Сообщение магнитно твердые сплавы

Обновлено: 05.07.2024

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.

Магнитотвердые сплавы (магнитожесткие материалы) - намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряженностью в тысячи и десятки тысяч А/м. Перемагничивание - изменение направления намагниченности образца на противоположное под действием внешнего магнитного поля. Характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы, остаточной магнитной индукции, магнитной энергии на участке размагничивания ("спинка" петли гистерезиса). В качестве магнитотвердых материалов используются, например, сплавы типа магнико, ални, викаллой, некоторые ферриты, соединения редкоземельных элементов с кобальтом.

Рассматриваемые материалы строятся на базе химических систем Fe-Ni-Al, Fe-Co-Ni-Al, Fe-Cr-Co, Fe-Co-V, Fe-Cr-Ni, легированных сталей (Cr, Co, Mo, W) - сплавы для постоянных магнитов; Fe-Co-V, Fe-Co-Ni-V, Fe-Co-Cr-V, Fe-Cr-W, Fe-Co-W-Mo - сплавы для гистерезисных двигателей; Fe-Co-Cr, Fe-Ni, Fe-Co-Ni - сплавы для элементов памяти. Fe - железо, Ni - никель, Al - алюминий, Co - кобальт, Cr - хром, V - ванадий, W - вольфрам, Mo - молибден.

Классификация

Таблица 1

Группа	Марка	Общая техническая характеристика	Назначение
Для постоянных магнитов	52К11Ф (52КФВ) 52К12Ф (52КФБ) 52К13Ф (52КФА)	Коэрцитивная сила по индукции составляет H_cB=15÷40 кА/м, магнитная энергия (BH)_max=12÷28 Тл·кА/м	Малогабаритные магниты толщиной или диаметром 0,2-3 мм
Для постоянных магнитов	ЕХ3 ЕВ6(Е7В6) ЕХ5К5 ЕХ9К15М2 (ЕХ9К15М)	Значение коэрцитивной силы по индукции находится в диапазоне H_cB=5÷12 кА/м, магнитной энергии - (BH)_max=1÷2 Тл·кА/м	Недорогие магниты неответственного назначения
Для гистерезисных двигателей	52К10Ф (52КФ10) 52К11Ф (52КФВ) 52К12Ф (52КФБ) 52К13Ф (52КФА) 35КФ10Н	Напряженность поля при максимальной проницаемости составляет H_μmax=12÷33 кА/м, коэффициент выпуклости петли гистерезиса - γ_μmax=0,5÷0,6	Шихтованные роторы машин средней и большой мощности
Для гистерезисных двигателей	35КХ4Ф 35КХ6Ф 35КХ8Ф	H_μmax=3,2÷8,6 кА/м, γ_μmax=0,55÷0,68. Повышенное удельное электросопротивление ρ≈0,8 мкОм·м. Пониженная чувствительность к температуре отпуска (по сравнению со сплавами типа 52КФ)	Шихтованные роторы машин небольшой мощности, работающие на частоте выше 1000 Гц
Для элементов памяти	35КХ12 35КХ15 37КХ12	Значения характеристик при измерении в поле составляют: максимальная напряженность магнитного поля для данного цикла намагничивания H_max=16 кА/м; коэрцитивная сила H_c=2,0÷5,6; максимальная индукция для данного цикла намагничивания B_max=1,6÷1,9 Тл; коэффициент прямоугольности B_τ/B_max>0,85	Элементы с внешней памятью типа феррит

Свойства магнитотвердых сплавов

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

Марки

Основные марки прецизионных магнитотвердых сплавов приведены в разделе Классификация, таблица 1. Химический состав и прочие требования к ним регламентируются стандартами ГОСТ 10994-74 и ГОСТ 17809-72.

Области применения

Магнито-твердые материалы имеют три основных направления промышленного применения: производство постоянных магнитов; изготовление активных частей роторов гистерезисных электродвигателей; создание элементов памяти систем управления, автоматизации и связи, носителей магнитной записи информации.

Постоянные магниты используются для создания заданной напряженности магнитного поля или заданного магнитного потока в определенном рабочем пространстве.

В роторах гистерезисных электродвигателей магнитотвердые сплавы используются для создания крутящего момента роторов и работают в переменном магнитном поле, напряженность которого составляет от 1,6 до 32 кА/м в зависимости от конструкции и назначения двигателя.

Сплавы для элементов памяти систем управления, автоматизации и связи используются в качестве так называемых полупостоянных или переменных магнитов, подвергаемых в процессе эксплуатации большому числу циклов перемагничивания (~10 9 -10 10 ). В случае элементов с внешней памятью (типа феррит) полутвердые сплавы выполняют только функцию управления быстродействующими малогабаритными реле (герконами), содержащими контактные пружины из магнитомягкого сплава типа 52Н-ВИ. В элементах с внутренней памятью - герконах с памятью или гезаконах (герметизированных запоминающих контактах) - сами контактные пружины выполняются из полутвердого магнитного сплава, за которым сохраняется и функция управления замыканием и размыканием контактов.

Продукция

--> --> Промышленность производит магнитотвердые материалы в виде плоского (лента, лист) и круглого (проволока, пруток) проката. Тот или иной вид заготовок выбирается в зависимости от конкретной области применения.

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

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы должны иметь высокое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции, а также неизменность этих свойств во времени. К таким материалам относятся закаливаемые на мартенсит углеродистые, хромистые, кобальтовые, вольфрамовые стали, а также ряд литых и металлокерамических сплавов.Углеродистую сталь (типа У110—У112) обычно используют для изготовления небольших по размерам постоянных магнитов. Хромистая сталь для постоянных магнитов содержит до 3,6% Сг и обладает значительно большей прокаливаемостью,чем углеродистая. Это позволяет изготовлять из такой стали магниты больших размеров.Кобальтовые стали наряду с хромом содержат до 16,5% Со. Эти стали обладают очень высокими магнитными свойствами — коэрцитивная сила их равна 100—1150 э при остаточной индукции 8500—8000 гс.Вольфрамовые стали содержат 5,2— 6,2 % W, коэрцитивная сила их 60 э при остаточной индукции 10 000 гс. Технические требования на хромистую, кобальтовую и вольфрамовую магнитотвердую прутковую сталь для постоянных магнитов установлены ГОСТ 6862—71.Железоникелевые сплавы обладают наиболее высокими магнитными свойствами, необходимыми для постоянных магнитов: коэрцитивная сила составляет 400—500 э при остаточной индукции 6000—7000 гс. Из этих сплавов можно делать мощные малогабаритные магниты. Однако они практически не поддаются обработке, поэтому магниты из таких сплавов изготавливают отливкой или металлокерамическим способом с последующей шлифовкой. Добавка в железоникелевые сплавы меди и кобальта улучшает их магнитные свойства.Для получения необходимых магнитных свойств все магнитотвердые сплавы подвергают сложной термической обработке, а высококобальтовые сплавы (более 18% Со) закаливают в магнитном поле. Для осуществления такой обработки магнит, нагретый до температуры закалки, помещают между полюсами электромагнита и так охлаждают до 500°С; дальнейшее охлаждение производят обычным образом на воздухе. После такой обработки магнит получает очень высокие магнитные свойства в том направлении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закалке.Таким образом, высокую магнитную проницаемость можно получить ориентировкой внутренних напряжений (путем медленного охлаждения в магнитном поле). Такая ориентировка называется магнитной текстурой.Марки и химический состав стали и сплавов с высоким омическим сопротивлением установлены ГОСТ 12766—67. Стандарт предусматривает изготовление окалиностойких деформируемых сталей и сплавов с высоким удельным электросопротивлением в виде ленты, проволоки и прутков. Химический состав стали и сплавов должен соответствовать нормам.Основные свойства стали и сплавов и рекомендуемое примерное их назначение характеризуются данными, приведенными ниже.Сталь марки Х13Ю4 окалиностойка в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения; она склонна к провисанию при высоких температурах; рекомендуется для изготовления ленты и проволоки для элементов нагревательных приборов и реостатов с максимальной рабочей температурой нагрева 1000°С.Сталь марки 0Х23Ю5 окалиностойка в такой же атмосфере, что и сталь марки ХЛЗЮ4, имеет склонность к провисанию при высоких температурах; ее рекомендует применять при изготовлении промышленных и лабораторных печей, нагревательных бытовых приборов, реостатов и спиралей свечей накаливания с рабочей температурой нагрева до 1200°С.Сталь марки 0Х23Ю5А имеет такие же характеристики и назначение, что и сталь марки 0Х23Ю5. Приборы и изделия, изготовленные из этой стали при рабочей температуре нагрева до 1200°С, имеют более продолжительный срок службы, чем из стали марки 0Х23Ю6.Сталь марки 0Х27Ю6А окалиностойка в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые газы, склонна к провисанию при высоких температурах; рекомендуется применять ее в виде проволоки и ленты для высокотемпературных промышленных и лабораторных печей с максимальной рабочей температурой нагрева до 1300°С.Сплавы марок Х25Н20 и Х15Н60 окалиностойки упругими свойствами в окислительной атмосфере, в водороде, в вакууме; неустойчивы в атмосфере, содержащей серу и сернистые газы; сплавы более жаропрочны, чем хромоалюминиевые сплавы. Из сплава Х15Н60 изготавливают проволоку и ленту для промышленных электрических аппаратов теплового действия, реостатов и бытовых приборов, а из сплава Х25Н20 — проволоку для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов с максимальной рабочей температурой нагрева до 1000°С.Сплавы Х15Н60-Н, Х20Н80, Х20Н80-Н по поведению в окислительной атмосфере, водороде, вакууме, в атмосфере, содержащей серу и сернистые газы, аналогичны сплавам X2SH20 и Х16Н60. Максимальная рабочая температура нагревательных элементов из сплавов Х15Н60 и X2QH80 составляет :11100°С, а из сплава Х20Н80-Н— 1200°С. Из сплавов Х15Н60-Н и Х20Н80 изготавливают проволоку и ленту для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия и бытовых приборов, а из сплава Х2ОН0ОнН— проволоку и ленту для промышленных и лабораторных электрических аппаратов теплового действия реостатов, электросопротивлений, микропроволоки и бытовых приборов.

Сплавы, имеющие точно определенный состав и специальные физические или физико-механические свойства, называют прецизионными. При их изготовлении требуется строго соблюдать режимы выплавки и обработки. При отклонении от строго регламентированных режимов недостижимы высокие параметры, характерные для того или иного сплава.

К прецизионным относят сплавы со специальными электрическими, тепловыми, магнитными, упругими и другими свойствами.

Большинство прецизионных сплавов создано на основе Fe, Ni и Со, либо на основе их сочетания (например, Fe - Со, Fe - Ni, Ni - Со). Для усиления соответствующих физических свойств сплавы легируют элементами: Мо, Сr, Мn, Сu, Zr, Ti, Nb, Ве и другими.

Эти сплавы, как правило, безуглеродистые (содержание углерода в них 0,005…0,05 %). Содержание других примесей также должно быть возможно более низким. Очень важно для получения требуемых свойств прецизионных сплавов обеспечить строгое соблюдение режимов промежуточных и окончательных обработок на всех этапах их изготовления.

В материаловедении по магнитным свойствам материалы разделяют на магнитно-мягкие, магнитно-твердые и немагнитные материалы.

Прежде чем рассматривать эти группы материалов, напомним, как происходит процесс намагничивания материалов при приложении внешнего магнитного поля.

Известно, что даже в монокристаллах, а тем более в поликристаллических материалах весь объем тела разделен на области - домены, разделенные узкими границами, носящими название стенок доменов. Размеры доменов различны для разных веществ, и даже в одном материале они зависят от структуры и свойств определенного образца. Как правило, размеры доменов составляют 10 -3 …10 -2 см, а толщина стенок между доменами - порядка 10…100 нм. Каждый из доменов ориентирован в присущем ему направлении легкого намагничивания (рис. 19).

При беспорядочном расположении энергия стенок доменов, вклады магнитокристаллической и магнитострикционной энергий - минимальны и материал - немагнитен. Приложение магнитного поля, прежде всего, приводит к росту доменов за счет присоединения соседних доменов близкой ориентации, а затем их рост происходит путем обращения полей доменов, ориентированных близко к направлениям обратным приложенному полю. Кроме этого процесса, происходит другой процесс - вращение доменов, приводящий к изменению направления их спонтанной намагниченности, т. е. к ориентированию их в направлении приложенного поля.

Процессом технического намагничивания называется создание в ферромагнетиках результирующей намагниченности - М, равной суммарному магнитному моменту атомов в единице объема. При этом в отличие от парамагнетиков, для которых характерна линейная связь между приложенным внешним полем и намагниченностью, для ферромагнетиков при приложении поля намагниченность изменяется нелинейно, достигает насыщения, а затем, если изменить направление намагничивающего поля, кривая пойдет выше, чем первоначальная, и при поле равном нулю будет существовать остаточная намагниченность.

Рис. 19. Ориентация магнитных моментов в ферромагнетиках

в отсутствие внешнего магнитного поля:

а – монокристалл; б – поликристалл

При неоднократном изменении направления намагничивающего поля постепенно формируется замкнутая кривая (петля гистерезиса). Максимальная магнитная индукция называется индукцией насыщения. Величина магнитной индукции ± В, сохраняющаяся после снятия приложенного магнитного поля, называется остаточной магнитной индукцией.

Существование явления остаточной магнитной индукции привело к созданию постоянных магнитов. Напряженность магнитного поля Н (А/м), при которой магнитная индукция сводится к нулю, называют коэрцитивной силой Н_с (задерживающей напряженностью). Магнитной энергией или энергией перемагничивания называется произведение В . Н_с.

Рис. 20. Петли магнитного гистерезиса для магнитно-мягких материалов (а) и магнитно-твердых материалов (б). Обратите внимание на масштаб по оси абцисс

Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Для этих материалов характерна малая работа перемагничивания (рис. 20).

Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой Н и малой начальной проницаемостью. Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой.

Магнитно-мягкие материалы используют в трансформаторах, генераторах, переключателях и других устройствах. К числу этих материалов относятся чистое железо, трансформаторная и динамная стали (сплав железа с кремнием), альсиферы(сплавы Fe - Si - Al).

В приборостроении и слаботочной промышленности также применяют магнитомягкие материалы - пермалои (Fe + 78,5 % Ni) и супермалои (Fe-5 % Мо-79 % Ni). Как правило, это однофазные материалы.

Для уменьшения потерь энергии необходимо использовать материалы с узкой петлей гистерезиса. При малой площади петли гистерезиса соотношение между Ви Н_с практически линейно. Коэффициент пропорциональности этого соотношенияm - магнитная проницаемость. Для обычного железа проницаемость равна нескольким тысячам, а для сплава супермалой - порядка миллиона.

Для изготовления трансформаторов и электромоторов необходимы такие магнитно-мягкие материалы, в которых намагниченность заметно меняется даже при приложении небольших магнитных полей. Для этого стенки магнитных доменов должны легко двигаться, что достигается в материалах с небольшим количеством дефектов (включений второй фазы, дислокаций).

Высокие свойства пермаллоев обусловлены физическими свойствами компонентов, входящих в них. Направление легкого намагничивания в никеле - , а в железе - . При смешивании их в определенной пропорции получается, что в сплаве эти два направления становятся эквивалентными, т. е. в сплаве не будет предпочтительного направления легкого намагничивания и для намагничивания сплава будет необходима лишь небольшая энергия. Кроме того, в этих сплавах практически не проявляется магнитострикция. Поскольку наклеп повышает коэрцитивную силу и снижает магнитную проницаемость, эти сплавы обычно используют в отожженном состоянии. Крупное зерно способствует повышению магнитной проницаемости, поэтому материалы стараются рекристаллизовать на крупное зерно.

Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагниты, реле и т. п.). Недостатком чистого железа являются большие потери мощности из-за вихревых токовФуко, возникающих при перемагничивании.

Легирование железа кремнием (трансформаторная и динамная стали) значительно повышает электросопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Но кремний, при его содержании в железе выше 3 %, вызывает хрупкость.

Электротехническую сталь выпускают в виде листов холоднокатаных и горячекатаных. Для увеличения размера зерна при рекристаллизации и выжигания углерода сталь подвергают отжигу при 1100…1200 °С (в вакууме, водороде или диссоциированном аммиаке). Динамную сталь выпускают в виде листа толщиной 0,5 мм, причем отжигом добиваются изотропной структуры. Трансформаторную же сталь (толщиной 0,35 мм) выпускают обязательно в виде текстурованных листов и ленты, т. е. добиваются преимущественной одинаковой ориентировки всех зерен вдоль направления прокатки. Наиболее распространенной текстурой, которую стараются получить в трансформаторной стали, является текстура Госса - , потому что в направлении железо легко намагничивается. В последнее время в промышленности начинают использовать стали с кубической текстурой, т. е. с такой преимущественной ориентировкой зерен, когда с плоскостью прокатки совпадает грань куба , а с направлением прокатки его ребро . При такой текстуре в плоскости прокатки располагаются два направления легкого намагничивания - вдоль и поперек направления прокатки. Как текстура Госса, так и кубическая текстура создаются в трансформаторных сталях путем сложных технологических переделов. Текстура Госса получается путем сочетания горячей прокатки, двух- или трехкратных холодных прокаток и окончательного высокотемпературного отжига в вакууме или защитной атмосфере. Для получения кубической текстуры используют три способа: получение ее в результате вторичной рекристаллизации, в результате многократной первичной рекристаллизации из литых заготовок с кубической аксиальной текстурой . Для получения кубической текстуры необходимо применять очень чистые шихтовые материалы и плавку проводить в вакууме. Образованию кубической текстуры способствует легирование стали марганцем (0,3…0,35 %) или никелем (1…2 %). В настоящее время кубическая текстура получается как в ленте толщиной 0,10…0,20 мм, так и в ленте толщиной 0,35…0,5 мм.

Электротехнические стали принято маркировать буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра - удельным потерям на перемагничивание (1 - нормальные удельные потери, 2 - пониженные, 3 - низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, 00 - холоднокатаная малотекстурованная. Следовательно, горячекатаные сорта сталей маркируются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43. Холоднокатаные стали маркируются Э1100, Э310, Э3100 и т.д.

С увеличением содержания кремния в стали потери на перемагничивание (так называемые ваттные потери) уменьшаются. С ростом частоты тока потери увеличиваются. Для существенного их снижения следует повышать электросопротивление материалов. Поэтому при высоких частотах целесообразно использовать ферриты. Ферриты получают спеканием порошков Fe₂O₃ и оксидов двухвалентных металлов: ZnO, NiO, MnO и др. Омическое сопротивление ферритов высокое и составляет 10 6 …10 7 Ом/см, у них сравнительно небольшая намагниченность насыщения, равная 100…2000 Гс. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость m_о, которую указывают в начале марки феррита: 2000 НС, 6000 НМ и так далее (НС - означает никелькремниевый, НМ - никельмарганцевый). Применение ферритов позволило уменьшить размеры многих приборов. Их применяют также в запоминающих устройствах ЭВМ. Ферриты производят с очень высоким электросопротивлением (10 8 …10 9 Ом/см). Их недостатком является высокая твердость и хрупкость, низкая точка Кюри (ниже 200 0 C) и низкая индукция насыщения.

Пермаллои широко используют в слаботочной промышленности (радио, телеграф, телефон). Широко применяют также альсиферы (5,4 % Аl, 9,6 % Si, 85 % Fe), преимущество которых перед пермаллоями - их недефицитность.

Для создания постоянных магнитов используют материалы с широкой петлей гистерезиса (рис. 20, б), чтобы при снятии внешнего намагничивающего поля намагниченность осталась большой (магнитно-твердые материалы). Энергия постоянных магнитов (В . H_с) будет тем больше, чем выше значения обоих сомножителей. Поскольку значения В ограничены магнитным насыщением ферромагнитных материалов (Fe, Ni, Со), то для увеличения энергии увеличивают коэрцитивную силу.

Структура, обеспечивающая такие свойства сплавов, должна быть очень неоднородной (либо это мартенсит с большим числом дислокаций, границ зерен, либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой, либо сплавы со сверхструктурой, т.е. упорядоченной структурой).

Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей, является сплав типа альнико(51 % Fe; 8 % Аl; 14 % Ni; 24 % Со; 3 % Сu). Его высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250…1300 °С и последующего старения при 600…650 °С. Структура сплава после термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и вкрапленных в нее мелких магнитных же частиц. Ферромагнитная матрица обеспечивает достаточно высокую остаточную индукцию.

Дефицит никеля и кобальта привел к необходимости создания новых сплавов, сочетающих высокую магнитную энергию и хорошие механические свойства. Так, сплав 71ГЮ (71 % Мn, Аl - остальное) используют при изготовлении многополюсных магнитов и двухполюсных, для роторов электродвигателей и других магнитов в приборостроении. Магнитный сплав системы 70ГГл (системы Мn - Gа) применяют для изготовления мелких магнитов с большим размагничивающим фактором.

В технике постоянных магнитов применяют и материалы, в которых в парамагнитную матрицу вкраплены мелкие (практически однодоменные) ферромагнитные частицы. К числу таких сталей относятся ЕХ3 (3 % Сr); ЕХ5К5 (5% Сr, 5% Со); ЕХ9К15М (9% Cr, 15% Со, 1 % Мо). Эти стали легко обрабатываются резанием и деформируются, но пока применяются лишь для не очень ответственных магнитов.

В радиоаппаратуре и электромашиностроении иногда требуются магнитодиэлектрики, которые отличаются высоким постоянством магнитной проницаемости. Магнитодиэлектрики получаются обычно методами порошковой металлургии из карбонильного железа и альсифера с изолирующими материалами. Иногда в электромашиностроении требуются немагнитные материалы с низкой электропроводностью и высокими механическими свойствами. Для этих целей используют аустенитные стали и чугуны. К числу таких сталей относятся Н12ХГ, 45Г13Ю3, Х18Н9 и др. Применение аустенитных сталей ограничено плохой обрабатываемостью.

Ими являются сплавы на основе железа. Сплавы при в своей структуре содержат ферромагнитную фазу Р, с большим содержанием железа, вкрапленную в слабоферромагнитную фазу При термической обработке высокотемпературная фаза Р испытывает превращение в результате чего удается получить однодоменные кристаллы ферромагнитной фазы пластинчатой формы (рис. 15.20, а), которая обеспечивает большие значения и сотах.

Закалка включает нагрев до температур 1200-1280°С (в зависимости от состава) и охлаждение с определенной критической для каждого сплава скоростью, обеспечивающей наибольшую дисперсность выделений фазы При последующем отпуске происходит дораспад фаз и дополнительное улучшение магнитных свойств.

Сплавы содержат Применяют сплавы, дополнительно легированные . Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает их разброс при неизбежных колебаниях состава. Маркируют эти сплавы так же, как и стали. Магнитные свойства некоторых промышленных сплавов приведены в табл. 15.10.

Магнитные свойства можно значительно улучшить, если охлаждение при закалке проводить в сильном магнитном поле В таком случае пластинки в результате магнитострикционных напряжений растут вдоль поля и векторы намагничивания ориентируются в том же направлении. Материал после термической обработки приобретает магнитную анизотропию (см. рис. 15.20, б), что значительно увеличивает Наибольший эффект от такой термомагнитной обработки (80%) получен на сплавах с повышенным содержанием кобальта.

Дальнейшее улучшение магнитных свойств в литых сплавах получают на столбчатых кристаллах, выращивая их при кристаллизации сплава с

ТАБЛИЦА 15.10. Магнитные свойства литых сплавов изготовления магнитов (ГОСТ 17809 -72)

Рис. 15.21. Кривые размагничивания литых сплавов Fe - Ni - Al:

направленным теплоотводом и в магнитном поле. Длина таких кристаллов может достигать 300 мм. Ось кристалла совпадает с направлением легкого намагничивания. Сплав благодаря анизотропии формы приобретает высокие значения увеличение выпуклости кривой размагничивания приводит к увеличению (рис. 15.21).

К недостаткам литых сплавов относятся их повышенная хрупкость и высокая твердость, что исключает все виды обработки, кроме шлифования. Этих недостатков лишены спеченные сплавы

Читайте также: