Магнитно мягкие сплавы сообщение

Обновлено: 18.05.2024

К каждому отдельному виду стали или сплаву этой группы предъявляются вполне определенные требования в отношении какого-либо одного физического свойства или группы физических свойств, в то время как требования к другим свойствам, в том числе требования к механическим и технологическим свойствам, играют подчиненную роль. В группу сталей и сплавов с особыми физическими свойствами входят материалы: магнитомягкие и магнитотвердые, с заданным коэффициентом теплового расширения и с заданными упругими свойствами, высокого электросопротивления, жаростойкие и жаропрочные, коррозионностойкие (нержавеющие), износоустойчивые и др. Для магнитомягких материалов характерными свойствами являются низкая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, малые потери на гистерезис и на вихревые токи. В зависимости от условий службы к магнитомягким материалам могут предъявляться различные требования. Наиболее подходящим магнитомягкнм материалом является электротехническое железо. В качестве магнитомягких материалов применяют также сплавы железа и сплавы никеля и кобальта (электротехническая сталь; сплавы пермолой, алсифер, алфенол, терменол). Для получения магнитной мягкости металла или сплава необходимо максимально приблизить его к равновесному состоянию, получить крупное зерно, устранить причины, вызывающие ис-кажение кристаллической решетки и дробление блоков. Электротехническое железо (железо Армко). В соответствии с ГОСТ 3836—47 химический состав должен быть неизменным. Магнитные свойства электротехнического железа можно найти в сети интернет.Наклеп резко ухудшает, а укрупнение зерна и устранение наклепа улучшают магнитные свойства. Для получения крупного зерна и устранения наклепа техническое железо подвергают отжигу при высокой температуре.Электротехническое железо обладает высокой пластичностью и в этом отношении мало уступает меди. Благодаря высокой пластичности оно может подвергаться штамповке, вытяжке и гибке в холодном состоянии. При чрезмерном росте зерна, повышении содержания кислорода и при низких температурах электротехническое железо становится хрупким. Температура его хладноломкости зависит от размеров зерна феррита.Пониженная пластичность наблюдается у железа Армко и в интервале температур 850—'1150°С, что следует учитывать при горячей обработке железа давлением. Применяют электротехническое железо для изготовления различных электромагнитных механизмов, где требуется малая коэрцитивная сила и большая магнитная индукция— магнитопроводов и полюсных наконечников электромагнитов и реле, электроизмерительных приборов, магнитных экранов, мембран и т. п.В определенном смысле разновидностями железа Армко являются электролитическое и карбонильное железо.Электролитическое железо после отжига в водороде для рекристаллизации, а также для удаления углерода и кислорода содержит следующие примеси, %: Переплав в вакууме позволяет существенно улучшить магнитные свойства электролитического железа. Карбонильное железо, получающееся при разложении пентакарбонила железа Fe(CO)s, имеет наивысшие магнитные свойства.Электротехническая сталь. Электротехническую сталь производят в виде тонких листов и применяют для изготовления статоров и роторов электродвигателей и генераторов, сердечников трансформаторов и дросселей, деталей электромагнитных аппаратов и приборов. Эта сталь представляет собой ферритный сплав железа с кремнием при строго ограниченном содержании примесей. Твердый железокремнистый раствор вследствие искажений в кристаллической решетке имеет более высокую коэрцитивную силу, чем чистое железо, однако из-за отсутствия полиморфных превращений при нагреве можно получить очень крупное зерно, которое при охлаждении не измельчается. На практике в таком материале значение коэрцитивной силы получается не больше, чем в обычном железе, а более высокое электросопротивление феррита, легированного кремнием, уменьшает потери на вихревые токи. Кроме того, кремний переводит углерод в форму графита и тем ослабляет вредное влияние углерода на магнитные свойства железа.При повышении содержания кремния сверх 2,5% пластичность стали при комнатной температуре резко падает, а при содержании кремния свыше 4,8% изготовление тонкого листа из сплава становится затруднительным из-за большой хрупкости. При повышении температуры пластичность стали резко возрастает и при нагреве до 160—200°С можно прокатать на листы толщиной 0,1—0,01 мм сплав, содержащий 4—4,5% Si.B зависимости от технологии производства различают электротехническую листовую сталь: горячекатаную с изотропной структурой, холоднокатаную малотекстурованную, холоднокатаную текстурованную.Кристаллы a-железа обладают ярко выраженной анизотропией магнитных свойств, поэтому характер расположения зерен металла решающим образом влияет на магнитные свойства стали. Наиболее легко намагничивается ребро куба и, следовательно, структура с одинаковой ориентировкой всех кристаллов (текстура ребра куба) повышает магнитную проницаемость в одном направлении (вдоль прокатки), ухудшая ее в другом направлении (перпендикулярном к первому). Путем специальных приемов прокатки и термической обработки можно добиться текстуры с повышенными магнитными свойствами, как в продольном, так и в поперечном направлениях.В настоящее время электротехническую сталь высших сортов чаще всего выплавляют в электрических печах. При выплавке стали добиваются заданного содержания кремния и минимального содержания углерода (обычно 0,05%) и других примесей. Горячей прокаткой из стали получают лист (подкат) толщиной до 2,5 мм. Этот подкат подвергают обезуглероживающему отжигу при 800°С, в результате которого содержание углерода в стали снижается примерно до 0,02%. После этого производят холодную прокатку на толщину листа 0,35— 0,50 мм с последующим отжигом для снятия напряжений и укрупнения зерна. Последний отжиг ведут при 1100—l200°C в атмосфере водорода или нейтрального газа. При значительных степенях обжатия (45— 60%) получается хорошо выраженная текстурованная структура; если деформация была менее 7%, то получается так называемая малотекстурованная структура. Листовая электротехническая сталь, полученная только путем горячей прокатки, не имеет текстуры и магнитные свойства ее вдоль и поперек прокатки одинаковы.

Магнитомягкие сплавы – это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Принимается, что сплавы данного класса имеют значения коэрцитивной силы не превышающие 1000-1200 А/м, что обусловлено их малой петлей гестерезиса. Быстро намагничиваются в том числе и в слабых магнитных полях, но и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Рассматриваемые материалы относятся к одной из самых многочисленных групп прецизионных сплавов - с высокой магнитной проницаемостью.

Основными компонентами рассматриваемых материалов являются железо (Fe) и никель (Ni). Достаточно большое количество марок имеют в своем составе еще и кобальт (Co). В качестве легирующих элементов можно отметить хром (Cr), молибден (Mo), ванадий (V), медь (Cu) и кремний (Si). Сплавы системы Fe-Ni часто называют пермаллои, Fe-Co - пермендюры.

Классификация

По основным магнитным, электрическим, механическим свойствам, а также в соответствии с промышленным назначением магнито-мягкие сплавы можно разделить на 8 групп.

Таблица 1

Группа	Марка	Общая техническая характеристика	Назначение
С наивысшей магнитной проницаемостью в магнитных полях	79НМ 80НХС 77НМД	Наивысшая магнитная проницаемость (μ_a=20000÷200000, μ_max=100000÷1000000); наименьшая коэрцитивная сила от 4 до 0,2 А/м при значениях индукции насыщения 0,5-0,8 Тл	Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, дефектоскопов, головок аппаратуры магнитной записи, магнитные экраны
С высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением	50НХС	Большие значения магнитной проницаемости (μ_a=1500÷6000, μ_max=15000÷100000); удельное электрическое сопротивление от 0,9 до 1,0 мкОм·м при значениях индукции насыщения 1,0-1,4 Тл	Сердечники аппаратуры связи дросселей, импульсных трансформаторов
С высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения	45Н (ЭП462) 50Н (ЭП467) 50Н-ВИ	Большая магнитная проницаемость (μ_a=1500÷6000, μ_max=15000÷100000); индукция насыщения не менее 1,5 Тл	Витые и штампованные сердечники междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей
С прямоугольной петлей гистерезиса	50НП 34НКМП 40НКМП 70НМ	Имеют высокую петлю гистерезиса (B_τ/B_s=0,85÷0,98); наивысшая максимальная магнитная проницаемость (μ_max=40000÷1200000) при индукции насыщения до 1,5 Тл	Сердечники магнитных усилителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформаторов, магнитных элементов, счетно-решающих устройств
С высокой индукцией насыщения	49КФ 49К2ФА	Наивысшая индукция насыщения (2,0-2,4 Тл); большое значение температуры Кюри	Сердечники и полюсные наконечники обычных и сверхпроводящих магнитов, электромагнитов, малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей, экранов, роторов и статоров, электрических машин, телефонных мембран, магнитострикционных приборов. Сердечники импульсных и широкополосных трансформаторов
С низкой остаточной индукцией	47НК 64Н 40НКМ 68НМ 79Н3М	Низкая остаточная индукция (5% от B_s); малая зависимость проницаемости от величины намагничивающего поля; высокая стабильность свойств при изменении температуры и воздействии магнитных полей
С высокой коррозионной стойкостью	36КНМ	Коррозионная стойкость в условиях повышенной влажности, морской воде и во многих агрессивных средах	Магнитопроводы различных систем управления, якорей и электромагнитов, магнитопровод пневматических и гидравлических клапанов, работающих без защитных покрытий во влажной и агрессивных средах
С высокой магнитострикцией	49К2Ф	Наивысшие значения магнитострикции 35-8010-6 и низкая коэрцитивная сила до 240 А/м	Сердечники магнитострикционных преобразователей ультразвуковой, гидроакустической аппаратуры, электромеханических фильтров, линий задержки

Свойства магнитомягких сплавов

Свойства того или иного материала зависят от его химического состава, способа производства и некоторых других факторов. Логично рассматривать свойства магнитомягких прецизионных сплавов в рамках групп, описанных в разделе Классификация. Они приведены в столбце Общая техническая характеристика в таблице 1.

Марки

Основные марки прецизионных магнитомягких сплавов приведены в разделе Классификация, таблица 1. Химический состав и прочие требования к ним регламентируются стандартами ГОСТ 10994-74 и ГОСТ 10160-75.

Достоинства / недостатки

Достоинства

имеют большие значения магнитной проницаемости в слабых полях;
обладают малой коэрцитивной силой.

Недостатки

большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям;
пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями;
сравнительно высокая стоимость.

Области применения

Пермаллои, пермендюры и другие представители данного класса прецизионных сплавов находят широкое применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц, а для микронного проката и до более высоких частот. Конкретные варианты применения магнитомягких сплавов приведены в разделе Классификация в таблице 1.

Продукция

--> --> Основные виды полуфабрикатов, которые производятся из магнито-мягких сплавов, определяются дальнейшим применением данных материалов. Это, в основном, магнитопроводы, сердечники и прочие подобные электротехнические элементы. Соответственно, среди заготовок можно выделить листы, ленты (в том числе микронной толщины) и прутки.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Магнитно-мягкие стали применяют для получения магнитопроводов постоянного и переменного тока, применяемых для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д.

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

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости ферромагнитный магнитно-мягкий материал должен быть чистым по примесям и неметаллическим включениям, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). Даже слабый наклеп снижает магнитную проницаемость и повышает Н_С. Поэтому сплав должен быть полностью рекристаллизован для устранения внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

Для характеристики явления намагничивания вводится величина I – намагниченность вещества, которая измеряется в А/м, т.е. в тех же единицах, что и напряжённость магнитного поля. Физический смысл намагниченности вещества состоит в том, что она представляет собой векторную сумму магнитных моментов частиц вещества (молекул) в единице его объёма:

где - намагниченность вещества, А/м; V – объём вещества, м 3 ; - магнитные моменты отдельных молекул, А×м 2 .

Намагниченное вещество создаёт дополнительное магнитное поле с индукцией , Тл:

где m₀ – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м. Это постоянная величина, m₀ = 4p×10 -7 Гн/м =1,26×10 -6 Гн/м.

Намагниченность вещества связана с напряжённостью магнитного поля:

где Н – напряжённость магнитного поля электрического тока, намагничивающего ферромагнетик, А/м; k - магнитная восприимчивость ферромагнетика; m - относительная магнитная проницаемость ферромагнетика. Величины k и m – безразмерные величины. Относительная магнитная проницаемость равна отношению суммарной магнитной индукции поля в веществе (B) к магнитной индукции поля в вакууме (B₀=m₀H) в той же точке среды:

Отсюда следует, что магнитная восприимчивость ферромагнетика равна отношению дополнительной магнитной индукции к магнитной индукции поля в вакууме в той же точке среды:

Из этого следует связь между общей магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля:

Иногда в справочной литературе напряжённость магнитного поля приводится во внесистемных единицах – эрстедах (э). Соотношение между А/м и э следующее:

1 э = А/м = 79,577 А.

Петлёй гистерезиса называется сложная кривая зависимости магнитной индукции поля (B) или намагниченности ферромагнетика (I) от напряжённости магнитного поля (Н), создаваемого переменным синусоидальным электрическим током, в которое помещён ферромагнетик.

При снятии внешнего поля ферромагнетик остаётся намагниченным с остаточной индукцией B_r. Чтобы размагнитить ферромагнетик, нужно снять остаточную индукцию, для этого нужно создать поле противоположного направления.

Напряжённость поля H_C (отрезок 0-3), при которой индукция обращается в нуль, называется коэрцитивной напряжённостью или коэрцитивной силой. Значению – H (точка 4 на рисунке 1) соответствует намагниченность насыщения -I_H (или индукция насыщения -B_H) и, соответственно, +Н (точка 1 на рисунке 1) – намагниченность насыщения + I_H (или индукция насыщения +B_H). За один цикл изменения напряжённости поля от +Н до –H на перемагничивание ферромагнетика расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса.

С учётом требований к магнитно-мягким материалам, нужно отметить, что площадь петли гистерезиса у них должна быть минимальной, т.е. петля гистерезиса должна быть достаточно узкой. Для ферромагнетиков (в частности для магнитно-мягких сталей) обычно указывается начальная относительная магнитная проницаемость (m_н), когда напряжённость поля и индукция близки к нулю, и максимальное значение относительной магнитной проницаемости (m_max), так как зависимость m=f(H) проходит через максимум.

К магнитно-мягким сплавам сейчас предъявляются всё более сложные требования: сплавы не должны подвергаться температурным воздействиям, вибрации, воздействию ионизирующих излучений (не должны стареть) и т.д. С 1950 года, когда Эльменом был изобретён пермаллой – классический магнитно-мягкий материал, было разработано несколько десятков магнитно-мягких сплавов, в основном на основе систем Ni-Fe, Co-Fe, Fe-Al, Fe-Si.

Старейшие магнитно-мягкие материалы – это сплавы системы Ni-Fe – пермаллои, которые наиболее полно изучены. В этой системе сплавы делят на две группы: низконикелевые (45-50% Ni) и высоконикелевые (79-83% Ni). Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н, 60НХС) имеют повышенную магнитную проницаемость и индукцию насыщения. Их свойства колеблются в пределах: m_н = 2000 – 3000, m_max = 30000-35000 , B_H = 1,0 – 1,5 Тл, H_C = 8 – 16 А/м.

Высоконикелевые пермаллои (79НМ, 81НМА, 80НХС) характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых полях при сравнительно небольшой индукции насыщения и малой коэрцитивной силе: m_н = 20000-35000, m_max =(1,0-1,2)×10 5 , B_H = 0,7 – 1,1 Тл, H_C = 1,2 – 2,4 А/м. Пермаллои часто легируют Si, Mo и Сr, что приводит к уменьшению чувствительности к пластической деформации, повышению удельного электросопротивления (уменьшение потерь с вихревыми токами Фуко) и относительной магнитной проницаемости.

Ряд магнитных сплавов разработан на основе системы Fe – Al. Среди легированных железоалюминиевых сплавов наиболее широко применяются 16ЮХ и 12ЮК (легированные Cr и Co). Сплавы системы Fe – Al ферромагнитны при содержании алюминия не свыше 17%. Характерное влияние Al в этих сплавах проявляется в увеличении прочности, повышении стойкости к истиранию, росте удельного электросопротивления (r). Резервы свойств сплавов на основе системы Fe – Al могут быть увеличены при легировании хромом (Cr) и рением (Re): 16ЮИХ.

Прецизионные сплавы на основе системы Fe – Si содержат кремния не свыше 7%, так как сплавы с большим содержанием кремния непластичны и хрупки. Обычно содержание кремния в прецизионных магнитно-мягких сплавах 3 – 7%. С повышением содержания кремния увеличивается магнитная проницаемость (m), твёрдость (HB), прочность (s_в). Кроме того, в сплавах Fe – Si при ударных нагрузках, вибрациях, сжатии и колебаниях температур наблюдается большая стабильность магнитных свойств, чем в сплавах системы Ni – Fe.

где - намагниченность вещества, А/м; V – объём вещества, м 3 ; - магнитные моменты отдельных молекул, А×м 2 .

Намагниченное вещество создаёт дополнительное магнитное поле с индукцией , Тл:

где m₀ – магнитная проницаемость вакуума, Гн/м. Это постоянная величина, m₀ = 4p×10 -7 Гн/м =1,26×10 -6 Гн/м.

Намагниченность вещества связана с напряжённостью магнитного поля:

Из этого следует связь между общей магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля:

1 э = А/м = 79,577 А.

Магнитомягкие сплавы — ферромагнитные сплавы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса и поэтому малой коэрцитивной силой. Хотя магнитномягкие материалы не ограничены конкретным значением коэрцитивной силы, принимается, что она не превышает 10—12 Э.

При таком общем определении магнитомягких сплавов к ним нужно отнести трансформаторную сталь и другие электротехнические стали, в том числе железо, а также некоторые конструкционные и нержавеющие ферромагнитные стали. Однако в силу большой номенклатуры указанных сталей и сплавов, а также специфики их магнитных свойств и применения (относительно крупное электромашиностроение, трансформаторостроение и т. д.), как правило, их выделяют в самостоятельные группы.

По основным магнитным, электрическим, механическим свойствам и назначению описываемые здесь магнитомягкие сплавы можно разделить на 12 групп (табл. 1).

Наивысшие значения магнитной проницаемости (μ_а = 20000—300000 Гс/Э, μ_m = 100000—1000000 Гс/Э); наименьшие значения коэрцитивной силы - от 0,05 до 0,005 Э при средних значениях индукции насыщения 6000—8000 Гс.

Высокая магнитная проницаемость (μ_α = 1500—6000 Гс/Э, μ_m = 15000—100000 Гс/Э); удельное электрическое сопротивление от 0,9 до 1 мкОм·м [(Ом·мм 2 )/м] при значениях индукции насыщения 9000 Гс до 14000 Гс

Высокая магнитная проницаемость (μ_α от 2000 до 5000 Гс/Э, μ_m от 20000 до 100000 Гс/Э). Индукция насыщения не менее 15000 Гс

Наивысшая максимальная магнитная проницаемость (μ_m от 40000 до 1200000 Гс/Э) и прямоугольность петли гистерезиса (B_r/B_s от 0,90 до 0,98) при индукции насыщения до 15000 Гс

Высокая прямоугольность петли гистерезиса (В_r/В_m = 0,9—0,96); коэрцитивная сила от 0,04 до 0,6 Э, низкий коэффициент перемагничивания

Низкая остаточная индукция (5% от B_s); малая зависимость проницаемости от величины намагничивающего поля; высокая стабильность свойств при изменении температуры и воздействии магнитных полей

Наивысшие значения твердости (HV от 250 до 500), прочности (σ_в до 75 кгс/мм 2 ), износостойкости в сочетании с высокой магнитной проницаемостью (μ₅ от 10000 до 50000 Гс/Э) и удельным электрическим сопротивлением до 1,5 [(Ом·мм 2 )/м]

Коэффициент линейного теплового расширения близок к коэффициенту линейного теплового расширения мягких стекол; коэрцитивная сила менее 0,2 Э при индукции насыщения от 13000 до 16000 Гс

Магнитопроводы различных систем управления, якорей и электромагнитов, магнитопроводов пневматических и гидравлических клапанов, работающих без защитных покрытий во влажной и агрессивных средах

Наивысшие значения магнитострикции 35—80·10 –6 и низкая коэрцитивная сила 0,3—3,0 Э

Линейная температурная зависимость магнитной индукции при крутизне от 30 до 60 Гс/град в области полей от ~30 до 1500 Э

Магнитные свойства магнитомягких сплавов в постоянном поле определяются химическим составом, структурой и текстурой сплава после окончательной термической обработки. В свою очередь структура и текстура сплава зависят от способа изготовления. Некоторые свойства (намагниченность насыщения и температура Кюри) сравнительно слабо меняются при небольших изменениях состава и обычно не зависят от условий изготовления и термической обработки. Наоборот, такие характеристики, как проницаемость, коэрцитивная сила, потери на гистерезис, сильно зависят от этих факторов и более других физических свойств чувствительны к изменениям содержания примесей или условий и режима термической обработки. Поэтому их называют структурно чувствительными свойствами.

Структурно чувствительные свойства зависят также от химического состава, содержания примесей, неметаллических включений, температуры испытаний, кристаллической структуры, в том числе сверхструктуры и наведенной анизотропии, ориентации кристаллов, дефектов кристаллической решетки и напряжений. В зависимости от величины основных физических констант (констант анизотропии и магнитострикции), которые определяются общим составом сплава, указанные факторы могут в разной степени воздействовать на структурно чувствительные свойства. Иногда эти факторы действуют в противоположных направлениях, как например растягивающие и сжимающие напряжения в области предела упругости в сплавах с положительной или отрицательной магнитострикцией. Именно поэтому при изготовлении магнитномягких сплавов можно путем различных технологических операций (выплавка, горячая и холодная прокатки, промежуточная и окончательная термическая обработки) оказывать направленное воздействие на структуру, анизотропию (кристаллографическую или наведенную), тип и количество неметаллических включений, примесных атомов и другие факторы, постигая тем самым требуемого сочетания и уровня свойств.

В связи с этим технологический процесс изготовления магнитомягких сплавов, как правило, строго регламентирован начиная с подбора шихтовых материалов и кончая окончательной термической обработкой.

В настоящее время выплавку магнитомягких сплавов в промышленных условиях проводят в индукционных открытых и вакуумных печах, а также индукционных печах с контролируемой атмосферой. В некоторых случаях для получения экстремальных свойств используют различные виды переплава: электрошлаковый (ЭШ), электроннолучевой (ЭЛ), плазменно-дуговой (ПД).

Последующий передел слитков проводится с применением различных способов обработки. К их числу относятся ковка, горячая, теплая и холодная прокатка, волочение, термическая обработка, в контролируемых рафинирующих средах и вакууме и термомагнитная обработка (в продольном или поперечном магнитном поле).

В каждом частном случае технология выплавки и последующих операций определяется механизмом формирования конечных свойств в сплаве данного состава.

Нормируемые ГОСТом и техническими условиями свойства магнитомягких сплавов гарантируются после изготовления изделия (магнитопровода) из нагартованной ленты (листа, прутка), и термической обработки в нормируемых условиях по рекомендованному режиму. В связи с высокой чувствительностью основных магнитных свойств к локальным или макроскопическим воздействиям, вызывающим пластическую или упругую деформацию (вырубка, рихтовка пластин, резка и навивка ленты, зачистка, сверление отверстий, сварка, электроизоляционное покрытие и т. д.), все технологические операции по изготовлению магнитопровода необходимо проводить до окончательной термической обработки.

В некоторых случаях, как например при изготовлении головок магнитной записи, неизбежны операции после окончательной термической обработки, вызывающие возникновение напряжений (пропитка, механическая полировка). При этом нужно учитывать неизбежное снижение магнитных свойств, степень которого будет зависеть от технологии этих операций, а в конечном счете — от величины возникающих напряжений.

Магнитные свойства сердечников в переменных и импульсных полях в значительной степени зависят от качества электрической изоляции между витками витого или пластинами наборного сердечника. Электроизоляционное покрытие и технология его нанесения должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1) высокая однородность, сплошность и достаточное электрическое сопротивление при толщине покрытия 0,5—5 мкм (на сторону);

2) высокая термическая стойкость при температурах отжига 1100—1300°С в среде чистого сухого водорода или глубокого вакуума;

3) отсутствие химического взаимодействия или взаимной диффузии компонентов металла и покрытия.

Магнитомягкие сплавы изготовляют и поставляют в виде холоднокатаных лент толщиной от 0,0015 до 2,5 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков. Сплав 50НП изготовляют только в виде лент толщиной 0,02; 0,05 и 0,1 мм.

Аналогичные данные на ленту толщиной менее 0,02 мм нормируются техническими условиями и приводятся при описании сплавов.

Допускаемые ГОСТ 10160—75 отклонения по ширине лент приведены в табл. 4.

Сплавы поставляют в холоднокатаном состоянии без термической обработки. Для получения нормируемых магнитных свойств изделия из сплавов должны пройти термическую обработку, указываемую для каждого сплава.

Изложенные ниже материалы содержат данные о сортаменте и нормируемых свойствах, а также обширные справочные сведения о поведении сплавов в различных условиях эксплуатации. Приведены свойства сплавов в постоянных и переменных полях при воздействии положительных и отрицательных температур, при механических воздействиях. Кроме того, приведены данные о физических свойствах сплавов.

Магнитные свойства, приведенные в марочнике, соответствуют наиболее характерным свойствам, получаемым при изготовлении образцов и проведении термической обработки по рекомендациям ГОСТ или технических условий.

Магнитные материалы широко используются в электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении. К магнитным материалам относят:

магнитно-мягкие материалы;
магнитно-твердые материалы;
магнитодиэлектрики;
ферриты.

Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы должны иметь высокую начальную и максимальную магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. Кроме этого, они должны обладать незначительными потерями при перемагничивании на вихревые токи, обладать малой площадью петли гистерезиса и сравнительно высоким электрическим сопротивлением.

Изготовление магнитно-мягких изделий литьём трудоёмко и связано с большими потерями материала. Себестоимость магнитно-мягких спеченных деталей гораздо ниже себестоимость тех же деталей, изготовленных путём обработки на металлорежущих станках из компактного материала. При этом в ряде случаев требования промышленности настолько высоки, что выполнение их на базе существующей технологии изготовления магнитно-мягких материалов невозможно.
Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и другими. Порошок железа, применяемый как основа магнитно-мягких материалов, должен содержать углерода не более 0,07%. Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов

При изготовлении магнитно-мягких материалов из железного порошка необходимое количество его смешивают с определенной дозой стеротекса (цинковая соль стеариновой кислоты) для улучшения прессуемости порошка. Затем проводят прессование и спекание в атмосфере водорода. Охлаждение после спекания осуществляют в холодильнике печи также в атмосфере водорода. После спекания изделия подвергают допрессовке, после которой проводят повторное спекание в водороде (отжиг).

В результате такой обработки получают изделия, имеющие характеристики:

остаточная магнитная индукция В₈₀₀, Тл – 0,9
максимальная магнитная проницаемость μ_max, мГн/м –3400 –3500
коэрцитивная сила Н_с, А/м – 96–104

Чистое железо имеет низкое электросопротивление. Поэтому для изделий из него характерны большие потери на вихревые токи. Для снижения этих потерь применяют сплавы железа с кремнием, кремнием и алюминием или другими легирующими добавками. Лучшие свойства достигаются при содержании кремния 4–6 %. Сплавы с большим содержании кремния имеют высокую твердость, повышенную хрупкость и плохую обрабатываемость.

Сплавы типа пермаллоя можно получать как из механической смеси порошков, так и из порошков полученных путем совместного осаждения карбонилов железа и никеля. Сплав, получаемый совместным легированием карбонилов, имеет более высокие свойства, чем полученный механическим смешиванием отдельных компонентов. Так, в первом случае коэрцитивная сила Н_с= 0,537 А/м, максимальная магнитная проницаемость μ_max= 6,62 мГн/м , а во втором соответственно Н_с=0,0417 А/м, μ_max= 3,49 мГн/м.

В настоящее время разработан электролитический метод получения порошковых магнитно-мягких сплавов типа тройного пермаллоя (Ni–Fe–Mo) и четверных супермаллоев ( Ni–Fe–Mo–Mn и Ni–Fe–Mo–Cu) с высокими магнитными свойствами. Из-за высокой твердости частиц такие порошки плохо прессуются. Для улучшения прессуемости в состав вводят определенное количество пластмассы, которая при спекании в водороде полностью удаляется и не влияет на магнитные свойства.
В ряде случаев для улучшения свойств магнитно-мягких материалов проводят термомагнитную обработку, которая заключается в нагреве магнитных изделий до температуры порядка 710 °С с выдержкой при этой температуре и последующем охлаждением в магнитном поле. Магнитная проницаемость после такой обработки повышается.

Магнитно–твердые материалы

Магнитно–твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов, обладающих высокими значениями коэрцитивной силы и большой остаточной магнитной индукцией.

За последние годы появились новые виды магнитно-твердых материалов, которые могут быть получены только из порошков. К ним можно отнести магниты на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами, магниты на основе ферритов, на основе высокодисперсных порошков железа и его сплавов с кобальтом, магниты на основе сплавов марганца с висмутом и алюминием.

Постоянные магниты характеризуются высокими магнитными свойствами, получаемыми в результате образования гетерогенной структуры, которая достигается в процессе спекания или последующей термической обработки.

В качестве исходных материалов для производства постоянных магнитов используют чистые порошки железа, никеля, кобальта и меди. Обычно это порошки, полученные электролизом или карбонильным методом. Алюминий вводят в виде порошка железоалюминиевой или никельалюминиевой лигатуры,
который получают размолом литого сплава или распылением расплава. Использование лигатур дает возможность снизить температуру спекания за счет образования жидкой фазы. При производстве постоянных магнитов в качестве исходных материалов могут использоваться и порошки сплавов металлов. При использовании порошков сплавов уровень достигаемых магнитных свойств бывает выше. Широкое распространение получили сплавы на основе железа типа Fe –Ni –Al –Co с добавками различных элементов.

При получении магнитов исходные порошки смешивают и из смеси прессуют заготовки. Для улучшения прессуемости в смесь вводят в качестве смазки незначительное количество стеротекса. Прессовки спекают в атмосфере очищенного от кислорода и азота водорода. Температуру спекания выбирают в зависимости от состава, формы и размера спекаемых заготовок. Обычно она составляет 1280–1350 °С. Структура спеченного материала зависит от скорости охлаждения и последующей термической обработки, которую проводят по режимам обычным для литых магнитов из сплавов аналогичного состава. Магниты типа альни ( Fe –Ni –Al –Cu) подвергают закалке на воздухе, типа альнико (Fe –Ni –Al –Co –Cu) – закалке на воздухе и отпуску, типа магнико ( Fe –Ni –Al –Co –Cu ) – закалке на воздухе с одновременным наложением магнитного поля и отпуску. Для сплавов альни и магнико термическая обработка после спекания обязательна. Свойства порошковых магнитно–твердых материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Свойства порошковых магнитотвердых материалов

При легировании сплавов альни кобальтом повышается остаточная индукция и коэрцитивная сила. Сплавы в зависимости от содержания кобальта получили название альнико или магнико. В силовых магнико содержание никеля и алюминия уменьшено, а содержание кобальта увеличено до 20 –25%. В этих сплавах за счет термомагнитной обработки, сущность которой состоит в том, что магнит, нагретый до температуры около 1300 °С, охлаждают в магнитном поле с определенной напряженностью, достигается коэрцитивная сила величиной 40 – 48 кА/м при магнитной индукции 1,2 –1,5 Тл.

Большой интерес представляют магнитнотвердые материалы, полученные из мелкодисперсных порошков, имеющих размер частиц 0,05 –0,50 мкм. Порошки железа или смесь порошков железа и кобальта прессуют, прессовки пропитывают раствором бакелитовой смолы и нагревают для полимеризации.

В тонкодисперсном железном порошке содержатся оксиды, которые способствуют значительному повышению коэрцитивной силы.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой металлопластические магнитные материалы, состоящие из многокомпонентных композиций на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами.

Они характеризуются постоянством магнитной проницаемости, большим удельным электросопротивлением, низкими потерями на вихревые токи и на гистерезис и широко используются в электро – и радиотехнике.

В качестве исходных магнитных материалов применяются карбонильные или электролитическое железо, пермаллой, железокремнийалюминиевые (альсифер) и железоникелькобальтовые сплавы и другие ферромагнетики. В качестве диэлектриков, изолирующих ферромагнитные частицы порошков, используют различные искусственные смолы типа бакелита стирола, аминопласта. А также силиконы, пластмассы, силикаты, жидкое стекло и другие материалы, хорошо покрывающие частицы ферромагнетика и образующие сплошную изолирующую пленку.

Смешивание ферромагнетика со связующим в виде твердого порошка осуществляют в обычных смесителях, а с жидким –в подогреваемых реакторах при непрерывном перемешивании до осаждения изоляционной пленки на частицах сплава. Иногда с целью повышения механической прочности проводят многослойную изоляцию, нанося на частицы ферромагнетика несколько слоев диэлектрика.

Некоторые свойства магнитодиэлектриков приведены в таблице 3.

Параметрами, характеризующими структуру магнитодиэлектрика, являются коэффициент объемного заполнения ферромагнитной фазой, общая поверхность частиц ферромагнетика, средняя толщина прослоек между частицами или толщина диэлектрической пластинки и объемная концентрация диэлектрической фазы.

Ферриты

Ферриты представляют собой класс магнитных материалов, состоящих из оксидов железа (Fe2O3) и других металлов (NiO, MgO, ZnO, MnO, CuO, BaO и др.). Состав ферритов можно записать формулой

Me –двухвалентный металл.

Компоненты, входящие в ферриты, образуют между собой обширные области твердых растворов, в которых присутствуют магнитные материалы с очень широким диапазоном свойств. Эти материалы могут быть магнитно-твердыми и магнитно-мягкими.

Процесс производства ферритов

Процесс производства ферритов представляет собой сложный комплекс технологических операций, так как электромагнитные свойства ферритов изменяются при незначительных отклонениях от состава шихты, зернистости порошков, удельного давления при прессовании, температуры и времени спекания.

Процесс производства ферритов состоит из следующих этапов:

составление, смешивание, помол и отжиг шихты;
введение пластификаторов, второе смешивание с помолом и протирка шихты;
прессование и спекание.

В зависимости от состава ферритов их спекание проводят при температурах от 900 до 1400 °С в воздушной среде. Однако в некоторых случаях применяют инертную среду. После обжига изделия проверяют на отсутствие трещин, сколов, сохранение конфигурации и размеров, а также на электромагнитные параметры.

Магнитные свойства ферритов зависят от химического состава, условий спекания и режима последующего охлаждения. В зависимости от этих условий ферриты могут иметь начальную магнитную проницаемость от единицы до 4000. Индукция насыщения ферритов бывает не высокой. Так при полях в 8–12 кА/м индукция насыщения составляет не более 0,4 Тл. Ферриты трудно намагничиваются, и полное магнитное насыщение у них наступает при очень сильных полях.

Удельное электрическое сопротивление ферритов колеблется в пределах 0,1·10 5 Ом·м, в то время как у металлов оно составляет не более 10 -6 мОм⋅. Ферриты представляют собой соединения сложного структурного строения. Наиболее распространены ферриты типа шпинели, у которых элементарные ячейки аналогичны природному минералу MgO⋅Al₂O₃. Имеются ферриты с гексагональной решеткой, строение которых аналогично природному материалу Pb(Fe·Mn)₁₂O₁₉. Кроме того существуют ферриты с элементарной ячейкой, подобной природному минералу – гранату и ферриты типа перовскита, аналогичные по структуре природному минералу CaO⋅TiO₂.

Ферриты применяют для изготовления деталей радиоприемников, телевизоров, запоминающих и вычислительных устройств, систем магнитной записи и в качестве конструкционного материала для построения элементов связи.

Новыми перспективными магнитными материалами являются постоянные магниты на основе редкоземельных металлов, и аморфные магнитные материалы. Магниты на основе редкоземельных металлов представляют собой соединения редкоземельных элементов с кобальтом типа:

Они имеют высокую магнитную энергию ( 250 – 290 мДж/м 3 ) и применяются в микроволновых устройствах, авиационной, космической и других отраслях техники.

Аморфные магнитные материалы имеют состав, который можно описать формулой:

Т – Fe, Co, Ni (могут быть микродобавки других металлов);
M – P, C, B, Si, Al.

Аморфные материалы не имеют границ зерен, и величина коэрцитивной силы в них исчезающе мала ( порядка 0,5 А/м). Они используются для изготовления магнитных экранов, головок магнитнозаписывающих устройств, сердечников реле и других изделий.

Читайте также: