнитные свойства в направлении проката улучшаются, но ухудшаются в поперечном направлении проката. Такую сталь нужно использовать так, чтобы магнитный поток проходил по направлению проката, так как сталь имеет резкую анизотропию.
Электротехническая сталь делится на марки: Э-1312, Э-2011 и т. д. Эти марки расшифровываются следующим образом:
– буква Э – электротехническая сталь;
– первая цифра: 1 – горячекатаная изотропная,
2 – холоднокатаная изотропная,
3 – холоднокатаная анизотропная;
– вторая цифра – примерное содержание кремния в процентах;
– третья и четвертая цифры – характеризует сталь по некоторым электрическим и магнитным свойствам (гарантируется значение в определенном диапазоне).
В настоящее время холоднокатаная сталь нашла более широкое применение, чем горячекатаная.
Пермаллои – это железоникелевые сплавы, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей и узким гистерезисным циклом.
Пермаллои используются для изготовления сердечников дросселей, реле, измерительных трансформаторов и т.д. Различают высоконикелевые (72–80 % Ni) и низконикелевые (40–50 % Ni) пермаллои. В сплавы, кроме железа и никеля, также входят добавки молибдена, хрома, меди, марганца, кремния и т. д. Содержание никеля зависит от того, для каких целей будет использоваться пермаллой. Если сердечник предназначен для работы на высоких частотах, то предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои, так как у них удельное сопротивление почти в три раза больше, чем у высоконикелевых пермаллоев.
У высоконикелевых пермаллоев выше значения магнитной проницаемости: µн и µmax. Они применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов и реле. Стоимость высоконикелевых пермаллоев больше чем низконикелевых, поскольку никель дорог.
ЛЕКЦИЯ №13
Ферриты
Ферриты представляют собой системы из окислов железа и окислов двухвалентных и реже одновалентных металлов, соответствующие общей формуле , где Ме – символ двухвалентного металла (никель, цинк, марганец, кобальт, барий и т.д., иногда одновалентный литий). Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку, подобную решетке шпинели, встречающейся в природе.
Технология изготовления ферритов оказывает существенное влияние на свойства готовых изделий. В промышленности в основном используется метод смешивания оксидов металлов. Исходные оксиды взвешивают, тонко измельчают и тщательно перемешивают в шаровых или вибрационных мельницах. Затем осуществляют предварительный обжиг при температуре ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол. Для улучшения пластичности в порошок добавляют пластификаторы (поливиниловый спирт, парафин и др.). Из полученной массы прессуют под большим давлением изделия требуемой формы и обжигают при температуре 1 100–1 400 оС в окислительной среде (обычно в воздухе). При этом про-исходит спекание и образование твёрдых растворов ферритов. Усадка ферритов при обжиге может достигать 20 %. Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Их можно шлифовать и полировать, резать можно только инструментом из синтетических алмазов.
Магнитомягкие ферриты. В настоящее время основное применение нашли следующие группы смешанных ферритов:
– марганец-цинковые;
– никель-цинковые;
– литий-цинковые.
Максимальная индукция феррита составляет 0,3 Тл, поэтому в сильных магнитных полях их применять нецелесообразно. Но у них большое магнитное сопротивление (в 106 – 1011 раз больше электротехнической стали), поэтому они нашли широкое применение при повышенных и высоких частотах. Они используются для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных электродвигателей и т. д.
Обозначение ферритов:
– первая цифра означает численное значение начальной магнитной проницаемости µн;
– первые буквы: Н – ферриты для низких частот (от 0,2 до 20 МГц),
ВЧ – ферриты для высоких частот (от 20 до 300 МГц);
– следующие буквы обозначают состав материала:
М – марганец-цинковые,
Н – никель-цинковые и т. д.
Примеры обозначения: 1 000 НН, 6 000 НМ, 150 ВЧ.
Ферриты, как и электротехническая сталь, имеют точку Кюри, при которой разрушается доменная структура. Точка Кюри для магнитомягких ферритов лежит в диапазоне 70 – 400 оС.
Магнитотвёрдые ферриты применяются для магнитов в электродинамических громкоговорителях, для микродвигателей, измерительных приборов. Известны кобальтовые и бариевые ферриты.
Кобальтовые ферриты применяются ограниченно из-за дефицитности и дороговизны кобальта, а также недостаточно высоких магнитных свойств по сравнению с более дешёвыми бариевыми ферритами.
Бариевые магниты дешевы, имеют большое удельное сопротивление, устойчивы к действию внешних размагничивающих полей. Но они отличаются большой хрупкостью и не способны к обычным видам механической обработки. Кроме того, они имеют необратимое изменение магнитных свойств после охлаждения их от комнатной до низких температур (-60 оС) и последующего нагревания до первоначальной температуры.
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях выгоднее, чем электрические. Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на группы:
– легированные мартенситные стали;
– литые магнитотвердые сплавы;
– магниты из порошков.
Характеристиками материалов для постоянных магнитов служат: коэрцитивная сила Нс; остаточная индукция Вr; максимальная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство Wmax.
Величины коэрцитивной силы Нс с остаточной индукцией Вr определяются на петле гистерезиса (рис.12,б). Поясним, что такое максимальная энергия Wmax .Если магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то магнитная энергия находится внутри его. Если убрать внешнее поле, то остаточная индукция в магните будет равна Вr. Возьмём кольцевой сердечник, намагнитим его, после этого выпилим из него кусок длиной d. Такого вида сердечники используют в приборах и в реле.
В результате объём магнитного материала уменьшился, следовательно, уменьшится и магнитный поток. Индукция внутри магнита снизится до величины Вd, которая меньше Вr (индукция в магните и воздухе одинакова и составляет значение Вd, но напряжённость магнитного поля (Н) в воздухе больше в 1/µ0 раз).
Удельная магнитная энергия (Дж/м3) поля, создаваемая в воздушном зазоре магнита, равна Wd = , где Нd – напряжённость поля, соответствующая индукции Вd ,А/м.
Зазор нужно взять оптимальным, чтобы энергия в воздушном зазоре была максимальной Wmax. Величина Wmax является важнейшей при оценке качества материала.
Легированные мартенситные стали. Эти стали являются наиболее простыми и доступными для изготовления постоянных магнитов. Мартенситные стали начали применять для производства постоянных магнитов раньше всех других материалов. Стали легируются следующими добавками: кобальта (до 15 %), хрома (до 3 %), вольфрама (до 8 %). У них низкое значение Wmax = (1–4) кДж/м3. В настоящее время они имеют ограниченное применение в виду их невысоких магнитных свойств, но полностью от них не отказываются, так как они дёшевы и допускают механическую обработку на металлорежущих станках. Наличие добавок в стали можно определить по марке стали. Например, сталь ЕХ легирована хромом. Другие добавки обозначаются следующими буквами: вольфрам – В, молибден – М, кобальт – К. Цифры указывают процентное содержание элемента, например, ЕХ3 (3% хрома).
Литые магнитотвердые стали. В этой группе наибольшее распространение получили тройные сплавы: железо-никель-алюминий (Fe-Ni-Al). Они имеют большую магнитную энергию, чем мартенситные стали. Для улучшения магнитных свойств эти сплавы легируют: кобальтом (2–40 %), медью (2–8 %), титаном (0–9 %), ниобием, кремнием. Магнитная энергия лучших сплавов достигает Wmax = 40 кДж/м3.
Изделия из этих сплавов получают в основном методом литья, недостатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твёрдость, поэтому обработка на металлорежущих станках затруднена. В основном их обрабатывают шлифовкой.
Магниты из порошков. Невозможность получить особенно мелкие изделия со строго выдержанными размерами из литых сплавов обусловила использование методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Среди них рассмотрим следующие виды магнитов:
а) металлокерамические магниты (получены из измельченных сплавов типа Аl-Ni-Fe);
б) металлопластические магниты (получены из сплавов типа Аl-Ni-Fe и связующего материала).
Металлокерамические магниты изготавливают из измельченных порошков сплавов Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co, Fe-Co-Ni-Al путем прессования и дальнейшего спекания при высоких температурах. Такой способ выгодно применять для производства мелких магнитов и магнитов сложной конфигурации, так как при такой технологии получаются достаточно точные размеры, и дальнейшая обработка не требуется. Металлокерамические магниты обычно имеют пористость 3 – 5 %, а запасенная магнитная энергия и остаточная индукция у них на 10–20 % ниже, чем у литых магнитов из соответствующего сплава. Зато по механической прочности они превосходят литые магниты в 3 – 6 раз.
Металлопластические магниты, как и металлокерамические, получают из металлического порошка сплавов типа Аl-Ni-Fe, смешанных с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смолы). Процесс изготовления магнитов заключается в прессовании смеси под давлением
500 МПа, нагревании заготовок до температуры 120–180 оС для полимеризации диэлектрика. Магнитные свойства металлопластических магнитов довольно низкие. Коэрцитивная сила у них по сравнению в литыми магнита-
ми из соответствующего сплава ниже на 10–15 %, остаточная индукция – на
35–50 %, а запасенная магнитная энергия – на 40–60 %.
Понижение магнитных свойств объясняется большим содержанием (до 30%) немагнитного связующего вещества. Однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью. Благодаря высокому электрическому сопротивлению их можно применять в аппаратуре для переменного магнитного поля повышенной частоты.