Магнитные свойства выше у сплава с какой структурой
Перминвар — тройной сплав (25%Со, 45%Ni, остальное – Fe). Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300А/м. Индукция насыщения достигает 1,55Тл. Применение его ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.
Пермендюр — сплав Fe-Со, который состоит из 30-50% кобальта, 1,5-2%V и остальное – Fe. Этот сплав может работать в магнитных полях с напряженностью 24000А/м и обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения до 2,43Тл.
Пермендюр из-за высокой стоимости применяется только в специализированной аппаратуре: для изготовления мембран телефонов, осциллографах и т. д.
В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый сплав – кальмаллой, железоникелевый – термаллой, железоникель-хромовый компенсатор.
В этих материалах с увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре магнита падает. Недостатком кальмаллоя является низкая индукция насыщения, для повышения ее в кальмаллой добавляют присадки железа. Для расширения работы в области низких температур железо-никелевые сплавы легируют хромом. Такие сплавы называют компенсаторами.
Аморфные магнитные материалы (АММ). Такие материалы получаются при быстром охлаждении из расплавленного состояния без кристаллизации со скоростью охлаждения до 106 °С/с. Эти материалы обладают высокими магнитными свойствами с повышенным сопротивлением. К ним относятся сплавы железа и никеля с добавками хрома, молибдена, бора, кремния, фосфора.
АММ можно использовать в различных типах специальных трансформаторов, в магнитных усилителях, воспроизводящих и записывающих головках.
Магнитодиэлектрики –материалы, состоящие из конгломерата частиц низкокоэрцитивного магнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком, который играет роль и связующего элемента. Так как частицы ферромагнитной фазы изолированы, то магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревые токи, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Они характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.
Электрическая изоляция ферромагнитных частиц производится жидким стеклом, различными смолами (полистиролом, фенолформальдегидной смолой). Размеры ферромагнитных частиц составляют d=10-2-10-4см.
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 нолях, близких по значению к коэрцитивной силе, и используются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике, так как их магнитная проницаемость слабо зависит от частоты
Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением в 103-1013 раз больше сопротивления ферромагнитных металлов.
Химический состав ферритов может быть записан химической формулой MeO-Fe203 или Me2+Fe23+O42-, где используются двухвалентные ионы металлов: Мn2+, Fе2+ , Co2+, Ni2+, Zn2+, Cd2
Название ферритов определяют по хорактеризующему металлическому иону, например NiFe204 – никелевый феррит, ZnFe204 – цинковый феррит. Структура феррита аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl2O4, поэтому их называют феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой плотнейшую упаковку образуют относительно большие ионы кислорода (ионный радиус 0,132нм). Металлические ионы с меньшим ионным радиусом (0,04-0,1нм), располагаются в промежутках между ионами кислорода. В структуре типа шпинели существует два типа промежутков: тетраэдрические — образованные четырьмя ионами кислорода, и октаэдрические, образованные шестью ионами кислорода. В центрах этих промежутков находятся ионы металла.
В элементарной кубической ячейке содержится 64 тетраэдрических и 32 октаэдрических промежутка. В структуре шпинели ионами металла занято восемь тетраэдрических (A-узлы), и 16 октаэдрических (B-узлы) промежутка.
Распределение ионов двух- и трехвалентного металла по узлам кристаллической решетки оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритов. В зависимости от распределения ионов металла рассматривают три типа шпинелей:
а) нормальная шпинель – в А-узлах размещены ионы двухвалентного металла, а в В-узлах – ионы трехвалентного железа. Химическая формула:
Me2+[Fe23+]O42-
б) обращенная шпинель – A-узлах находится часть ионов трехвалентного железа, а в B-узлах – оставшаяся часть ионов трехвалентного железа и ионы двухвалентного металла, химическая формула:
Fe3+[Me2+Fe2-x3-]O42- ,
где х – доля ионов железа в А-узлах:
в) смешанная шпинель – ионы двух- и трехвалентного металла и железа одновременно появляются одновременно в A и B узлах:
Меx2-Fе1-x3+ [Ме1-x2+Fе1+x3+]О42-.
Распределение ионов по A— и B-узлам определяется следующими факторами: а) ионным радиусом; 6) конфигурацией электронных оболочек ионов; в) электростатической энергией.
Выше отмечалось, что в ферритах осуществляется косвенное обменное взаимодействие, которое приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов. В феррошпинелях соседними ионами оказываются ионы, находящиеся в А— и В-узлах (А-В-взаимодействие), что можно представить решетку состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток А и В. Причем внутри подрешеток магнитные моменты ионов оказываются параллельны друг другу и суммарная намагниченность феррита может быть представлена как разность намагниченностей подрешеток – октаэдрической Мв(В) и тетраэдрической Ма (А), т. е. Мs= |Мb-Ма|.
Если намагниченность неодинакова, как это наблюдается в случае ферритов, возникает спонтанная намагниченность.
Цинковый и кадмиевый ферриты, которые обладают структурой нормальной шпинели, немагнитны, так как диамагнитные ионы Zn2+ и Cd2+ занимают A-узлы, тем самым взаимодействие А-В ликвидируется, взаимодействие в подрешетке В (В—В-взаимодействие) мало и не в состоянии создать упорядочение магнитных моментов.
При повышении температуры магнитное упорядочение разрушается и спонтанная намагниченность уменьшается, что аналогично зависимости для металлических магнитных материалов.
Технология получения ферритов. Ферриты получают методом керамической технологии, т.е. смешивают оксиды и карбонаты нерастворимых в воде металлов и метод термического разложения солей различных металлов. Технология получения ферритов путем смешивания оксидов или карбонатов наиболее проста и заключается в следующем: исходные компоненты взвешивают и подвергают первому помолу и тщательному перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах. Затем после сушки и прессования брикетов (или гранулирования) осуществляют предварительный обжиг при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол и порошок используют для получения изделий из ферритов путем прессования в стальных пресс-формах, выдавливания через мундштук, горячего литья под давлением. Для повышения пластичности в ферритовый порошок вводят пластификаторы (поливиниловый спирт, парафин). Окончательный обжиг ферритового изделия проводят при температуре 1100-1400°С. Для спекания частиц и окончательной ферритизации в твердой фазе по типу:
МеО + Fe203→MeFe204
Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому их обрабатывают алмазным инструментом путем резания, шлифования, полирования, пробивать отверстия ультразвуком и производить пайку ультразвуком ферритов между собой и с металлами. Ферритовые детали склеивают полистироловым и эпоксидным клеями.
Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следующих видов:
а) никель-цинковые, представляющие твердые растворы никелевого феррита NiFe204, и феррита цинка ZnFe2О4:
Ni1-x ZnxFe204,
где х доля концентрации цинка в феррите.
Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (x=0,4-0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции и магнитной проницаемости и постоянному уменьшению температуры Кюри;
б) марганец-цинковые — твердые растворы марганцевого феррита MnFe204 и цинкового феррита ZnFe204. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 МГц;
в) литиевые типа Li0,5 Fe2,5 04 обладают структурой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.
Магнитомягкие ферриты маркируются: на первом месте примерное значение магнитной проницаемости, а затем буквы, определяющие частотный диапазон: Н – низкочастотный диапазон (0,1-50МГц), ВЧ — высокочастотный (50-600МГц), а затем буквы, означающие состав материала: М – марганец-цинковые, Н – никель-цинковые, их маркируют также маркой ВЧ. Например, низкочастотные 20000НМ, высокочастотные 150ВЧ.
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.
Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса κпу, который определяется как отношение остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:
κпу=Вr / Bmax<1
Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с +Вrна —Вr, которое должно быть примерно 10-7-10-9с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.
ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы железо-никель-кабальт 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 находят более широкое применение. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания.
Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магний-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, натрия и др. Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности κпу=0,9-0,94; остаточная индукция Br=0,15-0.25Тл, температура Кюри Tk=110-250°С (для магний-марганцевых ферритов); 550-630°С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схемах автоматического управления, лежит в пределах 10-20А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, — 100-1200А/м.
Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников различных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15×15мм, которые содержат 16*16=256 отверстий.
К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температурная стабильность параметров, чем металлических сплавов.
Из всех металлов только железо, никель и кобальт обладают ферромагнетизмом. Во внешнем магнитном поле эти металлы сильно намагничиваются, что широко используется в технике.
Важнейшими характеристиками, определяющими магнитные свойства, являются:
- 0 остаточная индукция В, — это индукция, остающаяся в образце после снятия внешнего поля (единица величины — тесла, Тл);
- 0 коэрцитивная сила Нс — напряженность магнитного поля обратного знака, необходимого для размагничивания образца (А/м, ампер на метр).
На рис. 7.7 приведена кривая намагничивания (петля гистерезиса), на которой отрезок ^соответствует остаточной индукции Вг (когда напряженность внешнего поля Н= 0), а отрезок 03 — коэрцитивной силе Нс (когда намагниченность тела /= 0).
Рис. 7.7. Петля гистерезиса ферромагнетика
Ферромагнитные материалы подразделяют на две большие группы:
- 0 магнитно-жесткие (магнитно-твердые) — обладают значительной коэрцитивной силой — от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр; имеют широкую петлю гистерезиса; такие материалы используют для изготовления постоянных магнитов;
- 0 магнитно-мягкие материалы — характеризуются малыми (от нескольких тысячных до 1—2 А/см) значениями коэрцитивной силы. Петли гистерезиса магнитно-мягких материалов — узкие. Из этих материалов изготовляют магнитопроводы — проводники магнитного потока, генерируемого каким-либо источником (сердечники катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамо-машин).
Магнитно-твердые стали и сплавы для постоянных магнитов должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Вг
Обычно коэрцитивная сила у чистых ферромагнитных металлов невелика и возрастает в сплавах. Получение высококоэрцитивного состояния в этих сплавах обусловлено происходящими в них фазовыми превращениями: мартенситным превращением, распадом твердого раствора с выделением дисперсных фаз; превращением неупорядоченных твердых растворов, в решетке которых атомы компонентов распределены относительно равномерно, в упорядоченные твердые растворы, атомы компонентов в которых занимают определенные положения в кристаллической решетке. Коэрцитивная сила возрастает также при возникновении искажений в кристаллической решетке, вызванных напряжениями, при измельчении зерна.
Все промышленные сплавы для постоянных магнитов можно разделить на следующие группы: 1) стали с мартенситной структурой, 2) литые магнитно-твердые сплавы, 3) порошковые металлокерамические сплавы, 4) пластически деформируемые сплавы.
В первую группу входят углеродистые заэвтектоидные стали У10 и У12, а также легированные стали.
Легирование углеродистой стали (около 1 % С) хромом, вольфрамом, совместно хромом и кобальтом вызывает повышение коэрцитивной силы, обеспечивает более высокую стабильность свойств при эксплуатации.
Легированные магнитно-твердые стали выпускают следующих марок: ЕХЗ (0,9-1,1 % С; 2,8-3,6 % Сг), ЕВ6 (0,68-0,78 % С; 0,30-0,50 % Сг; 5,2-6,2 % W), ЕХ5К5 (0,9-1,0 % С; 5,5-6,5 % Сг; 5,5-6,5 % Со), ЕХ9К15М2 (0,9-1,05 % С; 8-10 % Сг; 13,5-16,5 % Со; 1,2-1,7 % Мо). Хромистые стали прокаливаются значительно глубже, чем углеродистые, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Хромокобальтовые стали имеют наиболее высокие магнитные свойства.
Наилучшие магнитные свойства достигаются, если структура сталей состоит из мартенсита с включениями дисперсных карбидов, дополнительно повышающих коэрцитивную силу.
Коэрцитивная сила легированных сталей после термической обработки составляет 4,8—12 кА/м, остаточная магнитная индукция 0,8—1,0 Тл.
Рассмотренные выше стали для постоянных магнитов имеют ограниченное применение, так как по своим магнитным свойствам они уступают литым и металлокерамическим сплавам.
Магнитно-твердые литые сплавы — это сплавы системы Fe—Ni—А1 на основе железа. Они содержат примерно 12—34 % Ni и 6,5—15 % А1, остальное — железо. В равновесном состоянии в сплавах указанного состава имеются две фазы с объемно центрированной кубической решеткой: pj-твердый раствор, близкий по составу к железу, и р2-упорядоченный твердый раствор на основе соединения NiAl. р2-фаза слабо ферромагнитна. Для практических целей применяют сплавы, дополнительно легированные Си, Со, Ti, Nb, которые улучшают магнитные свойства.
Магнитные сплавы подвергают специфической термической обработке. Она включает в себя нагрев до 1250—1280 °С с последующим регламентированным охлаждением, которое обеспечивает получение наибольшего значения коэрцитивной силы.
Еще более высокие результаты достигаются при термической обработке сплавов в магнитном поле (термомагнитная обработка).
Недостатками литых сплавов являются высокая твердость и хрупкость, что делает практически невозможным все виды обработки этих сплавов, кроме шлифования; магниты из них изготовляют методом литья.
Порошковые магнитно-твердые сплавы имеют ряд преимуществ перед литыми сплавами, в частности они обладают повышенной прочностью, что объясняется малым размером зерна.
Порошковые сплавы системы Fe—Ni—А1 изготовляют из порошка измельченного литого сплава или порошков элементов, входящих в эти сплавы, путем прессования и спекания порошков при высокой температуре (1300 °С для спекания порошков металлов) в защитной атмосфере. По химическому составу порошковые сплавы существенно не отличаются от литых, но по магнитным свойствам (после тех же видов термической и термомагнитной обработки) несколько уступают им. Маркируют такие сплавы буквами ММ К (магнит металлокерамический) и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например ММК1, ММК7, ММК11.
Деформируемые магнитно-твердые сплавы изготовляют на основе пластичных металлов: Fea, Со, Си. Их можно обрабатывать давлением, резанием. Рассмотренные выше легированные стали с мартенситной структурой хотя и обладают этими свойствами, но имеют низкие магнитные свойства.
Среди деформируемых высококоэрцитивных сплавов, приближающихся по магнитным свойствам к литым сплавам для постоянных магнитов, сплавы на основе a-железа, сплавы Fe—Cr—Со; Fe—Со—V; Си—Ni—Со и др. Сплавы являются дис- персионно-твердеющими. Термическая обработка их включает закалку и старение (отпуск).
В промышленности используют деформируемые сплавы: хромко (45 % Fe; 30 % Cr; 25 % Со); викаллой (52 % Со; 13 % V, остальное — Fe); кунико (50 % Си; 21 % Ni; 29 % Со) и др. Некоторые сплавы после закалки можно подвергать холодной пластической деформации, при которой формируется кристаллографическая текстура, что приводит к дополнительному повышению магнитных свойств. Так, после закалки, холодной деформации и старения при 600—620 °С сплав викаллой имеет следующие свойства: HRC 58—62; Нс = 28 кА/м; Вг — 0,6 Тл.
Ковкие пластичные деформируемые сплавы хромко, викаллой, кунико и другие применяют для изготовления тонких лент и проволоки.
Магнитно-мягкие стали и сплавы предназначены для изготовления магнитопроводов, элементов магнитной системы, проводящих магнитный поток, создаваемый каким-либо источником. Эти стали и сплавы должны иметь малую коэрцитивную силу, большую магнитную восприимчивость.
В качестве магнитно-мягкого материала используют тонколистовую электротехническую сталь, точнее, низкоуглеродистые (0,05—0,005 % С), железокремнистые сплавы (0,8— 4,8% Si).
Кремний образует с железом твердый раствор (легированный феррит). Он сильно повышает электрическое сопротивление стали и тем самым снижает потери на вихревые токи, увеличивает магнитную проницаемость.
Электротехнические стали по структуре и виду прокатки разделяют на следующие классы (ГОСТ 214270—75):
- 1 — горячекатаная изотропная марок 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412 и др.;
- 2 — холоднокатаная изотропная марок 2011, 2012, 2013, 2111, 2211 и др.;
- 3 — холоднокатаная анизотропная с определенной текстурой (текстурированная): 3411, 3412, 3414 и т.д. В марке цифры означают: первая — класс по структуре и виду прокатки, вторая — процентное содержание кремния, третья — группу по основной нормируемой характеристике свойств, четвертая — порядковый номер типа стали.
В зависимости от содержания кремния стали подразделяют на 6 групп: 0 — с содержанием до 0,4 % Si; 1 — с 0,4—0,8 % Si; 2 — с 0,8-1,8 % Si; 3 — с 1,8-2,8 % Si; 4 — с 2,8-3,8 % Si; 5 — с 3,8—4,8 % Si.
В зависимости от нормируемых показателей электрических и магнитных свойств электротехнические стали делят на группы (0, 1, 2, 6, 7).
Более высокие магнитные свойства имеет крупнозернистая сталь с определенной текстурой (текстурированная), т.е. с определенной преимущественной кристаллографической ориентацией зерен.
По применению электротехнические стали делят на динам- ную и трансформаторную. Динамная сталь содержит 0,5—2,3 % Si и по сравнению с трансформаторной сталью (3,5—4,8 % Si) она более пластична и менее магнитно-мягкая.
Особо чистые сорта железа после специальной обработки также имеют высокую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу, характеризуются низким электрическим сопротивлением и большими потерями на вихревые токи. Такое железо можно применять в качестве магнитно-мягкого материала для изготовления сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45—80 % Ni и дополнительно легированы хромом, кремнием, молибденом. Легирующие элементы входят в твердый раствор, повышают электрическое сопротивление и уменьшают потери на вихревые токи. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая.
Наиболее высокие свойства имеет пермаллой 79НМА (78,5—80 % Ni; 3,8—4,1 % Мо; остальное — Fe). После специальной термической обработки (высокотемпературный отжиг при 1100—1250 °С в атмосфере водорода с медленным охлаждением в магнитном поле) они обладают высокой начальной магнитной проницаемостью до 50 000 Гн/м и максимальной проницаемостью до 300 000 Гн/м, а также малой коэрцитивной силой (0,05-0,003 А/см).
Очень высокая начальная магнитная проницаемость позволяет использовать пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых полях (телефон, радио).