Магнитомягкие материалы

Намагничиваются в слабых полях (Н< 5 10⁴ А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (m_Н < 88 мГн/м и m _мах < 300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание. Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, листов статоров и роторов электрических машин.

По величине потерь на перемагничивание определяются допустимые рабочие частоты магнито-мягких материалов и они подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные в свою очередь подразделяются на низкочастотные с высокой индукцией насыщения В_S и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью m (начальной и максимальной).

Материалы с высокой индукцией насыщения: железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Их применяют для магнитных полей напряженностью от 10² до 10⁴ А/м. Наиболее чистое от углерода и примесей - карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Fе(СО)₅ - карбонила, с последующим спеканием порошка железа. Электролитическое железо и карбонильное - дорогие и используются только в небольших изделиях. Техническое железо содержит больше примесей, получают его прокатом, а затем отжигают в вакууме или в среде водорода.

Стали нелегированные электротехнические имеют низкое удельное электрическое сопротивление и большие тепловые потери при перемагничивании. Электрическое сопротивление электротехнических сталей повышают легированием кремнием, предельное содержание кремния не выше 5,1%, так как при его большем содержании стали становятся более хрупкими и непригодны для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, с последующим отжигом в среде водорода, снимающего остаточные напряжения и способствующего укрупнению зерна. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (сталь приобретает текстуру).

Наибольшее значение магнитной индукции насыщения имеют высоколегированные кобальтовые сплавы (железо - кобальт - ванадий), например, сплав 50КФ2 обладает индукцией насыщения 2,3 Тл в магнитном поле напряженностью 8 кА/м; железо - 1,5 Тл.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (меньше 100 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью – пермаллои. Это железо – никелевые сплавы и характеризуются тем, что значения магнитной анизотропии и магнитострикции равны нулю; это является причиной особенно легкого намагничивания пермаллоев. В пермаллоях содержание никеля от 45 до 80% , m_н больше 80 мГн/м; m_мах больше 300 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях; повышенное удельное электрическое сопротивление (по сравнению с чистыми металлами) позволяет их использовать при частотах до 25 кГц; малая Н_с, меньше 16 А/м, уменьшает потери на гистерезис. Пермаллои отличаются хорошей пластичностью - прокатываются в тонкие листы и проволоку. Магнитные свойства сильно зависят от деформации - магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает, поэтому обязательна термическая обработка. Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (большая остаточная индукция, близкая к индукции насыщения). Существует два способа создания материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается холодной пластической деформацией при прокатке с высокими степенями обжатия. Магнитная текстура создается в результате охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка), при этом векторы напряженности ориентируются вдоль поля и при последующем намагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, уменьшает чувствительность к механическим напряжениеям и снижает индукцию насыщения. Недостатками пермаллоев является их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

Альсиферы – тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа. Альсиферы дешевле пермаллоев, но обладают высокая твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсиферов изготавливают методами литья или прессования из порощков.

Магнитные сплавы с особыми свойствами.В ряде случаев требу­ются материалы с повышенным постоянством магнитной прони­цаемости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свой­ствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнитным потоком, в частности в некоторых дросселях, транс­форматорах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборов и др. Магнитная проницаемость может быть обусловле­на обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость постоянна при обратимых процессах намагничи­вания, следовательно, такие материалы должны обладать обрати­мой проницаемостью в различных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемо­сти обладают материалы на основе Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co спла­вов. Тройной сплав (25% Со, 45% Ni, остальное - Fe) называют перминваром. Магнитная проницаемость перминвара после специ­альной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остается постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Для различных типов сердечников, полюсов электромагнитов, работающих в магнитных полях с напряженностью 24000 А/м и выше, необходимы материалы с особо высокой индукцией насы­щения. Такими свойствами обладает Fe-Co - сплав пермендюр, который состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (осталь­ное - железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл). К числу недостатков пермендюра относится малое удельное электрическое сопротивление, кото­рое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимос­тью магнитной проницаемости от температуры для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изго­тавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность свойств магнитных цепей с постоян­ным магнитом. С увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре основного магнита снижается. Это изменение ком­пенсируется возрастанием магнитного сопротивления шунта. Тер­момагнитный материал шунта должен иметь магнитную проница­емость, которая сильно зависит от температуры в рабочем диапа­зоне от -70 до +80 °С, и точку Кюри, близкую к рабочей температуре установки. В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый - кальмаллой, железо-никелевый - термаллой, железо-никель-хромовый - компен­сатор.

Аморфные магнитные материалы (АММ).Особенностью АММ является от­сутствие в них дальнего порядка в расположении атомов. Однако, несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных мо­ментов. АММ во многом подобны стеклам и металлическим рас­плавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществиться.

Аморфная структура получа­ется при скорости охлаждения расплава до 10⁵... 10⁸ K/c, в изделиях в виде проволоки или ленты.

Для повышения характеристик термическую обработку АММ проводят во внешнем магнитном поле, что обеспечивает более высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления. Производ­ство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Металлические магнитомягкие АММ состоят из 75...85% смеси (или одного) из металлов - железа, ко­бальта, никеля и 15... 25% неметаллов (легкоплавкого компонента-стеклообразующего). Перспективными высокопроницаемыми ма­териалами являются аморфные сплавы железа и никеля и кобальта. Для улучшения отдельных свойств АММ дополнительно ле­гируют хромом, молибденом, алюминием, марганцем, ванадием и др. Неметаллы ухудшают магнитные и температурные параметры АММ, но увеличивают удельное электрическое сопротивление.

Аморфные магнитные материалы используются в технике маг­нитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразо­вателях постоянного напряжения на частотах до нескольких мега­герц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с вы­сокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД.

Магнитодиэлектрики. Эти материалы состоят из конгломерата мелкодисперсных частиц ферро- или ферримагнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком - связующим элементом. Благодаря тому, что час­тицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики облада­ют высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вих­ревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницае­мости. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечива­ется жидким стеклом, различными смолами, например полистиро­лом, фенолформальдегидной смолой.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибдено­вого пермаллоя.

Высокочастотные, при высоких частотах растут тепловые потери, что сопровождается ухудшением магнитных свойств, уменьшением магнитной проницаемости. Эффективный способ снижения тепловых потерь - применение материалов с высоким электрическим сопротивление - диэлектриков. К таким материалам относятся - ферриты.

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочета­ние высоких магнитных параметров с большим электрическим со­противлением, которое превышает сопротивление ферромагнит­ных металлов и сплавов в 10³... 10¹³ раз, и, следовательно, они име­ют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнит­ной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe₂O₃, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мп²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺ и др. Кристаллическая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала - благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку.

Удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 10¹² Ом/м. Относительная магнитная проницаемость изменяется в диапазоне - от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения - меньше 0,4 Тл; относительно большая коэрцитивная сила - до 180 А/м; невысокая температура точки Кюри; большая чувствительность к остаточным напряжениям; обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, трудны в обработке.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) применяются в устройствах автоматического управления и вычислительной техники. Важным показателем является коэффмцмент прямоугольности k_пу, который определяется отношением остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

k_пу = B_r / B_max . В качестве ферритов с ППГ используются магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели, легированные ионами цинка, кальция, меди, натрия. Коэффициент прямоугольности для них - k_пу = 0,9…0,94; остаточная индукция B_r B_r = 0,15…0,25 Тл, температура Кюри Т_к = 110…250⁰С (для магниевых ферритов),Тк = 550…630⁰С (для литиевых ферритов).

Ферриты, применяемые для устройств, работающих на высоких частотах имеют сложный состав из четырех и более оксидов: оксида лития, бария. Ферриты -гранаты имеют кристаллическую решетку минерала граната, их формула 3Ме₂О₃ 5Fе₂О₃ , в качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ), применение находят поли- и монокристаллы. Поликристаллические ферриты-гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния, самария. Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготавливают из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формуле R FeO₃, R - редкоземельный металл (иттрий, гадолиний, самарий), они имеют орторомбическую кристаллическую структуру. У них обнаружена специфическая доменная структура - цилиндрические магнитные домены, которые при намагничивании образуют лабиринтовую структуру доменов с высокой подвижностью, что повышает скорость обращения информации в запоминающих устройствах.

4.4. Магнито-твердые материалы

Используют для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей. Они намагничиваются в сильных полях Н больше 1000 кА/м, имеют большие потери при перемагничивании, остаточную индукцию 0,5 - 1 Тл и коэрцитивную силу до 560 кА/м.

Постоянные магниты имеют рабочий зазор; следовательно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью H_d , снижающее индукцию внутри магнита до B_d, котрая меньше остаточной индукции B_r . На рис.23 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов.

Рис.23

Удельная магнитная энергия (Дж/м³) поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита: . Индукция разомкнутого магнита B_d уменьшается c увеличением зазора. При замкнутом магните B_d = B_r – магнитная энергия равна нулю, так как Н_d = 0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равнв коэрцитивной силе материала Н_с , а B_d = 0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия W_d = 0. При некоторых значениях B_d и Н_d энергия достигает максимального значения: Величина W_max является важнейшей характеристикой магнитотвердого материала.

Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости: Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B_r , коэрцитивная сила Н_с и коэффициент выпуклости γ.

Свойства магнитотвердых материалов оценивают стабильностью в условиях длительной эксплуатации при возможных колебаниях температуры. Нестабильность свойств может вызываться структурными изменениями (структурное старение), а также ударами, вибрацией (магнитное старение). В последнем случае свойства легко восстанавливаются повторным намагничиванием. Структурная нестабильность ограничивает применение магнитотвердых материалов с неравновесной структурой.

Магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на литые высокоэрцитивные сплавы, металлокерамические материалы, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных элементов.

Литые высококоэрцитивные сплавы. Наибольшее распростра­нение получили магнитотвердые материалы на основе железо-ни­кель-алюминиевых и железо-никель-кобальт-алюминиевых спла­вов, легированных различными добавками.

Высококоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливает­ся механизмом дисперсионного твердения (иногда такие сплавы называются сплавами дисперсионного твердения). При высоких тем­пературах (1200... 1300°С) растворимость элементов не ограниче­на, и сплавы Fe-Ni-Al находятся в однородном состоянии (α-фаза). При медленном охлаждении до определенной температуры проис­ходит дисперсионный распад равновесной фазы на две (α₁ и α₂) фазы, причем α₁-фаза, по своему составу близкая к чистому желе­зу, является сильномагнитной, фаза α₂ состоит из Ni-Al и являет­ся слабомагнитной. Таким образом, сильномагнитная фаза α₁ в виде однодоменных включений распределена в немагнитной фазе α₂. Материалы, имеющие такую структуру, обладают большим значе­нием коэрцитивной силы.

Высококоэрцитивное состояние сплавов Fe-Ni-Al получается при концентрации 20... 33% никеля и 11... 17 % алюминия. Для улуч­шения магнитных свойств сплавы легируют. Легирование медью повышает коэрцитивную силу и улучшает механические свойства, но приводит к снижению остаточной индукции. Легирование ко­бальтом позволяет существенно увеличить коэрцитивную силу и по­вышает индукцию насыщения и коэффициент выпуклости. В каче­стве легирующих элементов используются также титан, кремний и ниобий. Коэрцитивная сила таких сплавов Н_с = 50 кА/м, а магнитная энергия W_max = 12 кДж/м³.

Магнитотвердые материалы типа Al-Ni-Co представляют со­бой сплав железа с никелем (12... 26 %), кобальтом (2...40%) и алю­минием (6...13 %), содержащий для улучшения магнитных свойств легирующие добавки меди (2...8 %), титана (О... 9%) и никеля (О...3%). Сплавы, содержащие более 15 % кобальта, подвергают тер­момагнитной обработке, которая заключается в охлаждении спла­ва от высоких температур 1250... 1300°С в сильном магнитном поле, при этом возникает магнитная текстура и сплав становится магнитоанизотропным. Изотропные сплавы имеют магнитную энергию W_max = 6 кДж/м³, анизотропные – W_max = 16 кДж/м³.

Для улучшения магнитных свойств в сплавах создают крис­таллическую текстуру, путем направленной кри­сталлизации сплава (особые условия охлаждения сплава). В ре­зультате возникает микроструктура в виде ориентированных стол­бчатых кристаллов. При этом наблюдается увеличение всех магнитных параметров. Магнитная энергия повышается на 60...70% по сравнению с обычной кристаллизацией и достигает 40 кДж/м³.

Изделия из сплавов получают в основном методом литья. Не­достатками сплавов являются особая хрупкость и высокая твер­дость, поэтому обработка их на металлорежущих станках затруд­нена. Механической обработке в виде грубой обдирки резанием с применением твердосплавных резцов поддаются сплавы, не содер­жащие кобальта. Детали из всех сплавов можно шлифовать на плос­кошлифовальных или круглошлифовальных станках в два приема: грубая шлифовка до термической обработки, чистовая - после тер­мической обработки. Для грубой обработки применяют также элек­троискровой метод обработки.

Металлокерамические и металлопластические магниты. Они со­здаются методами порошковой металлургии, которые позволяют автоматизировать процесс производства, получать изделия со стро­го выдержанными размерами.

Металлокерамические магниты изготовляют из измельченных тонкодисперсных порошков сплавов ЮНДК (Ю – алюминий, Н – никель, Д – медь, К – кобальт), а также сплавов Сu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe применением прессования и дальнейшего спека­ния при высоких температурах.

Так как металлокерамические магниты содержат воздушные поры, то их магнитные свойства уступают литым материалам. Как правило, пористость (3...5%) уменьшает остаточную индукцию В_rи магнитную энергию W_max на 10... 20% и не влияет на коэрцитив­ную силу Н_c. Механические свойства их лучше, чем литых магни­тов. Металлопластические магниты изготовлять проще, чем метал­локерамические, но свойства их хуже. Металлопластические маг­ниты получают из порошка сплавов ЮНД или ЮНДК, смешанного с порошком диэлектрика (например, феноло-формальдегидной смо­лой) путем прессования.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение полу­чили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронцие­вого) феррита BaFe₁₂O₁₉ (ВаО-6Fе₂О₃) и кобальтового феррита CoFe₂O₄, (CoO-Fe₂O₃). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый - структуру природного минерала магнито-плюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая на­ряду с мелкозернистой структурой приводит к повышенным зна­чениям коэрцитивной силы (до 350 кА/м).

Все магниты, на основе гексагональных ферритов обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, виб­раций и ударном воздействии, их можно использовать в магнит­ных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 10⁶...10⁹ Ом·м).

Сплавы на основе редкоземельных металлов. Интерметалличес­кие соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ) це­рием Се, самарием Sm, празеодимом Рr, лантаном La и иттрием Y - типа R_x Со_y, где соединение R-P3M обладает очень высокими зна­чениями коэрцитивной силы и магнитной энергии. Из этой группы наиболее важны соединения типа RCo₅ и R₂Co₁₇, которые облада­ют наибольшей магнитной анизотропией, значительной спонтан­ной намагниченностью и высокой температурой Кюри. Соедине­ния RCo₅ нестабильны и распадаются на две или большее количе­ство фаз. Многофазность, высокое значение магнитной анизотропии и магнитострикции являются причинами появления высокой коэр­цитивной силы.

Технология получения магнитов из РЗМ заключается в спека­нии порошков в присутствии жидкой фазы или литья. Жидкая фаза создается благодаря тому, что РЗМ берется в избытке.

Перспективы использования таких сплавов велики. Основные недостатки сплавов: плохие механические свойства (высокая хруп­кость), использование дефицитных материалов и высокая стоимость.

Другие магнитотвердые материалы. Кроме рассмотренных магнитотвердых материалов применяются традиционные материалы для постоянных магнитов - мартенситные стали, а также пластически деформируемые сплавы.

Мартенситом называют особый вид микроструктуры стали, который получают при быстром ее охлаждении (закалке). Образо­вание мартенсита, который имеет пластинчатую форму, сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений, что приводит к появлению большой ко­эрцитивной силы. Используются только легированные мартенсит­ные стали, которые называются по легирующей добавке: хромо­вые (до 3% Сг), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). Значение W_max для мартенситных сталей низкое (1 ...4 кДж/м³). Они имеют склонность к старению. Эти материалы имеют ограни­ченное применение и используются для изготовления магнитов только в наименее ответственных случаях.

Пластически деформируемые сплавы обладают высокими меха­ническими свойствами, хорошо штампуются, обрабатываются на станках.

Наиболее распространенными являются сплавы кунифе (60% Сu, 20% Ni, 20% Fe), кунико (50% Си, 21% Ni, 29% Со, остальное - Fe) и викаллой (51,0...54,0% Со, 10... 13,0% V, остальное Fe). Сплавы кунифе анизотропны, применяются в виде проволоки и штампо­вок. Сплавы кунико дороже сплавов кунифе и применяются для изготовления магнитов сложной конфигурации. Викаллой приме­няют для изготовления мелких магнитов сложной конфигурации.

Магнитные характеристики для этих сплавов: остаточная индукция 0,6…0,9 Тл; коэрцитивная сила 24…57 кА/м; магнитная энергия 2,8…14 кДж/м³.

5. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ