Пермаллои
Технически чистое железо.
Магнитомягкие материалы
Магнитомягкие материалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцетивную 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 проницаемостью; сплавы с большой индукцией насыщения; ферриты.
Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.
Технически чистое железо содержит не более 0,1% углерода, серы, марганца и других примесей и обладает сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает его применение. Используется оно в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков и приготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и способа обработки.
В зависимости от способа получения различают железо электролитическое и карбонильное.
Кремнистая электротехническая сталь
Кремнистая электротехническая сталь содержит углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8 % и относится к магнитомягким материалам широкого потребления. Легирование стали кремнием приводит к существенному повышению удельного электрического сопротивления, которое растет линейно от 0,1 мкОм*м при нулевом содержании кремния до ).6 мкОм*м при содержании кремния 5% к увеличению начального и максимального значений μ, снижению коэрцетивной силы Нr , снижению потерь на гистерезис. Сталь с содержанием кремния 6,8% обладает наивысшей магнитной проницаемостью, но в промышленности применяют сталь с содержанием кремния не выше 5 %. Так как кремний ухудшает механические свойства стали, она становится непригодной для штамповки.
Свойства стали улучшает холодная прокатка, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, и отжиг в среде водорода при температуре 900-1000˚С, снимающий механические напряжения и способствующий укрупнению кристаллических зерен, причем оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката; о такой стали говорят, что она обладает ребровой структурой. Магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.
Электротехническая сталь выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. На сталь может быть нанесено электроизоляционное покрытие.
Сталь электротехническая тонколистовая подразделяется :
- на три класса по структурному состоянию и виду прокатки;
- на шесть классов по содержанию кремния;
- на восемь групп по основной нормируемой характеристике.
По структурному состоянию и виду прокатки различают три класса электротехнической тонколистовой стали:
1 класс – горячекатанная изотропная сталь;
2 класс – холоднокатанная изотропная;
3 класс – холоднокатанная анизотропная сталь с ребровой текстурой.
По содержанию кремния:
0 – сталь с содержанием кремния от 0,4% до 0,8%;
1 – сталь с содержанием кремния от 0,8% до 1,8%;
2 – сталь с содержанием кремния от 1,8% до 2,8%;
3 – сталь с содержанием кремния от 2,8% до 3,8%;
4 – сталь с содержанием кремния от 3,8% до 4,8%;
Добавление кремния в электротехническую сталь улучшает магнитные характеристики стали, повышает ее удельной электрическое сопротивление и снижает потери на вихревые токи.
В зависимости от основной нормируемой характеристики сталь делят на группы:
0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются ρ1,7/50);
1 – удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются ρ1,5/50);
2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 50 Гц (обозначаются ρ1,0/400);
6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н= 0,4 А/м (В0,4);
7 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н= 10 А/м (В10);
Электротехнические стали обозначают посредством системы вышеприведенных цифр. Вместе первые три цифры в обозначении марки означают тип стали; четвертая – порядковый номер типа стали.
Пермаллои относятся к магнитомягким материалам, обладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях и представляют собой железноникелевые сплавы. Такие сплавы характеризуются тем, что магнитная анизотропия и магнитострикция пркатически отсутствуют; это является одной из причин особенно легкого намагничивания пермаллоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72-80% никеля) и низконикелевые (40-50% никеля).Классический пермаллой с концентрацией никеля 78,5 % имеет наибольшие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости μ. Высокие магнитные свойства классического пермаллоя получаются в результате высокотемпературного отжига при 1300˚С в чистом сухом водороде и при длительном отпуске при 400-500˚С.
Следует отметить: магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев выше, чем низконикелевых и значительно превосходит проницаемость электротехнических сталей, но индукция насыщения пермаллоев в 1,5-2 раза меньше; следовательно их нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, в которых используется большой магнитный поток. Удельное сопротивление низконикелевых пермаллоев в два раза выше высоконикелевых, поэтому они могут работать на более высоких частотах.
Стоимость высокинелевых пермаллоев больше низконикелевых, в то же время они менее технологичны.
Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, позволяет упростить технологию получения, уменьшает чувствительность к механическим напряжениям и снижает индукцию насыщения. Медь благоприятно сказывается на температурной стабильности и стабильности магнитной проницаемости при изменении напряженности внешнего поля. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление.
Из железноникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить следующие группы:
1) нелегированные низконикелевые пермаллои – марки 45Н и 50 Н (содержание никеля 45 и50%) – эти сплавы обладают наиболее высокой индукцией насыщения, поэтому они применяются для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, которые работают при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплав 50НХС обладает повышенным сопротивлением и используется для сердечников импульсных трансформаторов и устройств связи звуковых и высоких частот.
2) сплавы, обладающие текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса, - 50 НП, 65 НП, 34 НКП;
3) низконикелевые пермаллои (50% Ni), легированные хромом и кремнием – 50 НХС;
4) высоконикелевые пермаллои, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью – 79 НМ, 80НХС, 76НХД. Эти сплавы применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов, при толщине 0,02мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных
Все сплавы содержат в небольших количествах марганец и кремний. В марках пермаллоев буква Н означает – никель, М – марганец, Д – медь, К – кобальт, С –хром, П –прямоугольную петлю гистерезиса.
Пермаллои изготавливаются в виде холоднокатанных лент, горячекатанных листов, горячекатанных и кованных прутков.
Недостатками пермаллоев является их относительная высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.