МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

5.1.1. Общие сведения

 

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Для характеристики намагничивания вещества вводятся величины: В - магнитная индукция (Тл), Н – напряжен­ность магнитного поля (А/м), j – намагниченность (А/м), k _т – магнитная восприимчивость, μ – магнитная проницаемость, Ф – магнитный поток (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

(5.1)

Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей:

(5.2)

Объединяя (5.1) и (5.2), получим

(5.3)

где или – относительная магнитная проницаемость (в дальнейшем для краткости магнитная прони­цаемость).

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делят­ся на следующие группы: диамагнитные (диамагнетики), парамаг­нитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), антиферромагнитные (антиферромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетизм - наблюдается во всех веществах и связан с взаимодействием внешнего магнитного поля на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент днамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков k_d (отрицательная) по абсолютному значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля. К ним относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью за­полненными электронными оболочками).

Парамагнитные вещества – состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками и обладают маг­нитными моментами. Но атомы в таких веществах находятся друг от друга до­статочно далеко, так что взаимодействие между ними отсутствует. Потому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируют­ся в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, име­ет небольшое значение от 10^-5 до 10^-2 и не зависит от напряженно­сти внешнего магнитного поля, но зависит от температуры.

Ферромагнитные вещества - содержат атомы, обладающие магнит­ным моментом (незаполненные электронные оболочки), однако рас­стояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в резуль­тате чего между атомами возникает взаимодействие, которое назы­вается обменным (предполагается, что соседние атомы обменивают­ся электронами).

В зависимости от расстояния энергетически выгодным становится параллель­ная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагне­тизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм).

Под действием обменных сил параллельная ориентация магнит­ных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в оп­ределенных областях, называемых доменами (рис. 5.3). В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов, которое действует только до определенной критической темпе­ратуры Кюри. Выше этой темпера­туры домены разрушаются, и ферромагнетик переходит в пара­магнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничи­ваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 10⁶) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнит­ного поля.

Антиферромагнетики – материалы, в которых во вре­мя обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнит­ные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферро­магнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков.

Ферримагнетики – материалы, в которых обменное вза­имодействие осуществляется не непосредственно между магнитными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немаг­нитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к антипарал­лельной ориентации магнитных моментов соседних ионов. Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную струк­туру, которая исчезает выше температуры Кюри.

В качестве магнитных материалов техническое применение в электротехнике находят ферромагнитные и ферримагнитные материалы.

 

5.1..2. Процессы технического намагничивания и перемагничивания магнитных материалов

 

В ферромагнитных материалах реализуется такая доменная структура, для которой полная свободная энергия системы явля­ется минимальной.

Полная свободная энергия состоит из следующих основных ви­дов энергий: магнитостатической, магнитной анизотропии, магнитострикции, обменной.

Минимум магнитостатической энергии, связанной с полями рас­сеивания или с возникновением полюсов на концах магнита, наблю­дается в том случае, когда магнитный поток замкнут внутри материала. Однодоменное состояние является невыгодным, так как это приводит к возникновению магнитных полюсов, которые создают внешнее поле (поле рассеивания). Магнитостатическая энергия уменьшается, если тело состоит из нескольких доменов, и стано­вится равной нулю при образовании замыкающих доменов (рис. 5.3), магнитный поток замкнут внутри тела, за его пределами магнитное поле равно нулю.

Линейные размеры доменов 10^-2-10^{-5 см, а толщина доменной гра­ницы достигает нескольких сот нанометров.}

Рис. 5.3. Доменная структура магнитных материалов: 1 – замыкающие домены; 2 – основные домены

При наложении внешнего магнитного поля происходит рост объема доменов, которые имеют направление намагниченности, сов­падающее или близкое к направлению напряженности поля. Увеличение индукции происходит за счет ро­ста намагниченности самого домена, т. е. ориентации спиновых мо­ментов отдельных электронов, направление которых не совпадает с направлением внешнего поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения.

Магнитная проницаемость магнитных материалов растет с уве­личением температуры и имеет максимум при температуре Кюри.

Если намагничивать ненамагниченный материал во внешнем магнитном поле, то индукция возрастает при непрерывном увеличе­нии напряженности магнитного поля H и достигает значения ин­дукции насыщения В_S. Если после этого уменьшить напряженность внешнего поля Н, то намагниченность уменьшится, но этому зна­чению напряженности будет соответствовать уже другое, большее, значение индукции, чем при начальном намагничивании.

Это означает, что кривые В=f(Н) при увеличении и уменьше­нии напряженности поля не тождественны вследствие явления ги­стерезиса.

Рис. 5.4. Петля магнитного гистерезиса.

Магнитным гистерезисом называется явление отстава­ния изменения магнитной индукции от вызывающей эти изменения напряженности магнитного поля (рис. 5.4). При уменьшении Н до нуля в об­разце остается остаточная индукция В_r. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увели­чивать, то можно уменьшить индукцию до нуля. В этом случае значение Н_С называется коэрцитивной (задерживаю­щей) силой. По значению коэрцитив­ной силы материалы делятся на магнитомягкие (с малым значением Н_с и боль­шой магнитной проницаемостью) и магнитотвердые (с большой коэрцитивной силой и относительно небольшой маг­нитной проницаемостью).Кривая изменения индукции при изме­нении напряженности внешнего магнитного поля от +Н_С до –Н_С, и обратно называется предельной петлей гистерезиса, которая является важной характеристикой материала, на ее основе можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Н_с,индукцию насыщения В_S, остаточную индукцию В_r.

Для магнитомягких материалов желательно, чтобы площадь петли гистерезиса была как можно меньше, а магнитотвердые материалы обладают широкой петлей ги­стерезиса.

Установлено, что намагничивание магнитных материалов зависит от направления магнитного поля в кристалле, т. е. вдоль одних осей кристалла намагничивания про­текает быстрее всего (оси легкого намагничивания), а вдоль дру­гих труднее. Например, у железа, имеющего кристаллическую решетку ОЦК, ось легкого намагничивания совпадает с ребром куба, а ось трудного намагничивания – с диагональю куба. Для никеля с кристаллической решеткой ГЦК, ось легкого на­магничивания совпадает с диагональю куба, а трудного – с ребром куба.

Поэтому нетекстурованные поликристаллические тела имеют пониженные магнитные характеристики, а текстурованные - повышенные магнитные характеристики и широко используются в технике.

При намагничивании магнитных материалов наблюдается из­менение их размеров и формы, такое явление называется мигнитострикцией,что используется в технике для получения механических колебаний.

Для работы в переменных магнитных полях используют мате­риалы с узкой петлёй гистерезиса, т.е. очень малой коэрцитивной силой. Для уменьшения потерь повышают удельное электрическое сопротивле­ние, путем легирования электротехнических сталей кремнием. Применение в магнитопроводах тонких листов ферромагнитных материалов, изолирован­ных друг от друга лаком или окалиной, уменьшает потери на вихревые токи.

Магнитомягкие материалы используют в производстве сердеч­ников трансформаторов, электромагнитов, электрических машин, в измерительных приборах и других различных аппаратах.

 

5.1.3. Магнитно-твердые стали и сплавы

 

Эти стали и сплавы при­меняют для изготовления постоянных магнитов. Магнитная энер­гия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная маг­нитная индукция В_r и коэрцитивная сила Н_с. Магнитная энергия пропорциональна произведению В_rН_с или точнее произведению В_rН_{с max}. Поскольку В_r ограничена магнитным насыщением ферро­магнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы Н_c.

Для получения высокой коэрцитивной силы стали должны иметь неравновесную структуру, обычно – мартенсит с высокой плотностью дефектов строения.

Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1%С, легированные хромом (3%) ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (ГОСТ 6862-71). Легирующие элементы повышают, главным образом, коэрцитивную и магнитную энергию, а также улучшают температурную и механическую стабильность постоянного маг­нита. Хромистые и кобальтовые стали сравнительно легко обра­батываются давлением и резанием, но обладают относительно малой магнитной энергией. Коэрцитивная сила легированных сталей составляет 4,8-12кА/м и остаточная – индукция 0,8-1,0Тл. Наиболее высокие магнитные свойства имеют стали ЕХ5К5 и ЕХ9К15М2 после нормализации, высокого отпуска, закалки, и низкого отпуска (при 100°С).

В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико ЮНДК15, ЮНДК25А, ЮНДК31БА, ЮНДК4Т8АА. Буквы А и БА означают, что сплавы имеют столбчатую структуру, а буквы АА – монокристаллическую структуру. Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем. После литья проводят только шлифование.

Высокие магнитные свойства сплавы получают после нагрева до 1250-1280°С и последующего охлаждения (закалки) с опре­деленной (критической) для каждого сплава скоростью охлаждения; после закалки следует отпуск при 580-600°С. При ох­лаждении от температуры закалки высокотемпературная фаза α распадается на две фазы α₁ и α₂, которые имеют одинаковую крис­таллическую ОЦК решетку с незначительным различием в перио­дах. Фаза α₁ – твердый раствор на базе железа, ферромагнита; α₂ – парамагнитная фаза на базе соединения NiА1. После ука­занной термической обработки α₂ фаза распределена в виде плас­тинок (игл) однодоменных размеров в α₁ фазе. Отпуск усиливает обособление фаз, что увеличивает коэрцитивную силу. Большие внутренние напряжения, возникающие в процессе α-распада высокотемпературной фазы, анизотропия формы частиц образую­щей фазы, а также однодоменность этих частиц определяют высо­кокоэрцитивное состояние сплавов. Дальнейшее повышение маг­нитной энергии достигается созданием в сплавах магнитной и кристаллографической текстур.

Для создания магнитной текстуры сплавы типа алнико под­вергают термомагнитной обработке: нагреву до 1300°С и охлаж­дению со скоростью 0,5-5°С/с (в зависимости от состава сплава) в магнитном поле, приложенном вдоль направления наиболее важного для магнита данной конфигурации. Затем магнит отпус­кают при 625°С. При обработке в магнитном поле α-фаза выделяется в виде частиц, ориентированных вдоль поля параллельно направлению.

После такой обработки магнитные свойства сплавов стано­вятся анизотропными, их магнитные характеристики (В_r, Н_с, В_rH_{с max}) сильно возрастают в направлении приложенного магнит­ного поля (магнитная текстура). Термомагнитной обработке подвергают сплавы, содержащие свыше 18%Со. Кристалличес­кая текстура образуется в случае направленной кристаллизации отливки магнита, при этом возникают столбчатые кристаллы, рас­тущие по направлению [100]. Это сильно повышает магнитные свойства, поскольку они зависят от кристаллографической ориен­тации ферромагнитных фаз.

Для изготовления магнитов применяют и порошковые сплавы Fе-Ni-Аl ММК1 (H_с=24кА/м, В_r=0,6Тл), ММК7 (Н_с=44кА/м, В_r=0,95Тл) и ММК11 (Н_с=118кА/м, В_r=0,7Тл). Эти сплавы проходят такую же тер­мическую обработку, как и литые сплавы. Сплавы не обладают хрупкостью.

Некоторое применение нашли деформируемые сплавы 52КФА, 52КФБ и 52КФ13 (51-53% Со, 11-13%V, остальное – Fе), изготовляемые в виде проволоки диаметром 0,5-3,0мм, полос и лент толщиной 0,2-1,3мм. После закалки и холодной деформации сплавы подвергают отпуску при 600-620°С. Свойства сплавов после такой обработки: 58-62НRС, H_с~28кА/м и B_r~0,85Тл, (в зависимости от полуфабриката). Сплавы Fе-Ni-Аl-Nb, содер­жащие 8,4-9,8%Аl, 3,7-4,2%Nb и 20-25%Ni (остальное Fе), в виде горячекатаных листов используют для изготовления малогабаритных магнитов. В промышленности используют сплавы на основе системы Fе-Со-Сr, достаточно хорошо деформируемые при прокатке. Свойства сплавов типа К23Х31С1 после термической обработки Н_с~52,8кА/м и В_r=1,15Тл.

 

5.1.4. Магнитно-мягкие стали

 

Общие требования, предъявляемые к магнитно-мягким мате­риалам, - высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитив­ная сила, а для деталей магнитопроводов, работающих в пере­менных магнитных полях, - малы потери при перемагничивании и потери на вихревые токи.

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости ферромагнитный материал должен быть чистым от примесей и включений, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). Магнитная проницаемость возрастает, если зерно феррита крупнее. Даже слабый наклеп снижает магнитную проницаемость и повышает Н_с. Поэтому материал должен быть полностью рекристаллизован для устра­нения внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

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; феррит.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь)–магнитомягкий материал, содержащий не более 0.1 % углерода, серы, марганца и других примесей. Магнитные свойства железа зависят от его чистоты. Используют его в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков. В зависимости от чистоты железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо получают путем электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях.

Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Его получают в виде порошка, который удобно использовать, для изготовления сердечников для повышенных частот. Свойства упомянутых разновидностей технически чистого железа приведены [2].

В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05-0,005%С , 0,8-4,8Si). Кремний, образуя с α-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3-4%. Холоднокатаные кремнистые стали поставляют в отожженном состоянии с термостойким покрытием.

Электротехническую сталь изготовляют в виде рулонов, листов и резаной ленты.

Листовую электротехническую сталь чаще подвергают обез­углероживающему (черновому) отжигу при 720-800°С (выдержка 25ч), рекристаллизационному отжигу после прокатки и оконча­тельному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100-1200°С в течение 25-30 ч. После проведения высокотем­пературного отжига в рулонах проводят дополнительный отжиг в атмосфере, состоящей из 4%Н₂ и 96%N₂ для снятия напря­жений и рулонной кривизны.

Электротехническую сталь маркируют цифрами (ГОСТ21427-75). Первая цифра определяет структуру и вид прокатки: горячекатаная изотропная (1), холоднокатаная изот­ропная (2) и холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой в направлении [100] (3). Вторая цифра указывает содержание в стали кремния: 0 – до 0,4%; 1-0,4-0,8%; 2-0,8-1,8%; 3-1,8-2,8%; 4-2,8-3,8%; 5-3,8-4,8%. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери. Чет­вертая цифра – код числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем меньше удельные потери Р_1,5/50.

Горячекатаная изотропная сталь марок 1212, 1311, 1411, 1511, 1514 имеет высокие удельные потери. С увеличением в стали кремния потери на вихревые токи и перемагничивание уменьшаются. Удельные потери при магнитной индук­ции 1,5Тл и частоте тока 50Гц ,5/50) Для листов толщиной 0,5 мм для стали 1212 составляют 7,2Вт/кг, для стали 1514 эти потери не превышают 2,7Вт/кг.

Холоднокатаную изотропную тонколистовую электротехническую сталь выпу­скают марок: 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412. Удельные потери у этих сталей ниже, чем у горячекатаных. В зависимости от содержания кремния удельные потери (Р_1,5/50 ) для толщины листа 0,5 мм лежат в пределах 3,8 (сталь 2011) – 1,3Вт/кг (сталь 2412).

Чем тоньше лист, тем меньше удельные потери. Магнитная индукция при напряжении магнитного поля 2500 А/м составляет для низкокремнистых сталей 1,6Тл и для сталей с 4% 31-1,5Тл.

Холоднокатаная анизотропная (текстурированная) листовая сталь содер­жит 2,8-3,8%Si (марки 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406). Эта сталь относится к ферритному классу сталей, не испытывающих γ→α-превращения.

Магнитные свойства трансформаторной стали анизотропны. Магнитная про­ницаемость μ_max вдоль направления [111] в 30 раз меньше, чем в направлении [100]. Текстурованную листовую сталь изготовляют с ребровой текстурой, когда ребро куба [100], т. е. направление легкого намагничивания параллельно направлению прокатки, а плоскость (100) параллельна плоскости проката.

В текстурованной холоднокатаной стали по сравнению с изотропной сталью, содержащей то же количество кремния, при больших значениях индукции (1,75-1,9Тл) потери на перемагничивание меньше и соответственно меньше удельные потери.

При толщине листа 0,5 мм потери Р_1,5/50 составляют 2,45 Вт/кг (сталь 3411) и 1,5 Вт/кг (сталь 3414), снижаясь до 0,89-0,97Вт/кг (сталь 3415, 3416) при толщине листа 0,28-0,3мм. Листы, предназначенные для работы в силовых агрегатах, при высоких частотах переменного тока должны быть толщиной 0,1-0,35 мм, так как при этом меньше снижается проницаемость и не столь сильно возрастают удельные потери с увеличением частоты тока.

Удельное электрическое сопротивление сталей с низким содержанием крем­ния (2011, 2111) составляет 6,14-0,17 мкОм·м, повышаясь до 0,4-0,5мкОм·м для высококремнистых сталей (2311, 2411).

Для получения больших значений индукции в очень слабых магнитных полях применяют сплавы Fе-Ni, получившие название пермаллой. Сплавы подразделяют на две группы: низконикелевые (45-50%Ni) и высоконикелевые (79-83%Ni). Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н, 60НХС) имеют повышен­ную магнитную проницаемость μ_н=4мГн/м и [μ_max - 38мГн/м и индукцию насыщения В_с=1,04-1,5Тл. Высоконикелевые пермаллои (79НМ, 81НМА) характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых полях (μ_н = 25-88 мГн/м и [μ_max - 150-300мГн/м) при сравнительно небольшой индукции насыщения (~0,75 Тл). Пермаллои часто легируют Мо и Сr, которые уменьшают чувствительность к пластической деформации, повышают удельное электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь повышает удельное электрическое сопротивление и стабилизирует свойства. Пермаллои получают из чистейших сортов никеля и железа вакуумным переплавом. Изго­товляют пермаллои в виде листов и лент магнитопроводов. Термическая обра­ботка сводится к отжигу при 1100—1300°С в вакууме (водороде) с последующим медленным охлаждением со скоростью 100°С/ч до 400°С и дальнейшим быстрым охлаждением со скоростью 400°С/ч, при котором не происходит упорядочения твердого раствора. Такая обработка, кроме того, позволяет получить крупное зерно и уменьшить содержание в сплавах примесей. Применяют пермаллои в радиотехнике и телефонии.

Парамагнитные стали. В электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники требуются немаг­нитные (парамагнитные) стали. Для этой цели используют пара­магнитные аустенитные стали 17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9ХЗ, 50Г18Х4, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9ХЗЮФ2 и др.

Недостатком этих сталей является низкий предел текучести (150-350 МПа), что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин. Прочность может быть повышена за счет деформационного и дисперсионного упрочнения. Повыше­ние износостойкости деталей, работающих в узлах трения, дости­гается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9ХЗЮФ2 и др.).

Альсифер – тройной сплав, состоящий из алюминия, кремния и железа. Сплав оптимального состава (9,6%Si, 5,4%А1, осталь­ное Fe) по своим свойствам не отличается от пермаллоев. Альсифер получают литьем, т.к. обладает высокой твердостью и хрупкостью.