Магнитные материалы различного назначения.
Магнитотвёрдые материалы. Металлокерамические и металлопластические магниты. Магнитотвердые ферриты. Сплавы на основе редкоземельных материалов.
К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой петлей гистерезиса и большой коэрцитивной силой Нс.
Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вс, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство wмах.
Магнитная проницаемость m магнитотвердых материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т.е. чем выше его коэрцитивная сила Нс, тем меньше его магнитная проницаемость.
Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции Br, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции Bmax, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции
где (Br)1 и (Br)2 –значения остаточной индукции материала при температурах Т1 и Т2 соответственно.
Максимальная удельная магнитная энергия wмах является важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов.
Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м2:
Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и магнитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации, магнитное поле в котором используют для технических целей.
Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.
В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции Br на 1…3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.
Если со временем в постоянном магните произошли структурные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необратимого старения.
По назначению магнитотвердые материалы подразделяются на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хранения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).
По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на налитые, порошковые и прочие.
Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют основой сплавы железо- никель- алюминий (Fe-Ni-Al) и железо- никель- кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к прецизионным, так как их количество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.
Магнитотвердые литые материалы получают в результате дисперсионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуре начала распада. В процессе твердения происходит высокотемпературный распад твердого раствора на b-фазу и b2-фазу. b-фаза близка по составу к чистому железу, которое обладает выраженными магнитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. b2-фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель- алюминий Ni-Al, обладающему низкими магнитными свойствами.
В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы b2 с однодоменным сильномагнитным включениями фазы b, которая обладает большой коэрцитивной силой Нс. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибольшее распространенными являются сплавы железо- никель– алюминий, легированные медью Cu и кобальтом Со.
Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, которые соответствуют этим металлам, например, сплав системы железо- никель- алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.
Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.
Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью.
Высококобальтовые сплавы представляют собой сплавы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой, содержащие кобальт более 15%.
Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлаждения сплава в магнитном поле с напряженностью 160…280 кА/м от высоких температур 1250…1300°С до температуры приблизительно 500°С. полученный сплав приобретает улучшенный магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропный.
Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обработка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20% а для сплавов, содержащих 20…25% кобальта, -на 80% и более.
Термомагнитная обработка повышает температуру начала дисперсного распада с 950°С в сплаве без кобальта до 800°С в сплаве, содержащем 24% кобальта.
В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850°С.
Кристаллическую текстуру получают в процессе особых условий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с особой микротекстурой в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов .магнитная энергия повышается на 60…70%. Увеличивается коэрцитивная сила Нс, остаточная магнитная индукция Br и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала:
Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.
Недостатками высококобальтовых материалов являются высокая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механическую обработку.
Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготовления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.
Металлокерамические магниты по магнитным свойствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.
Получают металлокерамические магниты в результате прессования металлических порошков без связующего материала и спекания их при высоких температурах. Для порошков используют сплавы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al-, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных металлов.
Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обладают магнитными свойствами по параметрам Br и wmax на 10…20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спеченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3…6 раз превосходят литые.
Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы Нс, которые в 1,5…2 раза выше Нс бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной магнитной энергии wмах сравнимы со сплавом ЮНДК 24.
Сплавы на основа редкоземельных металлов (РЗМ) и урана при определенных соотношениях обладают очень высокими значениями коэрцитивной силы Нс (предельное теоретическое значение составляет 1032 кА/м) и рекордными значениями максимальной удельной магнитной энергии wмах (предельное теоретическое значение достигает 112 кДж/м3.
Среди сплавов на основе редкоземельных наибольшее значение имеют интерметаллические соединения типа RCo5, где R – редкоземельный металл. В марке соединения буква К означает кобальт, С – самарий, П – празеодим.
Сплавы на основе редкоземельных металлов получают холодным прессованием порошка сплава RCo5 до высокой степени плотности, спеканием брикетов из порошков в присутствии жидкой фазы и литьем многокомпонентных сплавов, в которых кобальт замещен медью и железом.
Металлопластические магниты имеют пониженные магнитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотностью, меньшей стоимостью.
Получают металлопластические магниты, кок и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, необходимых для полимеризации связующего вещества.
Бариевыемагниты обладают следующими свойствами:
Значения остаточной магнитной индукции Br в 2…4 раза меньше, чем у литых магнитов;
Большая коэрцитивная сила Нс, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;
Плотность d примерно в 1,5 раза меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;
Удельное электрическое сопротивление r (104…107 Ом*м) в миллионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, поэтому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей;
Не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по стоимости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплава ЮНДК.
К недостаткам бариевых магнитов относят:
плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);
большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТКВr в 10 раз больше, чем ТКВr литых магнитов);
эффект необратимой потери магнитных свойств после охлаждения магнита до температуры -60°С и ниже (после охлаждения и последующего нагревания до начальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).
В отличии от технологии изготовления магнитомягких ферритов после сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнитном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравнению с намагничивающим током направление.
Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применяют также сухое прессование.
Промышленность выпускаем бариевые изотропные БИ и бариевые анизотропные БА магниты.
Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами:
более высокая стабильность параметров, чем у бариевых;
температурный гистерезис, т.е. зависимость магнитных свойств от температуры, которая появляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до температуры выше 80°С;
из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их крепят с помощью клея;
высокая стоимость.
Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнитной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300…350°С в течении 1,5 часов и охлаждения в магнитном поле в течении 2 часов.
Магниты из микропорошков Mn-Bi поучают прессованием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцево-висмутовый сплав (23% Mn; 77% Bi) подвергают механическому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5…8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отделяют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц марганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферромагнитной фазы при температуре примерно 300°С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют магнитные свойства только до температуры не ниже 20°С (при понижении свойства быстро ухудшаются и для их восстановления необходимо повторное намагничивание), что существенно ограничивает их применение.
Железные и железокобальтовыемагниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов получения частиц нужного размера (0,01…0,1). Из полученного порошка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозийную стойкость железосодержащих магнитов.
Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.
Обычное технически чистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08-0,1%
Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO2. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.
Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.
При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную переориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000°С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.
Текстурованная сталь анизотропна по свойствам: вдоль напрвления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, электрических машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25%, а в радиотрансформаторах - на 40%.
Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). Использование листовых и ленточных сердечников на частотах выше 1 кГц возможно лишь при существенном ограничении магнитной индукции, так , чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.
Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.
Удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои.
увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.
Диапазон изменения магнитных свойств и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.
Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.
Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.